Tight Junctions

Tight Junctions, TJs (engl. für „dichte Verbindung“) oder Zonula cccludens (ZO), befinden sich an der Grenze zwischen der apikalen und der lateralen Membran von Zellen. TJs sind in allen Epithelzellen (z.B. Keratinozyten, Darmepithelien, Nierenepithelien)- Endothelzellen vorhanden. Sie befinden sich apikal von den anderen drei Verbindungsstellen (TJ-Region bestehend aus Adhärenzkontakten, Desmosomen und Gap Junctions) und bilden dort eine gürtelartige Struktur, die die Zelle umgibt. TJs minimieren den interzellulären Raum und bilden so eine kontinuierliche parazelluläre TJ-Barriere (TJ-Barriere).

TJ-Barrieren sind essenziell für die Funktion der jeweiligen biologischen Systeme, wie beispielsweise die Blut-Hirn-Schranke, die Hautbarriere oder die Blut-Hoden-Schranke und erfüllen jeweils Organ-spezifische Funktionen.

Tight junctions bilden hierbei bidirektionale Signalplattformen, die Signale aus dem Zellinneren empfangen, die ihren Aufbau und ihre Funktion regulieren, und die Signale in das Zellinnere weiterleiten, um die Zellproliferation, Migration, Differenzierung und das Überleben zu steuern.
Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass die Membranen zweier benachbarter Zellen an den TJs direkte Kontaktpunkte bilden, die als "kissing points" bezeichnet werden. In diesen Bereichen scheinen die Membranen der benachbarten Zellen punktuell miteinander zu verschmelzen und den Interzellularraum abzudichten. Diese parazelluläre Diffusionsbarriere ist semipermeabel: Sie ist größen- und ladungs-selektiv.

Defizite in TJ-Barrieren stehen im Zusammenhang mit Krankheiten, darunter Krebs, Entzündungen z.B. an Haut und Darm, Stoffwechselstörungen und neurologische Erkrankungen.

Es ist bekannt, dass die Zell-Zell-Permeabilität mit den besonderen Eigenschaften der Proteine (z.B. Claudine, Zonula-occludens-Proteine, Junctional Adhesion Molecules u.a.). 

Neben Occludin spielen folgende Proteine eine Rolle in der Funktion der Tight-Junctions (TJs):

• die Claudin-Familie (Transmembranproteine - v.a. Claudin-1)
• die Junctional Adhesion Molecules (JAMs 1-3)
• die Zonula-Occludens-Proteine (ZO-1, -2 und -3 als Adapterproteine)
• das Multiple-PDZ-Domänenprotein 1 (MUPP1 - s.a. das dieses Gerüstprotein kodierende Gen MPDZ-Gen)
• die membranassoziierten Guanylatkinase-Isoformen (MAGIs) 1, 2 und 3
• die Zellpolaritätsproteine wie die Proteinkinase C (PKC)
• der Isotype-specific-interacting protein/protease-activated receptor-3 (ASIP/PAR-3) und PAR-6
• die nicht-PDZ-exprimierenden Proteine wie Cingulin, Symplekin, atypische Proteinkinase C (aPKC), Proteinphosphatase 2 (PP2A), das mit Ras verwandte Protein Rab-3B (Rab3b) und Rab13

Die molekulare Regulierung der Tight Junctions erfolgt über die Phosphorylierung durch verschiedene Proteinkinasen. So steuert die Aktivierung der MAP-Kinase-Signalwege die Interaktion von ZO-1/Occludin mit der Plasmamembran. Die Assoziation von VASP (Vasodilatator-stimuliertes Phosphoprotein) mit den Tight junctions wird durch PKA-abhängige Phosphorylierung reguliert.

Tight junctions sind ein integraler Bestandteil der evolutionär konservierten Signalmechanismen, die die Polarisierung von Epithelzellen und die Bildung von morphologisch und funktionell unterschiedlichen apikalen Domänen steuern. Sie haben eine sogenannte „Zaun-Funktion“ (fence function), verhindern die freie Bewegung von Membrankomponenten. Sie bewirken eine Zellpolarität indem sie den Interzellularraum in apikale und basale Bereiche unterteilen.

