Die Kontaktinhibition ist ein Regulationsmechanismus, der dafür sorgt, dass Zellen in eine eine Zelle dicke Schicht (eine Monoschicht) wachsen. Wenn eine Zelle genügend Substratfläche zur Verfügung hat, repliziert sie sich schnell und bewegt sich frei. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Zellen das gesamte Substrat einnehmen. Zu diesem Zeitpunkt hören normale Zellen auf, sich zu replizieren.
Wenn bewegliche Zellen in konfluenten Kulturen in Kontakt kommen, zeigen sie im Laufe der Zeit eine verminderte Mobilität und mitotische Aktivität. Es wurde gezeigt, dass exponentielles Wachstum zwischen Kolonien auftritt, die mehrere Tage in Kontakt stehen, wobei die Hemmung der mitotischen Aktivität weit später auftritt. Diese Verzögerung zwischen Zell-Zell-Kontakt und Beginn der Proliferationshemmung wird verkürzt, wenn die Kultur konfluenter wird. Somit kann vernünftigerweise der Schluss gezogen werden, dass der Zell-Zell-Kontakt eine wesentliche Voraussetzung für die Kontaktinhibierung der Proliferation ist, für die mitotische Hemmung jedoch allein nicht ausreicht. Neben dem Kontakt mit anderen Zellen müssen die kontaktinhibierten Zellen auch gezwungen werden, ihre Zellfläche unter der mechanischen Belastung und den Zwängen der umgebenden Zellen zu reduzieren. In der Tat wurde vorgeschlagen, dass mechanische Spannung als Hemmsignal für die Mitose wirkt. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass eine solche Hemmung der mitotischen Aktivität ein lokales Phänomen ist; Es tritt zwischen einigen wenigen ausgewählten Zellen in einer wahrscheinlich heterogenen Kultur auf.
Rolle bei Krebs
Untransformierte menschliche Zellen zeigen ein normales zelluläres Verhalten und vermitteln ihr Wachstum und ihre Proliferation durch das Zusammenspiel von Umweltnährstoffen, Wachstumsfaktorsignalen und Zelldichte. Wenn die Zelldichte zunimmt und die Kultur konfluent wird, initiieren sie einen Zellzyklusstillstand und regulieren die Proliferation und die Mitogen-Signalwege unabhängig von externen Faktoren oder dem Zellstoffwechsel herunter. Diese Eigenschaft wird als Kontakthemmung der Proliferation bezeichnet und ist für die ordnungsgemäße Embryonalentwicklung sowie für die Gewebereparatur, Differenzierung und Morphogenese unerlässlich. Krebszellen verlieren typischerweise diese Eigenschaft und teilen sich daher unkontrolliert und wachsen übereinander, selbst wenn sie mit benachbarten Zellen in Kontakt kommen. Dies führt zur Invasion des umgebenden Gewebes, ihrer Metastasierung in nahe gelegene Organe und schließlich zur Tumorentstehung. Zellen von Nacktmullen, einer Art, bei der Krebs noch nie beobachtet wurde, zeigen eine Überempfindlichkeit gegen Kontakthemmung. Dieser Befund kann einen Hinweis auf Krebsresistenz geben. Darüber hinaus haben neuere Studien einige Mechanismen der Kontakthemmung der Proliferation und ihre möglichen Auswirkungen auf die Krebstherapie aufgedeckt.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Bildung von Zell-Zell-Adhäsion nicht nur das Wachstum und die Proliferation einschränkt, indem sie physikalische Einschränkungen wie die Zellfläche auferlegt, sondern auch Signalwege auslöst, die die Proliferation herunterregulieren. Ein solcher Signalweg ist der Hippo-YAP-Signalweg, der weitgehend für die Hemmung des Zellwachstums bei Säugetieren verantwortlich ist. Dieser Weg besteht hauptsächlich aus einer Phosphorylierungskaskade, an der Serinkinasen beteiligt sind, und wird durch regulatorische Proteine vermittelt, die das Zellwachstum durch Bindung an wachstumskontrollierende Gene regulieren. Die Serin/Threonin-Kinase Hippo (Mst1/Mst2 bei Säugetieren) aktiviert eine sekundäre Kinase (Lats1/Lats2), die YAP, einen Transkriptionsaktivator von Wachstumsgenen, phosphoryliert. Die Phosphorylierung von YAP dient dazu, es aus dem Zellkern zu exportieren und zu verhindern, dass es wachstumsfördernde Gene aktiviert. Noch wichtiger ist, dass der Hippo-YAP-Signalweg stromaufwärts liegende Elemente verwendet, um als Reaktion auf den Zell-Zell-Kontakt zu wirken, und die dichteabhängige Hemmung der Proliferation steuert. Cadherin sind beispielsweise Transmembranproteine, die über homophile Bindung zelluläre Übergänge bilden und somit als Detektoren für den Zell-Zell-Kontakt fungieren. Die Cadherin-vermittelte Aktivierung des inhibitorischen Weges beinhaltet die transmembrane E-Cadherin, die eine homophile Bindung bildet, um α- und β-Catenin zu aktivieren, die dann nachgeschaltete Komponenten des Hippo-YAP-Weges stimulieren, um schließlich das Zellwachstum herunterzuregulieren. Dies steht im Einklang mit dem Befund, dass die E-Cadherin-Überexpression die Metastasierung und Tumorentstehung behindert. Da gezeigt wird, dass YAP mit der Signalisierung des mitogenen Wachstumsfaktors und damit der Zellproliferation assoziiert ist, ist es wahrscheinlich, dass sich zukünftige Studien auf die Rolle des Hippo-YAP-Signalwegs in Krebszellen konzentrieren werden.