A protein which sticks cells and tissues together has been found to have a surprising second job: helping cells which are packed into a continuous sealed layer, also known as epithelial cells, engulf nearby dead cells.

The debris of dying cells is one of the main causes of inflammation, so the finding by researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona could lead to new clues for understanding chronic inflammatory conditions.

The study, published today in Nature Communications, centres around the E-cadherin complex, which consists of E-cadherin and three other proteins. They work together to link the cells which line our skin, guts and airways, providing structural support that stops tissues from falling apart. Every cell in these epithelial tissues clasps the E-cadherin on the surface of the cell directly next to it.

A group led by Verena Ruprecht studied epithelia in live zebrafish and mouse embryos and discovered the machinery also assembles at the precise spot when a dying cell drifts into contact.

The researchers asked whether the protein and its partners were gripping the dying cell as they normally grip their neighbours. They ran two tests. They first offered the tissue dying cells that had been stripped of E-cadherin, which the tissue cleared away as efficiently as normal ones. They then offered the cells droplets of fat not containing any protein at all, but harbouring a signal that dying cells display on their surface. Those were swallowed too.

“We were intrigued to find out that epithelial cells repurpose their molecular adhesion machinery - the ‘glue’ that normally holds them together - to engulf dying cells,” says ICREA Research Professor Verena Ruprecht, senior author of the study.

Same cell, different choreography

The cells doing the swallowing are locked into a barrier that has to stay watertight, so wrapping themselves around something the size of another cell presents a real difficulty.

The imaging showed cells manage this because the top and bottom surfaces of a single cell behave independently of one another. The bottom of a cell stretches and wraps around a dead cell while the opposite side, which faces the outside world or an open space like the inside of a lumen, stays still and continues to form a sealed barrier. When the researchers measured the top surface of a cell before, during and after it had swallowed something, the area barely changed while the bottom surface deformed significantly during the ‘eating’ process.

Ruprecht compares it to a line of dancers with their arms linked, whose upper bodies stay steady while their feet do the work, moving from a simple step to something far more energetic once a dying cell arrives. “It’s the same dancer with a different choreography,” she says.

A rope and a brake

The study also looked into the finer details of the mechanical work of the cells involved. One of the proteins that form part of the E-cadherin complex worked as a rope, tethering the assembly to the cell's internal skeleton so that force can be transmitted across the surface of the target to swallow it. Cells lacking the tethering protein, or lacking the specific part of it that grips the skeleton, could no longer engulf dead cells.

Another worked as a brake for the cell’s contractile motor. Unexpectedly, if this brake is removed the cell can be too stiff to do its job and fails to clear dying cells.

The team then tested whether the mechanism also exists in mammals. In early mouse embryos, blocking E-cadherin left dying cells sitting uncleared, matching what had been seen in zebrafish and indicating that the mechanism is shared across vertebrates.

The study follows Ruprecht's previous research which showed that embryos use epithelia to remove dying cells cooperatively, a type of early innate immune response.

Embryos were used back then and now for a practical reason. They are transparent and provide a window into live cell and tissue dynamics at a resolution that cannot be achieved in the human body.

From embryos to adult tissue

While the present study takes the next step in explaining how embryos clear dying cells, there is an open question for future research about whether the same mechanism is at work in adult zebrafish or mice, or any type of human tissue.

Notably, epithelia in the adult body are already known to clear dying cells in the retina, the colon, the airways and the mammary gland. E-cadherin is present in epithelia throughout the body and its structure has changed remarkably little across species, which makes it a likely candidate for a mechanism used more widely in epithelia.

If confirmed, the clinical interest lies in what happens when clearance fails. Dying cells left in place break apart and leak, causing chronic inflammation. What this study adds is that clearance is both a question of whether a cell receives the right chemical signals to swallow apoptotic debris and how it can physically deform during this motion while keeping itself and the surrounding tissue intact.

“Studying the mechanisms of how dying cells can be removed efficiently from tissues is of very high relevance to human health,” concludes Ruprecht.

The work was led by joint first authors Hanna-Maria Häkkinen, Marta Batet Palau and Laura F. Bianchi and supervised by Verena Ruprecht. It was funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation, the Human Frontier Science Program, the European Union's Horizon Europe programme, and the "la Caixa" Foundation, with additional support from the European Social Fund. It made use of the CRG Core Facilities for Advanced Light Microscopy, Tissue Engineering and Protein Technologies.
 

