Hemidesmozom

Erken Hücre Teorisi ve Mikroskobik Görüntülemenin Doğuşu (1665–1930)

Hücre kavramının ilk şekillenmesi, hemidesmozomların keşif öyküsünün uzak kökenlerini oluşturur. Robert Hooke’un 1665 yılında Micrographia adlı eserinde mantar kabuğundaki gözenekli yapıyı tanımlayarak “hücre” terimini icat etmesi, canlı dokuların temel yapı birimlerinin anlaşılması açısından ilk adım olmuştur. Antonie van Leeuwenhoek’in tek mercekli mikroskoplarıyla protozoa ve bakterileri gözlemlemesi, dokuların hücresel organizasyonunu anlamaya yönelik ilk sistematik girişimlerden biri olarak kayda geçer. Ancak epitel dokuların alt tabakaya yapışma mekanizmalarının anlaşılması, 19. yüzyılın sonlarına kadar mümkün olmamıştır. Theodor Schwann ve Matthias Schleiden’in 1838–1839 yıllarında geliştirdiği hücre teorisi, bitki ve hayvan dokularının ortak hücresel temele sahip olduğunu ortaya koyarak, epitel-stroma arayüzünün incelenmesi için kavramsal zemin hazırlamıştır. Camillo Golgi’nin 1898’de gümüş boyama teknikleriyle Golgi aygıtını tanımlaması, hücre içi kompartımanların görselleştirilmesindeki teknik ilerlemenin habercisi olmuş; bu gelişme, ilerleyen dönemlerde hücre-zar özel yapılarına odaklanan araştırmalar için yöntemsel bir öncül teşkil etmiştir.

Elektron Mikroskobisi Çağının Başlangıcı ve Bazal Membran Kavramının Şekillenmesi (1931–1960)

1931 yılında Ernst Ruska ve Max Knoll tarafından geliştirilen ilk transmisyon elektron mikroskobu (TEM), hücresel yapıların çözünürlük sınırını ışık mikroskobisinin ötesine taşımış ve sitolojide yeni bir dönem başlatmıştır. 1930’ların sonlarına doğru gelişen elektron mikroskobisi teknikleri, bazal membranın (basement membrane) varlığının morfolojik olarak doğrulanmasını sağlamıştır. 1950’lere gelindiğinde, epitel hücrelerinin altında yer alan, ışık mikroskobisinde homojen görünen bazal membranın, aslında elektron mikroskobik düzeyde lamina lucida ve lamina densa gibi farklı tabakalardan oluştuğu anlaşılmıştır. Bu dönemde, epitel hücrelerinin bazal yüzeyindeki yapışma bölgelerinin, komşu hücreler arasındaki desmozomlardan farklı, asimetrik ve tek taraflı plak yapıları sergilediği gözlemlenmeye başlanmıştır. Ancak bu yapıların henüz özgül bir adlandırma kazanmamış olması, onların desmozomların “yarım” bir versiyonu olarak algılanmasına yol açmıştır.

Hemidesmozom Teriminin Doğuşu ve Ultrastrüktürel Tanımlama (1960–1980)

1960’lı yıllarda, elektron mikroskobisi çalışmaları epitel-stroma arayüzündeki yapışma komplekslerinin ayrıntılı morfolojisini ortaya koymuştur. Bu yapıların, lateral hücre membranları arasında simetrik plaklar oluşturan desmozomlardan farklı olarak, yalnızca epitel hücresinin bazal yüzeyinde yer alan ve hücre dışı matrikse bakan tek taraflı bir plak içerdiği belirginleşmiştir. İşte bu morfolojik benzerlik ve asimetrik organizasyon, “hemidesmozom” (yarım desmozom) teriminin doğmasına neden olmuştur. 1970’lerde yapılan TEM çalışmaları, hemidesmozomların elektron-dens sitoplazmik plak, transmembran proteinler ve bazal lamina ile temas eden filamentöz yapılar içerdiğini göstermiştir. Özellikle 1984 yılında Ellison ve Garrod tarafından yayınlanan çalışmalar, hemidesmozomların sitoplazmik ara filamentlerden (intermediate filaments) başlayıp, hücre zarındaki plak bölgesi ve transmembran köprüler aracılığıyla bazal membranın lamina densa tabakasına uzanan, ardından da hücre dışı matrikse yayılan bağlayıcı fibriller (anchoring fibrils) ile devam eden sürekli bir filament sistemi oluşturduğunu ortaya koymuştur. Bu dönemde hemidesmozomun, epitel bütünlüğünün mekanik ankraj noktası olduğu kavramı yerleşmeye başlamıştır.

