Universität zu Köln

Epithelial cell migration on laminins

Chometon-Luthe, Gretel (2004) Epithelial cell migration on laminins. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    At the epidermal-dermal junction of the skin, the basal keratinocytes are stably anchored to the underlying basement membrane by specific anchoring structures, the hemidesmosomes. For tissue remodelling, like during wound healing or the cycling growth of the hair follicle, epithelial cell migration occurs and the epithelial cells are forced to reorganize their anchoring structures in order to respond to the new environment. Here, we report that components of the hemidesmosomes, in particular collagen XVII and the tetraspanin CD151, are involved in the regulation of keratinocyte migration in cooperation with the laminin-binding integrins. We observe that collagen XVII-deficient cells are more motile than normal keratinocytes (Tasanen et al., 2004). The tetraspanin CD151 is known to form stable complexes with laminin-binding integrins. In the epidermis, CD151 is associated with alpha3beta1 integrins at cell-cell contacts and with alpha6beta4 integrins in hemidesmosomes. We used a monoclonal antibody against CD151, TS151r, the epitope of which overlaps with the tetraspanin integrin-binding site, to investigate the role of CD151 in the migration of epithelial cells. Under standard culture conditions, the migratory capacity of epithelial HaCaT cells on laminins is low compared to that of Wi26 fibroblasts, apparently due to the production of endogenous laminin 5. However, HaCaT cells treated with TS151r respond to laminin 1 by an enhanced migration. This event is associated with a disruption of cell-cell contacts and a redistribution of beta1 and beta4 integrins. In the hair follicle, free CD151 is present in cell-cell contacts in the epithelial sheet lining the hair bulb, which is considered to contain migrating cells. Together, these results strongly suggest that integrin-bound CD151 inhibits cell migration and that dissociation of the CD151-integrin complex permits cell migration. In contact with the extracellular matrix, the cells capture information through their integrin membrane receptors, which further transduce the signals to the actin cytoskeleton. Two different laminin isoforms, laminin 1 and 5, activate alpha6beta1 and alpha3beta1 integrins, respectively, in fibroblasts and epithelial cells. Upon adhesion, these cells develop laminin-isoform specific morphology and cell-matrix adhesions, which influence the migration pattern of the cells. On laminin 5, the cells develop lamellipodia and very small vinculin patches and migrate in a polarized manner, while on laminin 1, the same cells form filopodia-like structures and thick vinculin aggregates and migrate in an uncoordinated manner, as shown by immunofluorescence staining and time-lapse videomicroscopy, respectively. In HaCaT epithelial cells, these differences can be explained by the activation of different Rho GTPases as shown by pull-down assays of activated Rho GTPases. Upon adhesion on laminin 1, Cdc42 is primarily activated and in the absence of Cdc42 the cells are not able to spread correctly and to develop strong focal adhesions. In contrast, laminin 5 is an activator of Rac1 and a down-regulator of RhoA. In a complementary approach, RhoA and Rac1 were down-regulated in epithelial cells using siRNA. RhoA-deficient HaCaT cells are flat and present small focal complexes, even when plated on laminin 1, while Rac1-deficient HaCaT cells have numerous and large focal adhesions on laminin 1 and laminin 5. An enhanced migration on laminin 1 is obtained when RhoA (to a smaller extent Cdc42) is down-regulated, leading to the development of lamellipodia and tiny focal adhesions. These results show that laminins differentially regulate epithelial cell migration by transducing defined signals via specific membrane receptors. These signals induce the activation of the small Rho GTPases, which participate in the formation of cell morphology and behavior.