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass kontaktinhibierte Zellen einen Zellzyklusstillstand erleiden, aber nicht seneszieren. Tatsächlich wurde gezeigt, dass kontaktgehemmte Zellen die normale Proliferation und Mitogensignalisierung wieder aufnehmen, wenn sie in einer weniger konfluenten Kultur repliziert werden. Daher kann die Kontakthemmung der Proliferation als eine reversible Form des Zellzyklusstillstands angesehen werden. Um vom Zellzyklusstillstand zur Seneszenz überzugehen, müssen kontaktgehemmte Zellen wachstumsaktivierende Wege wie mTOR aktivieren. Sobald Zellen in Kulturen mit hoher Dichte so konfluent werden, dass die Zellfläche unter einen kritischen Wert fällt, lösen die Adhäsionsformationen Signalwege aus, die die Mitogensignalisierung und die Zellproliferation herunterregulieren. Der wachstumsfördernde mTOR-Signalweg wird daher gehemmt, und folglich können die kontaktgehemmten Zellen nicht vom Zellzyklusstillstand zur Seneszenz übergehen. Dies hat entscheidende Auswirkungen in der Krebstherapie; Obwohl Krebszellen nicht kontaktgehemmt sind, unterdrücken konfluente Krebszellkulturen immer noch ihre Seneszenzmaschinerie. Daher kann dies eine plausible Erklärung dafür sein, warum seneszenzinduzierende Krebstherapeutika unwirksam sind.
Zellbeweglichkeitbearbeiten
Wenn zwei Zellen kollidieren, versuchen sie in den meisten Fällen, sich in eine andere Richtung zu bewegen, um zukünftige Kollisionen zu vermeiden; dieses Verhalten wird als Kontakthemmung der Fortbewegung bezeichnet. Wenn die beiden Zellen in Kontakt kommen, ist ihr Lokalisierungsprozess gelähmt. Dies wird über einen mehrstufigen, facettenreichen Mechanismus erreicht, der die Bildung eines Zell-Zell-Adhäsionskomplexes bei Kollision beinhaltet. Es wird angenommen, dass der Abbau dieses Komplexes weitgehend von der Spannung in den Zellen angetrieben wird und letztendlich dazu führt, dass sich die Richtungen der kollidierenden Zellen ändern.
Zunächst kollidieren bewegliche Zellen und berühren sich über ihre jeweiligen Lamellen, deren Aktin einen hohen retrograden Fluss aufweist. Zwischen den Lamellen bildet sich eine zelluläre Adhäsion, die die retrograde Flussrate der Aktine in dem Bereich, der die Adhäsion unmittelbar umgibt, verringert. Folglich werden die Geschwindigkeit und Beweglichkeit der Zellen verringert. Dadurch können sich Aktinstressfasern und Mikrotubuli in beiden kollidierenden Partnern bilden und miteinander ausrichten. Die Ausrichtung dieser Spannungsfasern akkumuliert lokal elastische Spannung in den Lamellen. Schließlich wird der Spannungsaufbau zu groß, und der Zelladhäsionskomplex dissoziiert, kollabiert die Lamellenvorsprünge und gibt die Zellen in verschiedene Richtungen frei, um die elastische Spannung zu verringern. Ein mögliches alternatives Ereignis, das ebenfalls zu der Montagedissoziation führt, ist, dass bei der Spannungsfaserausrichtung die Vorderkanten der Zellen von den zusammenhängenden Lamellen weg repolarisieren. Dies erzeugt eine erhebliche elastische Spannung über den gesamten Zellkörper, nicht nur an der lokalen Kontaktstelle, und bewirkt ebenfalls die Demontage des Adhäsionskomplexes. Es wurde angenommen, dass die elastische Spannung die primäre treibende Kraft für den Zusammenbruch des Vorsprungs, die komplexe Demontage und die Dispersion der Zellen ist. Obwohl diese hypothetische Spannung charakterisiert und visualisiert wurde, bleibt offen, wie sich Spannung in Lamellen aufbaut und wie die Zellrepolarisation zum Spannungsaufbau beiträgt.
Wenn die Replikation die Anzahl der Zellen erhöht, verringert sich außerdem die Anzahl der Richtungen, in die sich diese Zellen bewegen können, ohne eine andere zu berühren. Zellen werden auch versuchen, sich von einer anderen Zelle zu entfernen, weil sie besser an dem Bereich um sie herum haften, einer Struktur, die als Substrat bezeichnet wird, als an anderen Zellen. Wenn die beiden kollidierenden Zellen unterschiedliche Zelltypen sind, können eine oder beide auf die Kollision reagieren.
Einige immortalisierte Zelllinien erfahren, obwohl sie sich unbegrenzt vermehren können, immer noch eine Kontakthemmung, wenn auch im Allgemeinen in geringerem Maße als normale Zelllinien.