Zonula-Occludens-Proteine

Zonula-Occludens-Proteine sind peripher assoziierte zytoplasmatische Membranproteine, die zur Familie der membranassoziierten Guanylatkinase-Homologe (MAGUK) gehören. Es wurden drei verschiedene MAGUKs identifiziert: ZO-1, ZO-2 und ZO-3, mit Molekulargewichten von 220, 160 bzw. 130 kDa.

ZO-1, das 1986 entdeckt wurde, war das erste identifizierte Mitglied der Tight-Junctions-Familie (Stevenson BR et al. (1986). Die Hauptmerkmale der ZO-Proteinfamilie sind ihre drei strukturell konservierten PDZ-Domänen, eine Src-Homologie-3-Domäne und eine Guanylatkinase-Domäne. ZOs verankern Transmembranproteine wie Claudine, Occludin und JAMs (Junktionale Adhäsionsmoleküle) am Aktinzytoskelett (Bauer H et al. 2010; Gonzalez-Mariscal L et al. 2000) und werden in wichtigen Zelltypen exprimiert, die z.B. am Wundheilungsprozess beteiligt sind. ZO-1 und ZO-2 werden sowohl im Epithel als auch im Endothel exprimiert, während ZO-3 nur im Epithel exprimiert wird (Adachi M et al. 2006).

Das Fehlen von ZO-1 in Epithelzellen der Brustdrüse von Mäusen führt zu einer verzögerten Rekrutierung von Claudinen und Occludin an den TJs und einer verzögerten Barrierebildung. In MDCK-Zellen führt der siRNA-Knockdown von ZO-2 zu einer erhöhten parazellulären Permeabilität, einer verringerten Zaunfunktion der TJs und einer fehlerhaften Rekrutierung von ZO-1, Occludin und E-Cadherin an neu gebildete Verbindungen (Hernandez S et al. 2007). Knockouts von ZO-1 und ZO-2 haben embryonale Letalität. ZO-1-Knockouts sind mit einer gestörten Dottersack-Angiogenese und Apoptose von Embryonalzellen verbunden. Embryonen von Mäusen mit ZO-2-Knockout weisen eine verminderte Proliferation, erhöhte Apoptose und erhöhte parazelluläre Permeabilität auf, was auf eine gestörte Barrierefunktion hinweist (Xu J et al. 2008). Embryonen von ZO-3-Knockout-Mäusen zeigen keine beobachteten Veränderungen im Phänotyp, was darauf hindeutet, dass ZO-3 möglicherweise eine entbehrliche Komponente der TJs ist ((Xu J et al. 2008).

Mehrere Forschungsarbeiten haben auch gezeigt, dass ZO im Gegensatz zu anderen TJ-Komponentenproteinen zwischen dem Zytoplasma und dem Zellkern hin- und herwandern können, insbesondere als Reaktion auf Verletzungen oder Stressfaktoren. So reichert sich ZO-2 in MDCK-Epithelzellen nach einem Hitzeschock oder einer chemischen Beeinträchtigung im Zellkern an.

Darüber hinaus deuten zahlreiche Arbeiten darauf hin, dass ZO-2 und andere ZO mit einer Vielzahl von Kernproteinen, einschließlich Transkriptionsfaktoren, interagieren, um das Wachstum und die Proliferation von Epithel- und Endothelzellen zu modulieren, die beide für den Wundheilungsprozess wichtig sind [Bauer H et al. (2010).

ZO können posttranslational mit Phosphat modifiziert werden, und sowohl PKA als auch PKC sind für eine erhöhte Phosphorylierung von ZO-2 verantwortlich. Die Hyperphosphorylierung von ZO-2 korreliert mit einer verringerten Permeabilität und kann durch die Behandlung mit einem PKC-Inhibitor korrigiert werden kann (Avila-Flores A et al. 2001).

In ähnlicher Weise wird die ZO-1-Phosphorylierung als Reaktion auf PKC-Inhibitoren verringert, die durch Erhöhung der Kalziumkonzentration im Zellkulturmedium die Bildung von TJs induzieren (Stuart RO et al. (1995).

1. Adachi M et al. (2006) Normal establishment of epithelial tight junctions in mice and cultured cells lacking expression of ZO-3, a tight-junction MAGUK protein. Mol Cell Biol 26: 9003–9015.
2. Avila-Flores A et al.(2001) Tight-junction protein zonula occludens 2 is a target of phosphorylation by protein kinase C. Biochem J 360: 295–304.
3. Bauer H et al. (2010) The dual role of zonula occludens (ZO) proteins. J Biomed Biotechnol  2010: 402593.
4. Gonzalez-Mariscal L et al. (2000) MAGUK proteins: Structure and role in the tight junction. Semin. Cell Dev. Biol 11: 315–324. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
5. Hernandez S et al. (2007) ZO-2 silencing in epithelial cells perturbs the gate and fence function of tight junctions and leads to an atypical monolayer architecture. Exp Cell Res 313: 1533–1547.
6. Stevenson BR et al. (1986) Identification of ZO-1: A high molecular weight polypeptide associated with the tight junction (zonula occludens) in a variety of epithelia. J Cell Biol 103: 755–766.
7. Stuart RO et al. (1995) Regulated assembly of tight junctions by protein kinase C. Proc Natl Acad Sci USA 92: 6072–6076.
8. Umeda K et al. (2004) Establishment and characterization of cultured epithelial cells lacking expression of ZO-1. J Biol Chem 279: 44785–44794.
9. Xu J et al. (2008) Early embryonic lethality of mice lacking ZO-2, but Not ZO-3, reveals critical and nonredundant roles for individual zonula occludens proteins in mammalian development. Mol. Cell Biol 28: 1669–1678.
10. Xu, J et al. (2009) Zona occludens-2 is critical for blood-testis barrier integrity and male fertility. Mol. Biol Cell 20: 4268–4277.