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die basalen Keratinozyten der Epidermis sind stabil an der unterliegenden dermo-epidermalen Basalmembran durch spezifische Verankerungsstrukturen, den Hemidesmosomen, verbunden. Nur während einer Umgestaltung des Gewebes, wie bei der Wundheilung oder dem Haarfollikel-Zyklus, tritt epitheliale Zellmigration auf, wobei die Epithelzellen gezwungen sind ihre Verankerungsstrukturen zu reorganisieren. In dieser Studie haben wir untersucht, inwieweit die Komponenten der Hemidesmosomen, insbesondere Kollagen XVII und Tetraspanin CD151, in die Regulation der Keratinozyten-Migration involviert sind. Wir haben beobachtet, dass Kollagen XVII-defiziente Zellen beweglicher sind als normale Kontrolle-Keratinozyten (Tasanen et al., 2004). Das Tetraspanin CD151 bildet stabile Komplexe mit Laminin-bindenden Integrinen. In der Epidermis ist CD151 mit alpha3beta1 Integrin an den Zell-Zell-Kontakten und mit alpha6beta4 Integrin in den Hemidesmosomen assoziiert. Wir benutzten einen monoklonalen Antikörper TS151r, der gegen die Integrin-Bindenstelle des CD151 gerichtet ist, um die Rolle des CD151 bei der Migration von epithelialen Zellen zu untersuchen. Unter normalen Kulturbedingungen ist die Migrationskapazität von epithelialen HaCaT-Zellen auf Laminin gering im Vergleich zu der von Wi26-Fibroblasten. Dies liegt an der endogenen Laminin 5 Produktion der HaCaT-Zellen. HaCaT-Zellen, die mit TS151r behandelt wurden, reagieren auf Laminin 1 mit verstärkter Migration. Dieser Prozess ist mit einem Auseinanderbrechen der Zell-Zell-Kontakte und einer Umverteilung von beta1- und beta4- Integrinen assoziiert. In vivo, im unteren Bereich des Haarfollikels, das migrierende Zellen enthält, befindet sich freies CD151. Zusammengenommen wiesen diese Ergebnisse auf eine Hemmung der Zellmigration durch Integrin-gebundenes CD151 hin. Eine Dissoziation von CD151-Integrin-Komplex fördert die Zellmigration. Bei Kontakt mit der extrazellulär Matrix fangen die Integrin-Rezeptoren der Zellen Information auf, die sie weiter im innere der Zellen zu der Aktin-Netzwerke vermitteln. Zwei verschiedene Laminin-Isoformen, Laminin 1 und Laminin 5, aktivieren alpha6beta1- bzw. alpha3beta1-Integrin in Fibroblasten und Epithelzellen. Nach der Adhäsion bilden diese Zellen Laminin-Isoform spezifische Morphologien und Zell-Matrix-Kontakte aus, was das Migrationsmuster der Zellen beeinflusst. Auf Laminin 5 entwickeln die Zellen Lamellipodien mit diskreten Fokalkomplexen und wandern in polarisierter Form, während die gleichen Zellen auf Laminin 1 Filopodien-ähnliche Strukturen mit dicken fokalen Kontakten ausbilden und in unkoordinierter Art wandern. In HaCaT-Zellen können diese Unterschiede durch die Aktivierung verschiedener Rho GTPasen erklärt werden. Bei der Adhäsion auf Laminin 1 wird hauptsächlich Cdc42 aktiviert und in Abwesenheit von Cdc42 sind die Zellen dann nicht in der Lage, sich korrekt auszubreiten und starke Zell-Matrix-Kontakten zu bilden. Im Gegensatz dazu ist Laminin 5 ein Aktivator von Rac1 und reguliert die Aktivität von RhoA herunter. Dies erlaubt der Zelle sich komplett auszubreiten und kleine Fokalkomplexe zu entwickeln. Diese Ergebnisse wurden durch das Herunterregulieren von Rho GTPasen in Epithelzellen mittels SiRNA bekräftigt. RhoA-defiziente HaCaT-Zellen sind flach und zeigten kleinen Zell-Matrix-Kontakten, auch wenn sie auf Laminin 1 ausplattiert sind. Rac1-defiziente HaCaT-Zellen dagegen haben zahlreiche und dicke Zell-Matrix-Kontakte auf Laminin 1 und Laminin 5. Eine verstärkte Migration auf Laminin 1 wird erreicht, wenn die RhoA-Aktivierung (in einem schwächeren Ausmaß auch Cdc42-Aktivierung) unterdrückt wird. Dies führt zur Entwicklung von Lamellipodien und kleinen Zell-Matrix-Kontakten. Diese Ergebnisse zeigen, dass Laminine die Zellmigration mittels definierten Integrin-vermittelten Signaltransduktion regulieren können. Diese Signale führen zur Aktivierung von kleinen Rho GTPasen, die die Zellmorphologie und das Zell-Verhalten beeinflussen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Chometon-Luthe, Gretelchometon@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-14641
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Zellmigration, integrin, laminin, ECM, GTPaseGerman
    Cell, Migration, integrin, laminin, ECMEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Biochemie II
    Language: English
    Date: 2004
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 25 April 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 05 Jul 2005 10:30:36
    Referee
    NameAcademic Title
    Aumailley, MoniqueProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1464

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