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The molecular and cell biological characterization of cell-cell junctions in mesenchymally derived cells and tissues

Rickelt, Steffen

German Title: Die molekulare und zellbiologische Charakterisierung von Zell-Zell-Kontakten in mesenchymal abgeleiteten Zellen und Geweben

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Abstract

Nach dem herrschenden Lehrbuch Dogma exestieren zwei – und nur zwei – verschiedene Typen von zell-zell-verbindenden, Calcium-abhängigen Zellkontakten ("Adhering Junctions", AJs), die durch dicht-gepackte zytoplasmatische Plaques gekennzeichnet sind und so regelmäßig Filamente des Zytoskeletts verankern. AJs sind somit architektonisch und funktionell wichtige Strukturen, die bisher insbesondere in Epithelien und davon abgeleiteten Tumoren, vor allem den Karzinomen, untersucht worden sind. Hier unterscheided man vor allem zwischen den Intermediärfilamente verankernden Desmosomen (Maculae adhaerentes) und den Mikrofilament-Bündel verankernden Zellkontakten der Adherenz-Kategorie, die in verschiedenen Größen und Morphotypen vorkommen (Puncta, Fasziae, Zonulae). Die molekulare Zusammensetzung dieser AJ-Arten ist weitgehend bekannt, und spezifische molekular-diagnostische Antikörper werden routinemäßig in der Zell- und Entwicklungsbiologie sowie der diagnostischen Pathologie eingesetzt. Im Vergleich dazu ist sehr wenig über die molekulare Zusammensetzung der AJs, die nicht-epitheliale Zellen verbinden, bekannt, insbesondere die der mesenchymalen Gewebe und der mesenchymal-abgeleiteten Tumore. Aus diesem Grund und wegen des allgemeinen Bedarfs an verbesserten immunzytochemisch-diagnostischen Reagenzien und molekular-therapeutischen Ansätzen war es das Ziel, eine zellbiologische und molekular-analytische Grundlage für die diagnostische Identifizierung und Charakterisierung solcher AJs von mesenchymal-abgeleiteten Tumoren zu liefern. Der erste neuartige und weitverbreitete AJ-Typ ist einer, der ein grundlegendes "mesenchymales" Ensemble von N-Cadherin und/oder Cadherin-11 als transmembrane Glykoproteine aufweist, die in einem subplasmalemmalen Plaque verankert sind, der von typischen armadillo Proteinen wie alpha and beta-Catenin, Plakoglobin, den Proteinen p120, p0071 und/oder ARVCF sowie den Aktin-Mikrofilamente-bindenden Proteinen alpha and beta-Catenin und alpha-Actinin gebildet wird, hier aber zusätzlich das bedeutende Plaque-Protein Plakophilin-2 (Pkp2), oft zusammen mit Pkp3, enthält. Ich habe das Vorkommen solcher Pkp2-haltigen AJs – mit oder ohne Pkp3 – (Coniunctiones adhaerentes) in verschiedenen Säugetier-Zellkulturlinien gezeigt. Des Weiteren wurden diese AJs in einigen Tumoren in situ nachgewiesen, einschließlich bestimmter Tumore, bei denen dieses Protein durchweg ein diagnostisch relevanter molekularer Marker zu sein scheint, wie zum Beispiel den kardialen Myxomen. Basierend auf ersten Experimenten mit einer siRNA-vermittelten Genprodukt-Reduktion und ausgehend von jüngsten Erkenntnissen über eine allgemeine Rolle von Pkp2 als stabilisierendes Zell-Zell-Verbindungs-Protein wie z.B. im Säugetier-Herz, diskutiere ich die Möglichkeit dass eine Integration von Pkp-Molekülen in AJs von mesenchymal-abgeleiteten Zellen wesentlich zur strukturellen Stabilisierung und Festigkeit beiträgt und vor allem einen Vorteil beim Zusammenhalten proliferierender Zellen darstellt. Als dritte und strukturell völlig verschiedene Cadherin-Anordnung habe ich in einigen Subtypen von in Zellkultur-gewachsenen menschlichen Melanomen und Melanozyten das weit verbreitete in die Plasmamembran integrierte Glykoprotein Desmoglein Dsg2 entdeckt, dass dort sich offenbar regelmäßig in einzelnen Molekülen über große Areale der Zelloberfläche hin erstreckt und in Spiegelbild-symmetrischer Anordnung Zellen verbindet. Letztlich, habe ich die spontane, nicht induzierte, oft kumulative Synthese von Zellverbindungsmolekülen in bereits seit langem etablierten hämatopoetischen Zellkulturlinien (K562, RPMI 8226) und die Ansammlung solcher Moleküle zu einem Spektrum von Zell-Zell AJ-Strukturen untersucht. Ich habe verschiedene Arten von unterschiedlich großen, meist punktförmigen Zell-Zell-Verbindungs-Strukturen der AJ-Kategorie identifiziert, von denen die große Mehrheit auf distinkte Dsg2-Plasmamembran-Anhäufungen basiert. Am häufigsten habe ich AJ-Plaque-ähnliche Zusammensetzungen mit Pkp2 – mit oder ohne Pkp3 – mit Plakoglobin bzw. eher selten mit anderen armadillo Proteinen nachgewiesen. Es ist offensichtlich, dass solch unerwartete Analyseergebnisse, vor allem etwa die zuletzt geschilderte Anhäufung von Karzinom-charakteristischen Molekülen und Strukturen in mesenchymalen Tumoren erst recht in unizellulären Bluttumorzellen, in der Tumordiagnostik und für die therapeutische Behandlung, Beunruhigungen hervorrufen. Diese spontanen Veränderungen der Zell-Differenzierungs-Eigenschaften sowie des Zell-Charakters und -Verhaltens werden in Bezug auf entsprechende vereinzelte Angaben in der Literatur diskutiert. Die Feststellung solcher sehr unterschiedlicher AJ-Strukturen, in nicht-epithelialen Tumorzellen gezeigt, dass die Lehrbuchkapitel über Zell-Zell-Kontakte in der Zell- und Tumorbiologie wiedereröffnet und mit Fakten der ultrastrukturellen und molekularen Analyse erneut und verbessert dargestellt werden sollten.

