【E‑cadherinとN‑cadherin の違いについて】

まず、どちらとも

  • カドヘリンファミリー classical cadherins
  • Ca²⁺依存性細胞接着分子
  • ホモフィリック結合
  • カテニン複合体（β-catenin / α-catenin / p120）と結合
です。

大きく異なる点は、E-cadherinは既存タンパクの”局在変化”で、”N-cadherin”は新規発現です。

その概略は

E-cadherinの局在変化：

  1. (1) 初期接触（数分）
    　細胞間が接近すると、既存E-cadherinが小クラスターを形成。接触部に集積し始めます。
  2. (2) クラスター拡大・安定化（10〜30分）
    　β-catenin と α-catenin を介してアクチン骨格と連結し、クラスターの安定化、接着強化します。
    そして外側細胞膜から内側への再編成（cortical actinへの連結）。
  3. (3) 機能的成熟（30分〜数時間）
    　細胞間接着が安定化、緊密結合や極性形成と統合、集団内での力学的均衡に寄与

N-cadherinの新規発現：

  1. (1) 接着能変化（数分）
  2. (2) 遺伝子転写開始レベル（10〜30分）
  3. (3) mRNA検出（30〜60分）
  4. (4) タンパク検出（60〜120分以降）
  5. (5) 機能的細胞接着分子作用として成立（4〜12時間）

機能的違いとしては、

E-cadherin：
　安定維持型分子（slow change）で、胚に同化、ICM統合、つまり、キメラ形成・GLTに大きく関与。

N-cadherin：
　誘導応答型分子（fast induction）で、組織構築・再編成、つまり、分化開始後に働く。

これらは初期凝集塊（spheroid）形成やキメラ形成時のES細胞の接着動態に関して重要なものです。


【ES細胞の凝集塊文脈】

　初期凝集塊形成直後、E-cadherinは既存の膜タンパクで再配置され、クラスター化し、球状凝集体形成。時間スケールでは、①初期接触〜小クラスター：数分、②集積・安定化：数十分〜1時間というところ。キメラ統合可能な物理的構造が形成され、新規遺伝子発現はまだ本質的に関与しない。 「凝集体形成のメカニズムは、① 物理的凝集、② 分子接着、③ 力学的再配置、④ 生物学的安定」と私が説明しましたが、E-cadherinは主に①〜②で機能し、分化とは関係がありません。その後、細胞が分化し始めるとき③④以降に、N-cadherinは機能します。

  1. ❶ 単一細胞 → 初期凝集（0〜数時間）
    　既存E-cadherin膜上集積の再配置（再局在化）します。
  2. ❷ 初期凝集塊形成（〜1日）
    　E-cadherin優位維持、N-cadherinは低レベルです。
  3. ❸ 分化誘導条件下（1〜2日）
    　N-cadherin発現誘導開始、E-cadherin低下開始

＊Cadherin switchが起こる細胞接着がE-cadherinからN-cadherinへ移行する


【E‑cadherin の局在変化を時間的に示した論文】

  1. ① Engl, Wilfried, et al. “Actin dynamics modulate mechanosensitive immobilization of E‑cadherin at adherens junctions.” Nature Cell Biology, vol. 16, no. 6, 2014, pp. 587–594, doi:10.1038/ncb2973.

    　この研究では発現ではなく既存タンパクの局在変化 immobilization / redistribution を時間軸で示しています。

    2. Abstract

    Mechanical stress is increasingly being shown to be a potent modulator of cell–cell junctional morphologies in developmental and homeostatic processes. Intercellular force sensing is thus expected to be an important regulator of cell signalling and tissue integrity. In particular, the interplay between myosin contractility, actin dynamics and E-cadherin recruitment largely remains to be uncovered. We devised a suspended cell doublet assay to quantitatively assess the correlation between myosin II activity and local E-cadherin recruitment. The single junction of the doublet exhibited a stereotypical morphology, with E-cadherin accumulating into clusters of varied concentrations at the rim of the circular contact. This local recruitment into clusters derived from the sequestration of E-cadherin through a myosin-II-driven modulation of actin turnover. We exemplify how the regulation of actin dynamics provides a mechanism for the mechanosensitive response of cell contacts.

