Adhäsionsrezeptoren sorgen nicht nur für eine physische Bindung an die ECM, sondern schaffen auch ein adhäsionsabhängiges Signalgerüst, das eine Reihe von Adaptorproteinen und Kinasen enthält.5, 6 Somit funktionieren Integrine in ähnlicher Weise wie Wachstumsfaktorrezeptoren (GFRs) und aktivieren in der Tat viele der gleichen nachgeschalteten Signalwege. Integrine stehen auch in direkter Wechselwirkung mit den GFR und ermöglichen es den Zellen, nur dann optimal auf lösliche Zytokine zu reagieren, wenn sie an die richtige ECM gebunden sind.
Die Spezifität für bestimmte Arten von ECM ergibt sich aus dem Spektrum der Integrine, die auf den Zellen exprimiert werden.6 Beim Menschen gibt es mindestens 24 verschiedene Integrine, und obwohl einige von ihnen auf denselben Zellen exprimiert werden und sogar dieselben ECM-Komponenten erkennen, haben viele von ihnen wesentliche Funktionen in bestimmten Geweben. Mammaepithelzellen haften über Integrin α6β1 an einer lamininreichen Basalmembran. Das Stroma, das den Milchgängen und Alveolen zugrunde liegt, enthält Kollagen I, das von α2β1 auf den Brustzellen erkannt wird. Obwohl sie kollagenbindende Integrine exprimieren, unterstützen sie das Überleben der Mammazellen nicht und werden schließlich apoptotisch.7, 8 Melanozyten werden in ähnlicher Weise durch Integrin/ECM-Interaktionen im richtigen Gewebekompartiment gehalten. Die darunter liegende Dermis ist reich an Kollagen, das die Adhäsion und das Überleben von Melanozyten nicht unterstützt, da sie im Gegensatz zu MEC keine geeigneten Integrine exprimieren. Während der Melanominvasion durch die kollagenreiche Dermis ermöglicht die Hochregulierung von αvβ3 auf den Melanomzellen jedoch, dass sie antiapoptotische Signale aus einer normalerweise feindlichen ECM-Umgebung empfangen.9 Die Hemmung der αvβ3-Funktion mit Hilfe von blockierenden Antikörpern induzierte die Apoptose der Melanomzellen.
Wie hält also die Adhäsion über Integrine die Zellen am Leben? Integrin-vermittelte Adhäsion reguliert dieselben Signalwege, die auch die Apoptose beim wachstumsfaktorvermittelten Überleben, bei der Reaktion auf DNA-Schäden und bei der durch Todesrezeptoren vermittelten Apoptose steuern, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Welche Signalwege die Anoikis regulieren, hängt vom Zelltyp ab, wobei verschiedene Integrine unterschiedliche Signalkaskaden aktivieren (Abbildung 1). So können Integrine beispielsweise die PI3-Kinase-Signalgebung, den klassischen ERK-Signalweg sowie stressaktivierte MAP-Kinasen wie die c-Jun N-terminale Kinase (Jnk) aktivieren.5 Diese können auf verschiedene, für verschiedene Integrine spezifische Weise aktiviert werden. Einige Integrine (α1β1, α5β1 und αvβ3) rekrutieren die Kinasen der src-Familie Fyn und Yes über eine Interaktion mit Caveolin 1, die dann die klassischen ERK-Wege durch Rekrutierung von Shc, Grb2 und Sos10 aktivieren können (Abbildung 1a). Viele Integrine rekrutieren pp125FAK (focal adhesion kinase), eine Nicht-Rezeptor-Tyrosin-Kinase, die als Reaktion auf Adhäsion aktiviert wird11 (Abbildung 1b). Pp125FAK interagiert mit einer Reihe von Signal- und Adaptormolekülen, darunter Src, PI3-Kinase, Paxillin und p130CAS, und wurde mit einer Reihe von Signalwegen in Verbindung gebracht, die Migration, Proliferation und Apoptose steuern. Die Integrin-verknüpfte Kinase wird auch an Adhäsionsstellen rekrutiert und ist an der Überlebenssignalisierung beteiligt.12, 13 Es gibt erhebliche Überschneidungen zwischen den nachgeschalteten Signalwegen, die durch diese alternativen Integrin-Signalmechanismen aktiviert werden. Ich werde einige Beispiele hervorheben, die die Vielfalt der Anoikis-Signalgebung veranschaulichen.
