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TransizioniEpitelio <–> Mesenchimale

(EMT & MET)Ruolo nello sviluppo embrionale

e nelle patologie

Isabel FreitasBUSB

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Radisky D C J Cell Sci 2005;118:4325-4326

Presenza di giunzioni cellulari:

tight junctionsadherens junctionsdesmosomi

Polarizzazione apicale-basolaterale

Capacità migratoria limitata o assente

Espressione di cheratine specifiche

E-caderina e actina corticale

Non si formano giunzioni stabiliCarenza della tipica polarizzazione

apicale-basaleAumentata degradazione della matriceEspressione di proteine mesenchimali:

Vimentinaα-smooth muscle actin (αSMA)FibronectinaFibroblast Specific protein -1 (FSP-

1)

Cannito et al. Antioxid Redox Signal. 2010 Feb 17.

La giunzione aderentee il classico complesso cadherina–catenina

Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6:622-634, 2005

Diversi modelli di legame omofilicofra caderine

Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6:622-634, 2005

“Inside-out signalling”mediato da integrine

Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6:622-634, 2005

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Tre modi mediante i quali le cateninecontribuiscono alla funzione delle caderine.

Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6:622-634, 2005

CADERINEE TRANSIZIONE EPITELIO – MESENCHIMA

Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6:622-634, 2005

Regolazione mediata da caderinenella morfogenesi tissutale

• a |La transizione epitelio – mesenchima (“epithelial–mesenchymal transition”; EMT) e il suo inverso, ossia la transizione mesenchima – epitelio (MET). La E‐caderina (caderina epiteliale) media l’adesione delle cellule, la transizione delle cellule dalla forma organizzata in una rete lassa mesenchimale – nella quale mancano di polarizzazione e hanno potenziale migratorio ed invasivo– alla situazione in cui hanno una stretta apposizione in una barriera epiteliale polarizzata, con formazione di complessi giunzionali di tipo “tight” (giunzioni occludenti). La perdita dell’espresione di E‐caderina è associata alla EMT e la sua perdita o sregolazione giocano un ruolo importante nell’invasione tumorale e nelle metastasi. Le cellule gialle esprimono E‐caderina, contrariamente alle cellule blu che non lo fanno. 

• b | Lo smistamento cellulare dovuto all’espressione differenziale di caderine porta alla separazione dei tessuti durante lo sviluppo embrionale. L’espressione di N‐caderina (caderina neurale; blu) nell’epitelio neurale presuntivo permette ad esso di separarsi dall’ectoderma, che esprime la E‐caderina (giallo). 

Regolazione mediata da caderinenella morfogenesi tissutale (segue)

• d | Formazione di frontiere fra compartimenti. L’adesione selettiva, che si ottiene mediante regolazione della forza di adesione, crea le zone limitrofi fra compartimenti di sviluppo in un tessuto, come ad esempio nella formazione dei rombomeri (subunità del rombencefalo) nella vescicola encefalica posteriore in sviluppo.

• e | Motilità del cono di crescita e formazione di sinapsi. La N-caderina (e altre caderine) possono mediare la motilità del cono di crescita lungo cellule che esprimono la caderina-N. Le caderine possono anche formare giunzioni di tipo aderente come parte della giunzione sinaptica, che é importante per la specificità della giunzione sinaptica, per la regolazione della plasticità sinaptica e per la morfogenesi dei dendriti.

Regolazione mediata da caderinenella morfogenesi tissutale (segue)

• Motilità del cono di crescita e formazione di sinapsi. La N‐caderina (e altre caderine) possono mediare la motilità del cono di crescita lungo cellule che esprimono la caderina‐N. Le caderine possono anche formare giunzioni di tipo aderente come parte della giunzione sinaptica, che é importante per la specificità della giunzione, per la regolazione della plasticità sinaptica e per la morfogenesi dei dendriti.

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Regolazione mediata da caderinenella morfogenesi tissutale (segue)

• f | Migrazione cellulare. Contrariamente al suo ruolo nella stabilizzazione delle giunzioni epiteliali, la E‐caderina media inoltre la migrazione a lunga distanza delle cellule attraverso i tessuti come ad esempio nella migrazione delle cellule marginali (rosa) nella camera delle uova della Drosophila melanogaster. Le cellule marginali migrano da una estremità dalla camera delle uova fra le cellule nutrici finché non raggiungono l’oocita.

IMP - Research Institute of Molecular Pathology GmbHDr. Bohr-Gasse 7, 1030 Vienna, AUSTRIA

NMuMG-Ras) in collagen gel cultures (3D) form hollow, alveolar structures of polarized epithelial cells (left panels) expressing E-cadherin and a cortical actin ring but no mesenchymal markers (vimentin). Addition of TGFß (6 days) induces these cells to undergo epithelial-mesenchymal transition (EMT), characterized by unorganized structures of fibroblastoid cells expressing no E-cadherin but cytoplasmic actin and vimentin (right panels).

