Basalmembran und Zellverbindungen

Epithelien sind auf zwei Struktursysteme angewiesen: die Basalmembran unter ihnen und die Zellverbindungen zwischen und unter ihren Zellen. Die Basalmembran ist eine dünne Schicht extrazellulärer Matrix, die das Epithel im darunterliegenden Bindegewebe verankert und als selektiver Filter und Signalplattform fungiert. Zellverbindungen dichten benachbarte Zellen ab, koppeln sie mechanisch, verbinden sie mit der Basalmembran und ermöglichen eine direkte Kommunikation, wodurch einzelne Zellen zu einer kohärenten, polarisierten Barriere werden.

Definition

Die Basalmembran ist eine spezialisierte extrazelluläre Matrixschicht (Laminine, Typ-IV-Kollagen, Nidogen, Perlecan), die das Epithel vom Bindegewebe trennt und daran verankert, während Zellverbindungen die Membranstrukturen sind, die benachbarte Epithelzellen abdichten, anhaften, verankern und elektrisch sowie chemisch koppeln.

Scope

Das Thema behandelt die Zusammensetzung und Funktionen der Basalmembran (Basallamina) und der wichtigsten epithelialen Zellverbindungen: Tight Junctions (Okkludens-Verbindungen), Adherens Junctions, Desmosomen, Gap Junctions sowie die Hemidesmosomen und fokalen Adhäsionen, die Zellen an der Basalmembran verankern. Es wird als zellbiologisches und histologisches Referenzmaterial und nicht als klinische Leitlinie behandelt.

Core questions

• Woraus besteht die Basalmembran und welche Funktionen hat sie über die mechanische Unterstützung hinaus?
• Was sind die Haupttypen epithelialer Zellverbindungen und wie unterscheiden sich ihre Funktionen?
• Wie erzeugen Tight Junctions eine Barriere und definieren die apikal-basale Polarität?
• Wie sind Epithelzellen an der Basalmembran verankert?

Key concepts

• Basalmembran / Basallamina
• Typ-IV-Kollagen, Laminin, Nidogen, Perlecan
• Tight Junctions (Okkludens-Verbindungen) und parazelluläre Permeabilität
• Adherens Junctions und Cadherine
• Desmosomen und Intermediärfilamente
• Gap Junctions und interzelluläre Kommunikation
• Hemidesmosomen und fokale Adhäsionen (Integrin-vermittelte Verankerung)
• Apikaler Junktionaler Komplex

Mechanisms

Farquhar und Palade (1963) beschrieben den apikalen Junktionalen Komplex, in dem eine Tight Junction, eine Adherens Junction und Desmosomen sequenziell unterhalb der apikalen Oberfläche angeordnet sind. Tight Junctions, die von Claudinen und Occludinen gebildet werden, verschmelzen benachbarte Membranen, um parazelluläre Leckagen zu begrenzen und apikale von basolateralen Membrandomänen abzugrenzen, wodurch Polarität etabliert wird (Anderson und Van Itallie, 2009). Adherens Junctions verwenden Cadherine, die mit dem Aktin-Zytoskelett verbunden sind, um Zellen zusammenzuhalten und die Zellschicht zu koordinieren (Meng und Takeichi, 2009), während Desmosomen Zellen für mechanische Festigkeit an Intermediärfilamente binden und Gap Junctions den direkten Austausch von Ionen und kleinen Molekülen ermöglichen. Basal verankern Hemidesmosomen und Integrin-basierte fokale Adhäsionen Zellen an der Basalmembran, deren Laminin- und Typ-IV-Kollagennetzwerke auch mechanische und Signalreize in die Zelle übertragen (Yurchenco, 2011; Sun et al., 2016).

Clinical relevance

Defekte in Junktional- oder Basalmembrankomponenten liegen mehreren ererbten und erworbenen Erkrankungen zugrunde und beeinflussen, wie epitheliale Tumoren invasiv werden, da Invasion das Durchbrechen der Basalmembran beinhaltet. Solche Zusammenhänge werden als Hintergrund zum Verständnis der epithelialen Pathologie zusammengefasst und sind nicht als diagnostische oder Behandlungsleitlinie gedacht.

Evidence & guidelines

Die Struktur und Funktionen der Basalmembran und der epithelialen Zellverbindungen sind durch Elektronenmikroskopie und molekulare Zellbiologie gut charakterisiert, wobei die hier dargestellten Informationen aus Primär- und Übersichtsartikeln stammen (Farquhar und Palade, 1963; Yurchenco, 2011; Anderson und Van Itallie, 2009; Meng und Takeichi, 2009; Sun et al., 2016).

History

Die Elektronenmikroskopie in den frühen 1960er Jahren enthüllte den geordneten Junktionalen Komplex von Epithelzellen (Farquhar und Palade, 1963) und verlagerte die Untersuchung der Zelladhäsion von der lichtmikroskopischen Beschreibung zur Ultrastruktur. In den folgenden Jahrzehnten wurden die beteiligten Moleküle – Claudine, Cadherine, Connexine, Integrine, Laminine und Typ-IV-Kollagen – identifiziert und die Basalmembran nicht mehr nur als Gerüst, sondern als Signalfläche neu definiert.

Key figures

• Marilyn Farquhar
• George Palade
• Peter Yurchenco
• Masatoshi Takeichi
• James Anderson

Seminal works

• farquhar-palade-1963
• yurchenco-2011
• meng-takeichi-2009

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen der Basallamina und der Basalmembran?

Im allgemeinen Sprachgebrauch ist die Basallamina die dünne Matrixschicht unmittelbar unter dem Epithel, die elektronenmikroskopisch sichtbar ist, während Basalmembran der umfassendere Begriff ist (oft für das verwendet, was lichtmikroskopisch sichtbar ist), der die Basallamina zusammen mit den assoziierten retikulären Fasern des darunterliegenden Bindegewebes einschließt.

Welche Zellverbindung verhindert das Austreten von Substanzen zwischen Epithelzellen?

Die Tight Junction (Okkludens-Verbindung) dichtet den Raum zwischen benachbarten Zellen ab, begrenzt die parazelluläre Bewegung und hilft auch, die apikalen und basolateralen Membrandomänen zu trennen, die die epitheliale Polarität definieren.