Schematische Darstellung einiger der molekularen Verbindungen von Adhäsionskomplexen (fokale Adhäsionen), die an der Überlebenssignalgebung beteiligt sind. Der Aufbau von Adhäsionskomplexen hängt nicht nur von den Wechselwirkungen zwischen Integrinen und der darunter liegenden ECM ab, sondern auch von Verbindungen mit dem Zytoskelett. Die Aktivierung der Integrin-Signalübertragung ist daher komplexer als eine einfache Rezeptor/Ligand-Interaktion. Für Einzelheiten wird auf den Haupttext und die dortigen Verweise verwiesen. (a) Die α-Untereinheiten bestimmter Integrine können durch Interaktionen mit Caveolin die Kinasen der Src-Familie Fyn und Yes rekrutieren, die dann den klassischen ERK-Signalweg aktivieren. (b) Die meisten Integrin-β-Untereinheiten rekrutieren FAK durch Wechselwirkungen mit Proteinen wie Talin. Talin, Vinculin und andere fokale Adhäsionsproteine fungieren sowohl als Bindeglieder zwischen Integrinen und dem Aktin-Zytoskelett als auch als Gerüst für die Rekrutierung von Signalmolekülen wie FAK und Paxillin. (c) Adhäsion und GFR-Signalgebung sind eng miteinander verbunden, und die Regulierung kann auf mehreren Ebenen erfolgen. Die Adhäsion an die ECM kann die Expression von GF-Rezeptoren steuern, ob sie aktiviert werden können oder nicht, oder ob sie mit nachgeschalteten Effektoren wie den klassischen ERK- und PI3-Kinasewegen interagieren können
Pp125FAK ist nachweislich erforderlich, um die Anoikis in einer Reihe von Zelltypen zu unterdrücken, entweder durch Expression dominant-negativer Formen, Mikroinjektion von Anti-FAK-Antikörpern oder Verwendung dominant-aktiver Formen zur Unterdrückung des Zelltods.14, 15, 16 FAK kann die PI3-Kinase-Signalgebung, die MAP-Kinase-Signalgebung, kleine GTPasen und andere Tyrosinkinasen wie die der Src-Familie regulieren, die alle das Zellüberleben beeinflussen können.11 In MDCK-Zellen kann die Ablösung von der ECM Jnk aktivieren, was ein proapoptotisches Signal darstellt.17 In einer anderen Studie, die ebenfalls mit MDCK-Zellen durchgeführt wurde, konnte jedoch kein Zusammenhang zwischen Jnk und Anoikis festgestellt werden.18 Stattdessen war eine Aktivierung der PI3-Kinase in adhärenten MDCK-Zellen erforderlich, um Anoikis zu unterdrücken, ähnlich wie dies bei Brustepithelzellen der Fall war.14 Jnk kann je nach zellulärem Kontext entweder pro- oder antiapoptotisch wirken. In einer Studie mit primären Fibroblasten wurde festgestellt, dass die Aktivierung von Jnk durch pp125FAK in adhärenten Zellen erforderlich ist, um Anoikis zu unterdrücken.19 In Fibroblasten wurde außerdem festgestellt, dass Anoikis von p53 abhängig ist.20 Unter serumfreien Bedingungen ist FAK erforderlich, um die p53-abhängige Apoptose zu unterdrücken. In Abwesenheit von FAK oder Adhäsion wird p53 über Phospholipase A2 und Proteinkinase Cγ aktiviert. Die Anoikis wurde entweder durch eine Überexpression von Bcl-2 oder durch eine dominant-negative Form von p53 gehemmt, was darauf hindeutet, dass dieser p53-abhängige Mechanismus weiterhin eine mitochondriale Permeabilisierung erfordert. In derselben Studie lieferten Wachstumsfaktoren ein starkes PI3-Kinase-abhängiges Überlebenssignal, und die Fibroblasten waren nicht mehr empfindlich gegenüber einer Hemmung von pp125FAK.