Otoimmün Dermatozlar ve Moleküler Bileşenlerin İlk Tanımlanması (1980–1990)

Hemidesmozomların moleküler kimliğinin aydınlatılması, otoimmün bülloz hastalıkların patogenezi üzerine yapılan çalışmalar sayesinde hızlanmıştır. 1980’lerin ortalarında, büllöz pemfigoid (BP) hastalarının serumlarında bazal membran zonuna karşı oluşturulan otoantikorların, aslında hemidesmozomal proteinlere yönelik olduğu immünopresipitasyon ve Western blot teknikleriyle gösterilmiştir. Bu dönemde, BP hastalığından izole edilen otoantikorların tanımladığı iki temel antijen keşfedilmiştir: sitoplazmik plakta yer alan ve molekül ağırlığı ~230 kDa olan BP230 (daha sonra BPAG1 olarak adlandırılacaktır) ve transmembran yapıda yer alan ~180 kDa’lık BP180 (BPAG2/Kollagen XVII). BP230’un plakin ailesine ait bir sitoplazmik protein olduğu ve ara filamentlerin bağlanma noktası olarak işlev gördüğü belirlenmiştir. BP180 ise, tip II transmembran kollagen yapısına sahip, ekstraselüler kollagenöz domainleri lamina densa ile doğrudan temas eden eşsiz bir reseptör olarak tanımlanmıştır. Bu keşifler, hemidesmozomların sadece yapısal yapışma kompleksleri değil, aynı zamanda otoimmün süreçlerde hedef alınan antijenik yapılar olduğunu göstererek, hem büllöz hastalıkların hem de hücre-matriks adezyonunun moleküler temelini anlamada devrim yaratmıştır.

İntegrinlerin ve Plectin’in Tanımlanması: Fonksiyonel Ankrajın Aydınlatılması (1990–1997)

1990’lı yıllar, hemidesmozomların moleküler mimarisinin sistematik olarak çözüldüğü dönem olmuştur. Bu on yılda, α6β4 integrin heterodimerinin hemidesmozomların temel transmembran adezyon reseptörü olduğu gösterilmiştir. α6β4 integrinin, laminin-332 (eski adıyla laminin-5) aracılığıyla bazal lamina ile dolaylı temas kurduğu, ancak BP180 ile işbirliği içinde hücre-matriks yapışkanlığının merkezi bir düzenleyicisi olduğu anlaşılmıştır. Aynı dönemde, Wiche ve arkadaşları tarafından immunofluoresan ve immünogold elektron mikroskobisi teknikleriyle plakin ailesinin dev üyesi olan plectin (500 kDa), hemidesmozomların sitoplazmik plak bileşeni olarak tanımlanmıştır. Plectin’in, keratin ara filamentleri ile hemidesmozomal plak arasında evrensel bir bağlantı köprüsü kurduğu ve farklı izoformlarının (özellikle P1a izoformunun) hücre içi dağılımını düzenlediği keşfedilmiştir. 1996 yılında plectin geninin (PLEC) klonlanması ve kromozom 8q24 üzerinde yerleştiğinin gösterilmesi, bu proteinin hemidesmozomal bütünlük için ne denli kritik olduğunu ortaya koymuştur.