EN CASTELLANO

El pegamento que mantiene el cuerpo unido también ayuda a engullir células muertas

Se ha descubierto que una proteína encargada de adherir células y tejidos entre sí desempeña una segunda función inesperada: ayudar a que las células agrupadas en una capa continua y sellada, conocidas como células epiteliales, engullan las células muertas cercanas.

Los restos de las células agonizantes son una de las principales causas de inflamación, por lo que el hallazgo, realizado por un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, podría aportar nuevas claves para comprender las enfermedades inflamatorias crónicas.

El estudio, publicado hoy en Nature Communications, se centra en el complejo E-cadherina, formado por la E-cadherina y otras tres proteínas. Actúan de forma conjunta para unir las células que recubren la piel, el intestino y las vías respiratorias, y proporcionan un soporte estructural que evita que los tejidos se desintegren. Cada célula de estos tejidos epiteliales se aferra a la E-cadherina de la superficie de la célula contigua.

Un equipo dirigido por Verena Ruprecht, actualmente en la Universidad de Innsbruck, ha estudiado los epitelios en embriones vivos de pez cebra y de ratón, y ha descubierto que esta maquinaria se ensambla también en el punto exacto en el que una célula muerta entra en contacto con la célula epitelial.

El equipo se planteó si la proteína y sus acompañantes se estaban aferrando a la célula muerta del mismo modo en que se aferran a las células vecinas. Para averiguarlo realizaron dos pruebas. En la primera se ofrecieron al tejido células muertas a las que se había eliminado la E-cadherina, y el tejido las retiró con la misma eficacia que las normales. En la segunda se ofrecieron gotas de grasa que no contenían ninguna proteína, pero que sí portaban una señal que las células muestran en su superficie cuando mueren. También fueron engullidas.

"Nos ha resultado muy llamativo descubrir que las células epiteliales reutilizan su maquinaria molecular de adhesión, el 'pegamento' que normalmente las mantiene unidas, para engullir células que mueren", afirma Verena Ruprecht, profesora de investigación ICREA y autora principal del estudio.

La misma célula, otra coreografía

Las células que llevan a cabo esta labor están integradas en una barrera que debe permanecer impermeable, de modo que envolver algo del tamaño de otra célula plantea una dificultad considerable.

Las imágenes han mostrado que lo consiguen porque las superficies superior e inferior de una misma célula se comportan de forma independiente. La parte inferior de la célula se estira y envuelve la célula muerta, mientras que la cara opuesta, orientada hacia el exterior o hacia un espacio abierto como el interior de un lumen, permanece inmóvil y sigue formando una barrera sellada. Al medir la superficie superior de una célula antes, durante y después de haber engullido algo, se comprobó que el área apenas variaba, mientras que la superficie inferior se deformaba de manera notable durante el proceso.

Ruprecht lo compara con una fila de bailarines con los brazos entrelazados, cuyos torsos permanecen firmes mientras los pies hacen el trabajo, pasando de un paso sencillo a algo mucho más enérgico en cuanto aparece una célula muerta. "Es el mismo bailarín con una coreografía distinta", señala.

Una cuerda y un freno

El estudio ha analizado también los detalles del trabajo mecánico que realizan las células. Una de las proteínas que forman parte del complejo E-cadherina actúa como una cuerda y ancla el conjunto al esqueleto interno de la célula, de manera que la fuerza pueda transmitirse a lo largo de la superficie del objetivo para engullirlo. Las células que carecían de esta proteína de anclaje, o de la parte concreta que se agarra al esqueleto, ya no eran capaces de engullir células muertas.

Otra de ellas funciona como un freno del motor contráctil de la célula. De forma inesperada, cuando se retira este freno la célula puede volverse demasiado rígida para desempeñar su función y no logra eliminar las células que mueren.

El equipo comprobó después si el mecanismo existe también en mamíferos. En embriones tempranos de ratón, el bloqueo de la E-cadherina dejó sin eliminar las células muertas, en coincidencia con lo observado en el pez cebra, lo que indica que el mecanismo es común a los vertebrados.

El estudio da continuidad a una investigación anterior de Ruprecht en la que se demostró que los embriones emplean los epitelios para eliminar de forma cooperativa las células que mueren, un tipo de respuesta inmunitaria innata temprana.