Die Adhäsion an die richtige ECM allein reicht nicht aus, um ein Überlebenssignal zu liefern. Die Ausbreitung und die Form der Zellen können den Phänotyp stark beeinflussen, und die Rolle des Zytoskeletts bei diesen Aspekten der Adhäsionssignalgebung ist entscheidend. Der Grad der Ausbreitung von Endothelzellen auf mikrostrukturierten Substraten bewirkt einen Wechsel zwischen Proliferation, Differenzierung und Apoptose, unabhängig von der Art der ECM und des Integrins, die für die Anhaftung verwendet werden.21, 22 In ähnlicher Weise benötigen Brustepithelzellen eine spezifische dreidimensionale (3-D) Anordnung, um die Apoptose zu unterdrücken.23 Diese Regulierung der Apoptose durch die Anordnung der Zellen innerhalb einer 3-D-Architektur könnte zur Morphogenese der Brustdrüse beitragen.24 Die Zellform wird durch das Zytoskelett und seine Verbindungen mit den Integrinen an den Zell-/ECM- und Zell/Zell-Verbindungen gesteuert. Veränderungen dieser mechanischen Kräfte können die zellulären Signalwege, die mit der Zelladhäsion verbunden sind, verändern und so das Überleben beeinflussen.25, 26 Die Art und Weise, wie Zellen mechanische Kräfte wahrnehmen, die mit der Ausbreitung und der Gewebearchitektur verbunden sind, und wie sich diese auf die Signalübertragung auswirken, wird an anderer Stelle ausführlich beschrieben.27, 28, 29
Eine weitere Komplikation ergibt sich, wenn wir die Wechselwirkung zwischen Integrinen und GFRs betrachten. Viele GFR werden durch die Adhäsion an die ECM beeinflusst, was beispielsweise eine verankerungsabhängige Kontrolle der Proliferation ermöglicht.30 Die Pp125FAK-Signalisierung kann die Fähigkeit der GFR, die ERK-Aktivierung und den G1-M-Übergang zu kontrollieren, direkt beeinflussen. Es ist daher nicht überraschend, dass dieser Crosstalk die Anoikis beeinflussen kann (Abbildung 1c). In primären Oligodendrozyten wirken Integrine mit GFR zusammen und ermöglichen ein zielabhängiges Überleben unter den Bedingungen begrenzter Wachstumsfaktoren.31 Bei physiologischen Neuregulinspiegeln war die Bindung neu gebildeter Oligodendrozyten an Laminin auf Axonen über α6β1 erforderlich, um Überlebenssignale vollständig zu aktivieren. Die Laminin/α6β1-Interaktion ermöglichte es Neuregulin, ein starkes ERK-abhängiges Überlebenssignal zu aktivieren. Epithelzellen zeigen auch eine Regulierung der Anoikis durch Integrin-GFR-Crosstalk. Epithelzellen sind für ihr Überleben sowohl von Wachstumsfaktoren als auch von Adhäsion abhängig, und das Fehlen von beidem führt zur Apoptose. Sie wirken jedoch nicht unbedingt durch unterschiedliche Signale. Primäre Brustepithelzellen sind auf die Adhäsion an Laminin zusammen mit dem insulinähnlichen Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) angewiesen.32 Die Aktivierung des IGF-1-Rezeptors unterdrückt die Apoptose über einen PI3-Kinase-abhängigen Signalweg.33 Die Adhäsion an Laminin scheint eine Voraussetzung für diese IGF-Rezeptor-Signalisierung zu sein. Primäre MEC, die auf Kollagen gezüchtet werden, aktivieren PI3-Kinase als Reaktion auf IGF-1 nicht effizient und unterliegen der Apoptose. Die humane MEC-Zelllinie MCF10A benötigt den EGF-Rezeptor (EGFR), obwohl er in diesem Fall über den klassischen ERK-Signalweg zu funktionieren scheint.34 Ohne Adhäsion verloren MCF10A-Zellen schnell die Expression des EGFR auf der Zelloberfläche, was zu einer Hochregulierung des Bcl-2-Proteins Bim führte. Eine Brusttumorzelllinie zeigte diese ablösungsinduzierte Herabregulierung von EGFR nicht, und eine Überexpression von EGFR in MCF10A-Zellen hemmte die Anoikis. Interessanterweise scheinen verschiedene MEC-Linien Unterschiede in der Art und Weise aufzuweisen, wie Integrine mit GFRs verknüpft sind, um die Anoikis zu kontrollieren.35 Somit scheint die Grenze zwischen Integrinen und Wachstumsfaktoren bei der Apoptoseregulierung unscharf zu sein.