Die proteinogene Zusammensetzung der Tight Junctions ist organspezifisch unterschiedlich.  

Humane Bronchialepithelien exprimieren in ihren TJs die Claudine 1,3,4,5,und 7. Claudin-1 und -4 lokalisierten sich im apikalen Bereich der Tight Junctions (TJs) und in lateralen Zellverbindungen. Im Gegensatz dazu lokalisieren sich Claudin-3 und -5 ausschließlich im apikalsten Bereich der TJs. Claudin-7 kolokalisiert mit ZO1 in lateralen Zellverbindungen.

Tight-Junctions und Haut: Die Haut stellt die erste Verteidigungslinie gegen die feindliche äußere Umgebung dar. Die Integrität der TJ in der Epidermis ist aufgrund ihrer Zaun- und Barrierefunktionen und ihrer Rolle bei der Homöostase und der Immunreaktion von großer  Bedeutung. Die Epidermis des Menschens exprimiert eine Vielzahl von TJ-Molekülen. Von diesen sind Claudin-1, Claudin-7, JAM-A und das MUPP1-Protein in allen Schichten der Epidermis zu finden, während Occludin und Cingulin auf das Stratum granulosum beschränkt sind. JAM-A wird in allen Schichten der menschlichen Epidermis mit Ausnahme des Stratum corneum exprimiert. Einige TJ-Proteine, wie ZO-1, Claudin-1 und Claudin-4, sind auch in den Haarfollikeln lokalisiert (Morita K et al.1998; Brandner JM et al. 2003). TJs bilden ein funktionelles Dichtungsnetz zwischen Keratinozyten, sind somit entscheidend für die Funktionalität der Hautbarriere. Veränderungen in ihrer Expression werden bei verschiedenen Hauterkrankungen so z.B. bei der atopischen Dermatitis und der Psoriasis festgestellt. Weiterhin spielen sie eine Rolle bei der normalen Wundheilung.

Neben ihrer Barrierefunktion für Wasser, Ionen sowie große und kleine Moleküle sind die TJ auch an der Zellproliferation und -differenzierung beteiligt. In menschlichen Hautkeratinozyten führt die Ausschaltung von Claudin-1 mittels siRNA zu einer Unterbrechung der TJ-Funktion, zu einer erhöhten Permeabilität für Natriumfluorescein und zu einer verstärkten Proliferation.In einem AD-Mausmodell korreliert das Fehlen von Claudin-1 in den unteren Epidermisschichten mit einer signifikant erhöhten Proliferation von Epithelzellen sowie mit Veränderungen in der Expression der Differenzierungsmarker Keratin-10 und Keratin-14 (Gruber R et al. 2015). Darüber hinaus führt der Knockdown von Occludin in menschlichen Hautkeratinozyten zu einer verringerten Adhäsion zwischen Epithelzellen und Zellen, einer geringeren Anfälligkeit für Apoptose und einer veränderten Expression von Differenzierungsmarkern.

Beispiele aus dem klinisch/experimentellen Bereich:

• Claudin-1-Knockout-Mäuse sterben kurz nach der Geburt aufgrund von Hautbarrieredefekten, die zu schwerem Wasserverlust führen. Die Ausschaltung von Claudin-1 und -4, Occludin und ZO-1 in Hautkeratinozyten erhöht die parazelluläre Durchlässigkeit für Ionen und größere Moleküle. Darüber hinaus verringert die Ausschaltung von Claudin-1 auch die Wasserbarrierefunktion im Stratum corneum.
• Bei atopischer Dermatitis (AD) sind  die ZO-1- und die Claudin-1-Proteine in läsionaler Haut signifikant reduziert, was darauf schließen lässt, dass die TJ-Barrierefunktion bei dieser Hauterkrankung beeinträchtigt ist (Yuki T. et al. 2016; Batista DI et al. 2015). Auch in der nicht-läsionalen Haut der AD sind ZO-1 und Claudin-4 reduziert. In einem Mausmodell der atopischen Dermatitis zeigte sich, dass die Veränderungen der epithelialen Barrierefunktion der Haut mit einer verminderten Expression von Claudin-1 korrelierten. Veränderungen des parazellulären Flusses und der Morphologie des Stratum corneum zeigten dies an (Tokumasu R et al. 2016).
• In der Frühphase der Psoriasis werden Occludin, ZO-1 und Claudin-4 gegenüber der normalen Haut  vermehrt exprimiert. Die Expression der Proteine Claudine-1 und -7 ist in den basalen und obersten Schichten reduziert (Kirschner N et al. 2009). Die Claudin-Expression war bei Psoriasis vom Plaque-Typ vermindert, was die gestörte Barrierefunktion der psoriatischen Haut erklären könnte.