Transizione epitelio mesenchimaleUna transizione epitelio‐mesenchimale (EMT) è un processo biologico che permette ad una cellula epiteliale morfologicamente polarizzata, che di solito interagisce con la lamina basale tramite la sua superficie basale, di subire diverse alterazioni biochimiche che le permettono di assumere un fenotipo mesenchimale:

Aumentata capacità migratoria capacityInvasivitàElevata resistenza all’apoptosiProduzione molto aumentata di component della matriceextracellulare (ECM). 

Il completamento della EMT è segnalato dalla degradazione della sottostante lamina basale e la formazione di una cellula mesenchimale in grado di allontanarsi dallo strato epiteliale da cui è derivata. 

Molecular processes engaged in order toinitiate an EMT and enable it to reach completion

Activation of transcription factorsExpression of specific cell-surface proteinsReorganization and expression of cytoskeletal proteinsProduction of ECM-degrading enzymesChanges in the expression of specific microRNAs. In many cases, the involved factors are also used as biomarkers to demonstrate the passage of a cell through an EMT

Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009 Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009

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Why does EMT occur?

All cells in a body derive from other cells and ultimately all are derived from a single cell, the fertilized egg. An additional level of complexity came from the realization that cells can assume various phenotypic states during development, that is, they can undergo the process of differentiation. During specific steps of embryogenesis and organ development, the cells within certain epithelia appear to be plastic and thus able to move back and forth between epithelial and mesenchymal states via the processes of Epithelial-to-Mesenchymal (EMT) and Mesenchymal-to-Epithelial (MET) Transition.

Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009

Upon completion of the development of epithelial tissues, the epithelial cellstypically exert tissue-specific function, while the mesenchymal cells in such tissue play a supporting role. Implied in this notion was the further idea that a state of terminal differentiation is necessary to carry out such specialized functions and that cells are maintained in a permanent state of differentiation once development is complete.This concept has been challenged by numerous observations that the cells within a terminally differentiated epithelium can indeed change their phenotype through activation of an EMT program, which enables transdifferentiation, resulting in the conversion of epithelial cells to mesenchymal derivatives during development and adulthood.

These programs can also be activated in association with tissue repair and pathological stresses, including those creating various types ofinflammation and high-grade carcinomas.Accordingly, EMTs now constitute recognized mechanisms for dispersing cells in embryos, forming mesenchymal cells in injured tissues, and initiating the invasive and metastatic behavior of epithelial cancers.

Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009

Classification of EMT into three different subtypes

Type 1 EMT is associated with implantation and embryonic gastrulationand gives rise to the mesoderm and endoderm and to mobile neural crest cells.

The primitive epithelium, specifically the epiblast, gives rise to primary mesenchyme via an EMT.

This primary mesenchyme can be re-induced to form secondary epithelia by a MET. It is speculated that such secondary epithelia may further differentiate to form other

types of epithelial tissues and undergo subsequent EMT to generate the cells of connective tissue, including astrocytes, adipocytes, chondrocytes, osteoblasts, and muscle cells.

(B)

EMTs are re-engaged in the context of inflammation and fibrosis and represent the type 2 EMTs.

Unlike the type 1 EMT, the type 2 EMT is expressed over extended periods of time and can eventually destroy an affected organ if the primary inflammatory insult is not removed or attenuated.

Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009

(C) Finally, the secondary epithelia associated with many organs can transform into cancer cells that later undergo the EMTs that enable invasion and metastasis, thereby representing type 3 EMTs.

Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009 Kalluri & Weinberg. J Clin Invest. 119: 1420-1428, 2009

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Reti complesse orchestranole transizioni epitelio–mesenchimali

(Thiery JP & Sleeman J P, Nature Rev Mol Cell Biol 7: 131-142, 2006)

• Abstract | La transizione epitelio-mesenchimale (EMT) è unmeccanismo indispensabile durante la morfogenesi in quantosenza le cellule mesenchimali i tessuti e gli organi non siformerebbero mai. Tuttavia, la plasticità delle cellule epiteliali,accoppiata alla formazione transitoria o permanente delmesenchima, riguarda molto di più che il problema dellasegregazione delle varie line cellulari. Capire come originanole cellule mesenchimali a partire da uno stadio di “default”epiteliale avrà inoltre un forte impatto per svelare imeccanismi che controllano la fibrosi e la progressionetumorale.

il ciclo di eventi duranti i quali le cellule epiteliali si trasformano incellule mesenchimali e vice-versa. I differenti stadi durante la EMT(“epithelial-to-mesenchymal transition”) e il processo opposto MET(“mesenchymal-to-epithelial transition”) sono regolati da effettori dellaEMT e della MET, che si influenzano reciprocamente. Eventi importantidurante la progressione di EMT e MET includono la regolazione dellegiunzioni “tight” e delle giunzione aderenti. Sono stati identificati un grannumero di marcatori caratteristici sia delle cellule epiteliali che dellemesenchimali.

