Nanostrukturierung und Dynamik subzellulärer Funktionsdomänen als regulatorische Einheiten der endothelialen Zellkontakte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Endothel des Herz- und Gefäßsystems ist ein monozellulärer, mechano-sensitiver und regulatorisch hochaktiver Zellrasen mit hoher Plastizität, der als innere Grenzfläche der Gefäße zwischen Blut und dem Interstitium ausgebildet ist. Neben ihrer zentralen Funktion zur Regulation des Vasotonus und der Organperfusion, der Gerinnung, der Regulation des Wasser- und Substanzaustausches sind Endothelzellen (ECs) Schlüsselzellen bei allen Formen der Entzündungsreaktion, bei der Wundheilung, bei der Gefäßbildung (Vaskulogenese) und der Gefäßneubildung aus präformierten Gefäßen (Angiogenese). Das Endothel besteht aus Einzelzellen, die über Zellkontakte (tigth-, adherens und gap-junctions) physisch und funktionell gekoppelt sind. Endothelzellkontakte unterliegen bei Remodellierungen besonderen Herausforderungen. Insbesondre erfolgen bei Relativbewegungen der Zellen hochdynamische subzellulär geregelte Umbauprozesse, die einerseits die Relativbewegung der Zellen gestatten, andererseits aber gleichzeitig die endotheliale Integrität zwischen den Zellkontakten aufrecht erhalten werden muss. Eine zentrale Funktion besitzen die Adhärenskontakte mit dem vaskulären endothelialen Cadherin (VE-Cadherin) als Grundbaustein. VE-Cadherin ist ein Typ II Cadherin, das über eine Reihe von Proteinen (z.B. Catenine, p120ctn, EPLIN) mit dem Aktinzytoskelett, dem Vimentin- Intermediärfilamentsystem und den Mikrotubuli assoziiert. Zahlreiche Arbeiten zur Zellkontaktregulation stellen die zentrale Bedeutung des VE-Cadherins und dessen Zytoskelettinteraktion heraus. Andererseits waren Modelle zur kausal-mechanistischen und interaktiven Regulation und Dynamik des VE-Cadherin/Catenin-Komplexes mit dem Aktinzytosklett, die als eine der Grundlagen der endothelialen Plastizität gelten können, zur Zeit der Antragstellung nicht verfügbar. Das beantragte Projekt befasste sich mit der Analyse der Zellkontakt-Dynamik und deren zugrunde liegenden Mechanismen. Neben biochemischen, molekularbiologischen und physikalischen Methoden konnten wir mit hochauflösender Mikroskopie (dSTORM, SIM) und fluoreszenzmarkierten Fusionsproteinen des Zytoskeletts (Aktin, Tubulin, Vimentin) und der Zellkontakte (VE-Cadherin, Catenine) mittels „Spinning Disc Mikroskopy“ sowie FRET und FRAP Analysen im „live cell imaging“ Regulationsmechanismen der Zellkontakte aufdecken und in einem mechanistischen Modell zusammenfassen. Ein wesentliches Element dieses Modells sind die „junction associated intermittent lamellipodia“ (JAIL), die an Zellkontakten auftreten. JAIL sind kleine (1-5 µm) Aktin vermittelte Membranprotrusionen, die unter der Kontrolle des ARP2/3-Komplexes stehen, der seinerseits Rac-1 and WAVE/WASP abhängig ist. Der Name JAIL basiert auf dem zeitlich-räumlichen Auftreten, dessen wesentliches Merkmal die unmittelbare Neubildung von VE-Cadherin vermittelten Zellkontakten ist. Diese VE-Cadherin-Dynamik unterliegt höchstwahrscheinlich einem autoregulatorischen Prozess, da die lokale (subzellulär an den Zellkontakten) VE-Cadherin-Konzentration in einer inversen Abhängigkeit zur JAIL Bildung steht. Damit sind JAIL von zentraler Bedeutung für die Aufrechterhaltung der endothelialen Integrität und für die kollektive Zellmigration einschließlich der Aniogenese in vivo und in vitro. Die JAIL Bildung wird zudem von den Isoformen des Aktin bindenden Proteine EPLIN-a und EPLIN-b, den Myosin II Isoformen (MYH9 und MYH10) sowie von Rho-GTPasen reguliert. Vice versa konnten wir die Inhibition der JAIL als einen Mechanismus identifizieren, der zur schnellen Steigerung der EC Permeabilität wesentlich beiträgt. Diese Daten stehen im Einklang mit der verschiedenen Ausprägung und Größe von VE-Cadherin-Komplexen an den EC Kontakten, Strukturen, die wir mittels dynamischer und Superresolution Mikroskopy näher charakterisieren konnten. Das aus diesen Daten entwickelte kausal-mechanistische Modell zur Regulation der EC-Kontakte scheint eine generelle Bedeutung bei der Entzündungsreaktion, bei der organspezifischen Regulation der EC-Permeabilität, der planaren EC Polarität sowie bei der Tumorangiogenese und der Transmigration von Tumorzellen und Leukozyten zu haben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Endothelial alpha-parvin controls integrity of developing vasculature and is required for maintenance of cell-cell junctions. Circ Res 117, 29-40 (2015)
Fraccaroli, A., Pitter, B., Taha, A.A., Seebach, J., Huveneers, S., Kirsch, J., Casaroli-Marano, R.P., Zahler, S., Pohl, U., Gerhardt, H., Schnittler, H.J. & Montanez, E.