Tanto entonces como ahora se han utilizado embriones por una razón práctica: son transparentes y ofrecen una ventana a la dinámica celular y tisular en vivo con una resolución imposible de alcanzar en el cuerpo humano.

De los embriones al tejido adulto

Aunque el presente estudio avanza en la explicación de cómo los embriones eliminan las células que mueren, queda abierta para futuras investigaciones la cuestión de si el mismo mecanismo opera en peces cebra o ratones adultos, o en algún tipo de tejido humano.

Cabe señalar que ya se sabe que los epitelios del organismo adulto eliminan células muertas en la retina, el colon, las vías respiratorias y la glándula mamaria. La E-cadherina está presente en los epitelios de todo el cuerpo y su estructura apenas ha variado entre especies, lo que la convierte en una firme candidata a formar parte de un mecanismo de uso más generalizado en los epitelios.

Si se confirma, el interés clínico residiría en lo que ocurre cuando esta eliminación falla. Las células muertas que permanecen en el tejido se fragmentan y liberan su contenido, lo que provoca inflamación crónica. Lo que aporta este estudio es que dicha eliminación depende tanto de que la célula reciba las señales químicas adecuadas para engullir los restos apoptóticos como de su capacidad de deformarse físicamente durante ese movimiento sin dañarse a sí misma ni al tejido circundante.

"Estudiar los mecanismos por los que las células que mueren pueden eliminarse de los tejidos de forma eficaz es de gran relevancia para la salud humana", concluye Ruprecht.

El trabajo ha sido liderado por Hanna-Maria Häkkinen, Marta Batet Palau y Laura F. Bianchi, primeras autoras en igualdad de contribución, y supervisado por Verena Ruprecht. Ha contado con financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación, el Human Frontier Science Program, el programa Horizonte Europa de la Unión Europea y la Fundación "la Caixa", con el apoyo adicional del Fondo Social Europeo e ICREA. Se han utilizado los Servicios Científico-Técnicos del CRG de Microscopía Óptica Avanzada, Ingeniería de Tejidos y Tecnologías de Proteínas.
 

EN CATALÀ

La cola que manté el cos unit també ajuda a engolir les cèl·lules mortes

S'ha descobert que una proteïna responsable d'unir cèl·lules i teixits entre si realitza una segona funció inesperada: ajudar les cèl·lules agrupades en una capa contínua i segellada, conegudes com a cèl·lules epitelials, a engolir cèl·lules mortes properes.

Les restes de cèl·lules moribundes són una de les principals causes d'inflamació, així que la troballa, feta per un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona, podria aportar noves claus per entendre les malalties inflamatòries cròniques.

L'estudi, publicat avui a Nature Communications, se centra en el complex d'E-cadherina, que consisteix en E-cadherina i tres proteïnes més. Treballen conjuntament per unir les cèl·lules que recobreixen la pell, l'intestí i les vies respiratòries, i proporcionen suport estructural que impedeix que els teixits es desintegrin. Cada cèl·lula d'aquests teixits epitelials s'adhereix a l'E-cadherina de la superfície de la cèl·lula adjacent.

Un equip liderat per Verena Ruprecht, ara a la Universitat d'Innsbruck, ha estudiat els epitelis en embrions vius de peix zebra i ratolí, i ha descobert que aquesta maquinària també s'assembla exactament en el punt on una cèl·lula morta entra en contacte amb la cèl·lula epitelial.

L'equip es preguntava si la proteïna i els seus acompanyants s'aferraven a la cèl·lula morta de la mateixa manera que s'aferren a les cèl·lules veïnes. Per esbrinar-ho, van fer dues proves. En la primera, es van oferir cèl·lules mortes de les quals s'havia extret l'E-cadherina, i el teixit les va eliminar tan eficaçment com les cèl·lules normals. En la segona, es van oferir gotes de greix que no contenien cap proteïna, però que sí que transmetien un senyal que les cèl·lules mostren a la seva superfície quan moren. També van ser engolides.

"Ens va semblar molt impactant descobrir que les cèl·lules epitelials reutilitzen la seva maquinària d'adhesió molecular, la 'cola' que normalment les manté unides, per engolir les cèl·lules que moren", diu Verena Ruprecht, professora d'investigació ICREA i autora principal de l'estudi.

La mateixa cèl·lula, una altra coreografia

Les cèl·lules que duen a terme aquesta feina estan integrades en una barrera que ha de romandre impermeable, així que embolcallar quelcom de la mida d'una altra cèl·lula suposa una dificultat considerable.