E-cadherin: caderina epiteliale

ECM: matrice extracellulare

FGFR2, fibroblast-growth-factor receptor-2

FSP1, fibroblast-specific protein-1

MFs, microfilamenti

Ciclo della plasticità delle cellule epiteliali

Thiery JP & Sleeman J P, Nature Rev Mol Cell Biol 7: 131-142, 2006

Reti molecolari che regolano la EMT

L’attivazione di recettori ad attivitàtirosina chinasica (RTKs) induce laEMT in diversi tipi di cellule epiteliali ein vivo, ma ora è chiaro che il processoEMT spesso richiede la co-attivazionedi recettori di tipo integrina. Il ruolo delsegnalamento indotto dal “transforminggrowth factor (TGFβ) nella EMT è statodeterminato per un numero limitato dilinee cellulari normali e trasformate,mentre in vivo ci sono dati che indicanouna regolazione reciproca delle vieTGFβ and NOTCH durante la EMT.Esistono attualmente prove sufficientiche altre vie di segnalazione possanoavere un ruolo importante nella EMT,incluso i recettori associati a proteineG. Anche le metalloproteasi dellamatrice (MMPs) possono indurre laEMT attraverso recettori non ancoraspecificati.

Thiery JP & Sleeman J P, Nature Rev Mol Cell Biol 7: 131-142, 2006

Thiery JP & Sleeman J P, Nature Rev Mol Cell Biol 7: 131-142, 2006

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Tissue remodelling and EMT. During embryonic development, epithelial cells (purple cells)undergo partial or complete epithelial–mesenchymal transition (EMT) (pink cells). EMT is animportant component of various morphogenic events, such as gastrulation, neural-crestformation and branching of the three germ-layer-derived tubes (blue cells). The reverseprocess, during which mesenchymal cells (green) undergo mesenchymal–epithelialtransitions (METs), also has an important role during embryonic development.

Thiery JP & Sleeman J P, Nature Rev Mol Cell Biol 7: 131-142, 2006

Creste neurali

Le cellule delle creste neurali migrano attraverso il corpo e si differenziano in diversi tipi cellulari. Nonostante siano pluripotenti, vi sono delle differenze fra le cellule che sono generate da livelli anteroposteriori diversi:

le cellule neurali del tronco formeranno i melanociti e diversi tipi di neuroni e di cellule della glia.

le cellule delle creste neurali del cranio (zona della testa dell’embrione) hanno inoltre il potenziale per formare derivati mesodermici, quali la cartilagine, l’osso e il tessuto connettivale.

Regioni delle creste neurali:

Le creste neurali craniche migrano verso gli archi branchiali e la faccia per formare le ossa e la cartilagine della faccia e del collo. Producono anche pigmento e nervi cranici.

Le creste neurali vagali (vicino ai somiti 1-7) e le creste neurali della regione sacrale (posteriori al somita 28) formano i nervi parasimpatici dell’intestino.

Le creste neurali della regione cardiaca (somiti 1-3) sono molto importanti per la divisione fra l’aorta e l’arteria polmonare.

Le creste neurali del tronco (circa dal somita 6 fino alla coda) daranno origine ai neuroni simpatici e ad un sotto-insieme di questi (a livello dei somiti 18-24) formano la porzione midollare del surrene.

Cellular aspects of EMT. (i) Normal epithelial cells contain adherens junctions composed of E-cadherin together with catenins and actin rings. Tight junctions are associated with apical polarity complexes, while integrinsinteract with components of the basal membrane.(ii) Loss of cell-cell adhesion. EMT inducers repress the transcription of the genes encoding the components of both adherens and tight junctions, inducing the loss of cell polarity. E-cadherin is internalized and targeted for degradation.(iii) Breakdown of the basal membrane and apical constriction. Profound cytoskeletal remodeling will favor cell delamination by inducing apical constriction and disorganization of the basal membrane. (iv) Cell delamination and invasion. Expression of integrin receptors and continued activation of metalloproteases favors migration through the extracellular matrix and invasion of adjacent tissues.

(Acloque H, Adams MS, Fishwick K, Bronner-Fraser M, Nieto MA. Epithelial-mesenchymal transitions: the importance of changing cell state in development and disease. J Clin Invest. 119:1438-1449, 2009) Acloque et al. J Clin Invest. 119:1438-1449, 2009

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