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The CellBorderTracker, a novel tool to quantitatively analyze spatiotemporal endothelial junction dynamics at the subcellular level. Histochemistry and cell biology 144, 517-532 (2015)
Seebach, J., Taha, A.A., Lenk, J., Lindemann, N., Jiang, X., Brinkmann, K., Bogdan, S. & Schnittler, H.J.
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Endothelial Notch signalling limits angiogenesis via control of artery formation. Nat Cell Biol 19, 928-940 (2017)
Hasan, S.S., Tsaryk, R., Lange, M., Wisniewski, L., Moore, J.C., Lawson, N.D., Wojciechowska, K., Schnittler, H. & Siekmann, A.F.
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FMNL formins boost lamellipodial force generation. Nat Commun 8, 14832 (2017)
Kage, F., Winterhoff, M., Dimchev, V., Mueller, J., Thalheim, T., Freise, A., Bruhmann, S., Kollasser, J., Block, J., Dimchev, G., Geyer, M., Schnittler, H.J., Brakebusch, C., Stradal, T.E., Carlier, M.F., Sixt, M., Kas, J., Faix, J. & Rottner, K.
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Polarized actin and VE-cadherin dynamics regulate junctional remodelling and cell migration during sprouting angiogenesis. Nat Commun 8, 2210 (2017)
Cao, J., Ehling, M., Marz, S., Seebach, J., Tarbashevich, K., Sixta, T., Pitulescu, M.E., Werner, A.C., Flach, B., Montanez, E., Raz, E., Adams, R.H. & Schnittler, H.
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Advanced Methods for the Investigation of Cell Contact Dynamics in Endothelial Cells Using Florescence-Based Live Cell Imaging. J Vasc Res 55, 350-364 (2018)
Hofer, I., Schimp, C., Taha, M., Seebach, J., Aldirawi, M., Cao, J., Leidl, Q., Ahle, A. & Schnittler, H.
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The expression of VE-cadherin in breast cancer cells modulates cell dynamics as a function of tumor differentiation and promotes tumor-endothelial cell interactions. Histochemistry and cell biology 149, 15-30 (2018)
Rezaei, M., Cao, J., Friedrich, K., Kemper, B., Brendel, O., Grosser, M., Adrian, M., Baretton, G., Breier, G. & Schnittler, H.J.
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(2019) A Novel Microscopic Assay Reveals Heterogeneous Regulation of Local Endothelial Barrier Function. In: Biophysical journal 116 (8) 1547–1559
Klusmeier, Nadine; Schnittler, Hans-Joachim; Seebach, Jochen
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(2019) Identification of atheroprone shear stress responsive regulatory elements in endothelial cells. Cardiovascular Research 115 (10) 1487–1499
Bondareva, O., Tsaryk, R., Bojovic,V., Odenthal-Schnittler, M., Siekmann, A.F., Schnittler, H.J.
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Putting VE-cadherin into JAIL for junction remodeling. J Cell Sci 132 (2019)
Cao, J. & Schnittler, H.