Translation of abstract (English)

According to the prevailing textbook dogma there are two – and only two – distinct types of cell-cell connecting, calcium-dependent adhering junctions (AJs) characterized by dense cytoplasmic plaques which frequently anchor cytoskeletal filaments and represents architecturally and functionally important structures of epithelia and epithelia-derived tumor cells, including all carcinomas. These are the intermediate-sized filament-anchoring desmosomes (maculae adhaerentes) and the microfilament-anchoring adherens junctions which can appear in various sizes and morphotypes (puncta, fasciae, zonulae). The molecular composition of these AJ kinds is by and large known and the molecule-specific diagnostic antibodies are used in cell and developmental biology as well as in diagnostic pathology. By comparison, very little is known as to the molecular composition of the AJs that connect non-epithelial cells, notably those of mesenchymal tissues and mesenchymally derived tumors. Therefore and because of the general need for an improved immunocytochemically based armamentarium of diagnostic reagents and therapeutic methods, it has been the aim to provide a first cell and molecular biological basis for the diagnostic identification and characterization of such AJs from mesenchymal-derived tumors. A first and widely occurring type is presented by AJs that have acquired, in addition to a "mesenchymal type" basis ensemble of N-cadherin and/or cadherin-11 as trans-membrane glycoproteins and a plaque assembled by some armadillo-type proteins including alpha and beta-catenin, plakoglobin, proteins p120, p0071 and/or ARVCF together with actin microfilament-binding proteins such as alpha and beta-catenin and alpha-actinin, the major plaque protein plakophilin-2 (Pkp2), not infrequently together with Pkp3. I have demonstrated the occurrence of AJs comprising Pkp2 – with or without Pkp3 – (coniunctiones adhaerentes) in several mammalian cell lines as well as in some tumors in situ, including tumor types for which this protein appears to be a general and diagnostically useful molecular marker such as cardiac myxomata. Based on a series of first experiments with siRNA-mediated gene product reduction experiments and on recent insights of a general role of Pkp2 as a cell-cell-attachment stabilizing protein as in the mammalian heart, I discuss the acquisition of Pkp to AJs of mesenchymally-derived cells as a possible enhancer of structural stability and as obviously advantageous in cell proliferation. As a third and functionally different, novel cadherin arrangement form I have discovered, in certain subtypes of human melanomas and melanocytes growing in cell culture, widely spread, surface membrane-integrated desmoglein Dsg2 glycoproteins which apparently occur as frequent but solitary molecules over rather extended areas of cell-cell contacts, i.e. without any junction-like local clustering. Finally, I investigated the spontaneous, uninduced, often cumulative syntheses of cell junction molecules in long-established human hematopoietic cell culture lines (e.g., K562, RPMI 8226) and their assemblies to variously-sized and -structured cell-cell junctions. I have identified diverse types of cell-cell connection structures of the AJ category the vast majority of which are based on plasma membrane clusters of Dsg2 which rarely occurred in complexes with desmocollin Dsc2 and/or the major desmosomal plaque protein, desmoplakin, but more frequently were found inserted in plaque-like assemblies of Pkp2, with or without Pkp3, plakoglobin or rather rarely other armadillo-type junction proteins. The finding of such very different AJ structures connecting non-epithelial tumor cells have indicated that the textbook chapter on cell-cell junctions in cell and tumor biology should be reopened and filled with facts of ultrastructural and molecular analysis.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Franke, Dr. rer. n Werner W.
Date of thesis defense: 17. June 2010
Date Deposited: 03. Mar 2011 09:00
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: adherens junctions , cadherins , mesenchymal cells , plakophilin-2 , soft tissue tumors
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