Les imatges han demostrat que ho aconsegueixen perquè les superfícies superior i inferior de la mateixa cèl·lula es comporten de manera independent. La part inferior de la cèl·lula s'estira i embolcalla la cèl·lula morta, mentre que el costat oposat, mirant cap a fora o cap a un espai obert com l'interior d'un lumen, roman immòbil i continua formant una barrera segellada. En mesurar la superfície superior d'una cèl·lula abans, durant i després que hagués engolit alguna cosa, es va comprovar que l'àrea gairebé no variava, mentre que la superfície inferior es deformava notablement durant el procés.

Ruprecht ho compara amb una fila de ballarins amb els braços entrellaçats, els torsos mantenint-se ferms mentre els peus fan la feina, passant d'un pas senzill a alguna cosa molt més enèrgica tan bon punt apareix una cèl·lula morta. "És el mateix ballarí amb una coreografia diferent", assenyala.

Una corda i un fre

L'estudi també ha analitzat els detalls del treball mecànic realitzat per les cèl·lules. Una de les proteïnes que formen part del complex d'E-cadherina actua com una corda i ancora el conjunt a l'esquelet interior de la cèl·lula, de manera que la força es pot transmetre per la superfície de l'objectiu per engolir-la. Les cèl·lules que no tenien aquesta proteïna d'ancoratge, o la part específica que s'adhereix a l'esquelet, ja no podien engolir cèl·lules mortes.

Una altra d'aquestes proteïnes funciona com a fre en el motor contràctil de la cèl·lula. Inesperadament, quan es retira aquest fre, la cèl·lula pot esdevenir massa rígida per complir la seva funció i no aconsegueix eliminar les cèl·lules que moren.

L'equip va comprovar després si el mecanisme també existeix en mamífers. En embrions primerencs de ratolí, bloquejar l'E-cadherina deixava cèl·lules mortes sense eliminar, coherent amb el que es va observar en el peix zebra, indicant que el mecanisme és comú als vertebrats.

L'estudi continua la recerca prèvia de Ruprecht que va demostrar que els embrions utilitzen l'epiteli per eliminar cooperativament les cèl·lules moribundes, un tipus de resposta immune innata primerenca.

Tant llavors com ara, els embrions s'han utilitzat per una raó pràctica: són transparents i ofereixen una finestra a la dinàmica de cèl·lules i teixits vius amb una resolució impossible d'assolir en el cos humà.

Dels embrions al teixit adult

Tot i que l'estudi actual avança en l'explicació de com els embrions eliminen les cèl·lules que moren, la qüestió de si el mateix mecanisme opera en peixos zebra o ratolins adults, o en algun tipus de teixit humà, continua oberta per a futures investigacions.

Cal destacar que ja se sap que els epitelis de l'organisme adult eliminen les cèl·lules mortes de la retina, el còlon, el tracte respiratori i la glàndula mamària. L'E-cadherina està present als epitelis de tot el cos i la seva estructura gairebé no ha variat entre espècies, cosa que la converteix en una candidata forta per formar part d'un mecanisme d'ús més estès en els epitelis.

Si es confirma, l'interès clínic residiria en què passa quan aquesta eliminació falla. Les cèl·lules mortes que queden al teixit es fragmenten i alliberen el seu contingut, provocant inflamació crònica. El que aporta aquest estudi és que aquesta eliminació depèn tant que la cèl·lula rebi els senyals químics adequats per engolir les restes apoptòtiques com de la seva capacitat de deformar-se físicament durant aquest moviment sense fer-se mal a si mateixa ni al teixit circumdant.

"Estudiar els mecanismes pels quals les cèl·lules moribundes poden ser eliminades eficaçment dels teixits és de gran rellevància per a la salut humana", conclou Ruprecht.

El treball ha estat liderat per Hanna-Maria Häkkinen, Marta Batet Palau i Laura F. Bianchi, primeres autores en igual aportació, i supervisat per Verena Ruprecht. Ha estat finançat pel Ministeri de Ciència i Innovació, el Human Frontier Science Program, el programa Horitzó Europa de la Unió Europea i la Fundació "la Caixa", amb suport addicional del Fons Social Europeu i ICREA. S'han utilitzat els Serveis Cientificotècnics del CRG de Microscòpia Òptica Avançada, Enginyeria de Teixits i Tecnologies de Proteïnes.