Entwicklung Embryonale Haut vs. Haut Erwachsener

Embryonale Haut : Tight Junctions sind frühzeitig und relativ breit verteilt. Sie vermitteln einen Schutz in noch unreifer Haut

Erwachsene Haut: Tight Junctions sind deutlich reduziert, stärker auf das Stratum granulosum fokussiert. Es gibt Hinweise, dass ihre komplexen Strukturen in der reifen Haut des Erwachsenen nicht mehr vorhanden sind, obwohl die TJ-Proteine immunhistologisch noch nachweisbar sind. Dieser Vorgang geht parallel mit dem lipidbasierten Barrierebildung (Elias PM et al. 2020).

1. Batista DI et al. (2015) Profile of skin barrier proteins (filaggrin, claudins 1 and 4) and Th1/Th2/Th17 cytokines in adults with atopic dermatitis. J Eur Acad Dermatol Venereol JEADV 29: 1091–1095.
2. Brandner JM et al. (2003) Expression and localization of tight junction-associated proteins in human hair follicles. Arch Dermatol Res 295: 211–221.
3. Cereijido M et al. (2004) Cell adhesion, polarity, and epithelia in the dawn of metazoans. Physiol Rev 84: 1229–1262
4. Claude P et al. (1973) Fracture faces of zonulae occludentes from “tight” and “leaky” epithelia. J. Cell Biol 58: 390–400
5. Elias PM et al. (2020) Could cellular and signaling abnormalities converge to provoke atopic dermatitis? J Dtsch Dermatol Ges 18:1215-1223. 
6. Farquhar M G et al. (1963) Junctional complexes in various epithelia. J Cell Biol 17: 375–412
7. Furuse M et al. (1996) Overexpression of occludin, a tight junction integral membrane protein, induces the formation of intracellular multilamellar bodies bearing tight junction-like structures. J Cell Sci 109: 429–435
8. Gruber R et al. (2015) Diverse regulation of claudin-1 and claudin-4 in atopic dermatitis. Am. J Pathol 185: 2777–2789.
9. Kirschner N et al. (2009) Alteration of tight junction proteins is an early event in psoriasis: Putative involvement of proinflammatory cytokines. Am J Pathol 175: 1095–1106.
10. Kirschner N et al. (2013) Contribution of tight junction proteins to ion, macromolecule, and water barrier in keratinocytes. J Investig Dermatol 133: 1161–1169.
11. Morita K et al (1998) Subcellular distribution of tight junction-associated proteins (occludin, ZO-1, ZO-2) in rodent skin. J Investig Dermatol 110: 862–866.
12. Shi J et al. (2018) Bicellular Tight Junctions and Wound Healing. Int J Mol Sci 19:3862. 
13. Staehelin LA et al. (1969) Freeze-etch appearance of the tight junctions in the epithelium of small and large intestine of mice. Protoplasma 67: 165–184
14. Tokumasu R et al. (2016) Dose-dependent role of claudin-1 in vivo in orchestrating features of atopic dermatitis. Proc Natl Acad Sci USA 113: E4061–E4068.
15. Yuki T. et al. (2016) Impaired Tight Junctions in Atopic Dermatitis Skin and in a Skin-Equivalent Model Treated with Interleukin-17. PLoS ONE 11: e0161759.