    【和訳】

    機械的ストレスは、発生過程や恒常性維持の過程において、細胞間接着の形態を強力に調節する因子であることが次第に明らかになってきています。そのため、細胞間力の感知は、細胞シグナル伝達や組織の一体性を制御する重要な因子であると考えられます。特に、ミオシン収縮性、アクチン動態、そして E‑cadherin の集積の相互作用については、まだ多くのことが解明されていません。

    私たちは、単一の接合部におけるミオシン II 活性と局所的な E‑cadherin の集積の相関を定量的に評価するために、浮遊細胞二重体アッセイを考案しました。この二重体の単一接合部は標準的な形態を示し、E‑cadherin は円形接触の縁に、濃度の異なるクラスターとして集積しました。こうした局所的なクラスターへの集積は、ミオシン II によるアクチンのターンオーバー制御を介した E‑cadherin の隔離によって生じていました。

    私たちは、アクチン動態の制御が、細胞接着部の機械感受性応答のメカニズムを提供することを示しています。

  2. ② de Beco, Simon, Jean‑Baptiste Perney, Sylvie Coscoy, and François Amblard. “Mechanosensitive Adaptation of E‑cadherin Turnover across adherens Junctions.” PLoS ONE, vol. 10, no. 6, 2015, e0128281, doi:10.1371/journal.pone.0128281.

    　この研究では、蛍光回復後光退色 FRAP を使って、成熟した細胞同士の接着での E‑cadherin のターンオーバー速度 residence time を定量解析しています。

    3. Abstract

    In the natural and technological world, multi-agent systems strongly depend on how the interactions are ruled between their individual components, and the proper control of time-scales and synchronization is a key issue. This certainly applies to living tissues when multicellular assemblies such as epithelial cells achieve complex morphogenetic processes. In epithelia, because cells are known to individually generate actomyosin contractile stress, each individual intercellular adhesive junction line is subjected to the opposed stresses independently generated by its two partner cells. Contact lines should thus move unless their two partner cells mechanically match. The geometric homeostasis of mature epithelia observed at short enough time-scale thus raises the problem to understand how cells, if considered as noisy individual actuators, do adapt across individual intercellular contacts to locally balance their time-average contractile stress. Structural components of adherens junctions, cytoskeleton (F-actin) and homophilic bonds (E-cadherin) are quickly renewed at steady-state. These turnovers, if they depend on forces exerted at contacts, may play a key role in the mechanical adaptation of epithelia. Here we focus on E-cadherin as a force transducer, and we study the local regulation and the mechanosensitivity of its turnover in junctions. We show that E-cadherin turnover rates match remarkably well on either side of mature intercellular contacts, despite the fact that they exhibit large fluctuations in time and variations from one junction to another. Using local mechanical and biochemical perturbations, we find faster turnover rates with increased tension, and asymmetric rates at unbalanced junctions. Together, the observations that E-cadherin turnover, and its local symmetry or asymmetry at each side of the junction, are mechanosensitive, support the hypothesis that E-cadherin turnover could be involved in mechanical homeostasis of epithelia.

    【和訳】

    自然界や技術の世界において、多エージェントシステムは、個々の構成要素間の相互作用がどのように規則付けられているかに大きく依存しており、時間スケールや同期の適切な制御が重要な課題となります。これは、多細胞集合体（例えば上皮細胞）が複雑な形態形成プロセスを達成する際の生体組織にも当てはまります。上皮組織では、各細胞が個別にアクチン–ミオシン収縮応力を生じることが知られており、それぞれの細胞間接着ジャンクション線は、両方の細胞が独立して生成する応力の影響を受けます。したがって、両方の細胞が力学的に一致していない場合、接触線は移動するはずです。短い時間スケールで観察される成熟上皮の**幾何学的ホメオスタシス（形態の安定性）**は、細胞を“ノイズを伴う個別のアクチュエータ”とみなした場合に、各細胞がどのように個々の接触面で適応し、局所的に時間平均の収縮応力をバランスさせるかを理解する課題を提示します。

    アドヘレンスジャンクションの構造成分である細胞骨格（F-actin）やホモフィリック結合（E-cadherin）は、定常状態において迅速にターンオーバーします。もしこのターンオーバーが接触面で作用する力に依存するならば、上皮の力学的適応に重要な役割を果たす可能性があります。本研究では、力の伝達因子としてのE-cadherinに注目し、ジャンクションにおけるその局所的な制御と力学感受性（mechanosensitivity）を解析しました。

    その結果、成熟した細胞間接触の両側におけるE-cadherinのターンオーバー速度は、時間的に大きく変動し、ジャンクションごとに差があるにもかかわらず、非常に良く一致していることが分かりました。また、局所的な力学的および生化学的操作により、張力が増加するとターンオーバー速度が速くなること、力のバランスが崩れたジャンクションでは左右非対称な速度になることを確認しました。これらの観察結果、すなわちE-cadherinのターンオーバーおよびジャンクション両側での局所的な対称性／非対称性が力学感受性を持つことは、E-cadherinのターンオーバーが上皮の力学的ホメオスタシスに関与している可能性を支持しています。

  3. ③ Baum, Buzz, and Marios Georgiou. “Dynamics of adherens junctions in epithelial establishment, maintenance, and remodeling.” Journal of Cell Biology, vol. 192, no. 6, 2011, pp. 907–917, doi:10.1083/jcb.201009141.

    　このレビューでは、E‑cadherin結合部位（アドヘレンスジャンクション）が どのように形成 → 成熟 → 再構成 されるかについて、ライブセルタイムラプス、ターンオーバーと結合状態の動的変化をまとめています。

    4. Abstract

    The epithelial cadherin (E-cadherin)-catenin complex binds to cytoskeletal components and regulatory and signaling molecules to form a mature adherens junction (AJ). This dynamic structure physically connects neighboring epithelial cells, couples intercellular adhesive contacts to the cytoskeleton, and helps define each cell's apical-basal axis. Together these activities coordinate the form, polarity, and function of all cells in an epithelium. Several molecules regulate AJ formation and integrity, including Rho family GTPases and Par polarity proteins. However, only recently, with the development of live-cell imaging, has the extent to which E-cadherin is actively turned over at junctions begun to be appreciated. This turnover contributes to junction formation and to the maintenance of epithelial integrity during tissue homeostasis and remodeling. The epithelial cadherin (E-cadherin)-catenin complex binds to cytoskeletal components and regulatory and signaling molecules to form a mature adherens junction (AJ). This dynamic structure physically connects neighboring epithelial cells, couples intercellular adhesive contacts to the cytoskeleton, and helps define each cell's apical-basal axis. Together these activities coordinate the form, polarity, and function of all cells in an epithelium. Several molecules regulate AJ formation and integrity, including Rho family GTPases and Par polarity proteins. However, only recently, with the development of live-cell imaging, has the extent to which E-cadherin is actively turned over at junctions begun to be appreciated. This turnover contributes to junction formation and to the maintenance of epithelial integrity during tissue homeostasis and remodeling.

    【和訳】

    上皮細胞カドヘリン（E-cadherin）-カテニン複合体は、細胞骨格成分や調節・シグナル分子と結合して、成熟したアドヘレンスジャンクション（AJ）を形成します。この動的な構造は、隣接する上皮細胞を物理的に接続し、細胞間の接着を細胞骨格に結び付け、各細胞の頂端-基底軸（apical-basal axis）を決定する役割を持ちます。これらの活動が総合的に作用することで、上皮内の全ての細胞の形態、極性、機能が調整されます。

    アドヘレンスジャンクションの形成と安定性には、RhoファミリーGTPaseやPar極性タンパク質など、複数の分子が関与しています。しかし、近年になってライブセルイメージングの発展により、E-cadherinがジャンクションでどの程度能動的にターンオーバーしているかが明らかになりつつあります。このターンオーバーは、ジャンクションの形成や、組織のホメオスタシスやリモデリング中の上皮の構造維持に寄与しています。