Genetik Hastalıklar ve Gen Hedefli Modeller: Fonksiyonel Doğrulama (1997–2005)

Moleküler klonlama tekniklerinin gelişmesiyle birlikte, hemidesmozomal proteinlerin fonksiyonel rolleri genetik hastalıklar ve hayvan modelleri üzerinden doğrulanmaya başlanmıştır. 1997 yılında plectin geninin hedefli inaktivasyonu (knock-out) yapılan farelerde, ciddi deri bülleşmesi fenotipi gözlemlenmiş; hemidesmozom sayısında drastik azalma ve bazal keratinositlerin sitoplazmik plak düzeyinde rüptürü saptanmıştır. Benzer şekilde, BPAG1 (BP230) geninin (DST geni) knockout farelerinde, duyu sinirlerinin dejenerasyonu, distoni ve iskelet kası defektlerinin yanı sıra bazal keratinosit kırılganlığına bağlı deri bülleşmesi geliştiği gösterilmiştir. β4 integrin ve BP180 (Kollagen XVII) genlerinin inaktivasyon çalışmaları da, bu proteinlerin hemidesmozom oluşumu için zorunlu olduğunu ve her birinin kaybının subepidermal epidermolizis ile sonuçlandığını kanıtlamıştır. Bu dönemde, epidermolizis büllöza (EB) hastalıklarının alt tiplerinin (özellikle EB simpleks ile ilişkili distrofi ve EB junctional formları) temelinde hemidesmozomal protein mutasyonları yattığı anlaşılmış; bu keşifler, klinik dermatoloji ve genetik arasındaki köprüyü güçlendirmiştir.

Sinyal İletimi ve Dinamik Yeniden Modelleme: Yapışmanın Ötesi (2005–2015)

2000’li yılların ortalarından itibaren, hemidesmozomların statik yapışma komplekslerinden çok daha fazlası olduğu anlaşılmıştır. α6β4 integrinin, adezyonun yanı sıra PI3K/Akt ve MAPK sinyal yolakları aracılığıyla keratinosit göçü, proliferasyon ve karsinoma invazyonunu düzenleyen bir sinyal platformu olarak işlev gördüğü keşfedilmiştir. Hemidesmozomların, yara iyileşmesi sırasında hücre hareketliliğine izin vermek üzere dinamik olarak parçalandığı (disassembly) ve hücre çoğalması ile karsinoma invazyonu sırasında bu yapısal dönüşümün kritik olduğu gösterilmiştir. Bu dönemde, hemidesmozomlar ile fokal adezyonlar arasındaki işlevsel çapraz konuşma (crosstalk) ve bu iki yapının keratinosit migrasyonunda birlikte nasıl koordineli davrandığı detaylı incelenmiştir. Ayrıca, BP180 ve BP230’a karşı oluşan otoantikorların hastalık seyrindeki epitop yayılımı (epitope spreading) olgusu, intermoleküler epitop yayılımının erken evrelerde daha sık görüldüğü ve hastalık şiddeti ile korele olduğu gösterilerek, büllöz pemfigoid patogenezinin dinamik bir süreç olduğu ortaya konmuştur.

Kriyojenik Elektron Mikroskobisi ve Üç Boyutlu Moleküler Mimari (2015–günümüz)

Son on yılda, kriyojenik elektron mikroskobisi (cryo-EM) ve kriyojenik elektron tomografisi (cryo-ET) tekniklerindeki devrimsel gelişmeler, hemidesmozomların yerli (native) durumdaki üç boyutlu organizasyonunun incelenmesini mümkün kılmıştır. Bu yüksek çözünürlüklü teknikler, hemidesmozomal plak proteinlerinin lateral ilişkilerini, transmembran reseptörlerin lamina densa içindeki düzenini ve ara filamentlerin plak bölgesine nasıl kenetlendiğini atomik düzeyde görselleştirme olanağı sunmuştur. 2014 yılına gelindiğinde, hemidesmozom proteinlerinin moleküler mimarisinin büyük ölçüde çözümlendiği, bunların nasıl monte edildiği ve hücre dışı matriks ile altta yatan deri tabakası arasında adezyonu nasıl aracılık ettiği konusunda muazzam bir ilerleme kaydedildiği belirtilmiştir. Günümüzde, çok hücreli küre (spheroid) kültür modelleri ve 3D organoid sistemleri, hemidesmozomların fizyolojik ortama daha yakın koşullarda incelenmesini sağlamakta; mekanik gerilim iletimi, hücre polaritesi ve epitel bütünlüğünün sürdürülmesindeki rolleri üzerine çalışmalar hız kesmeden sürmektedir. Tüm bu keşifler, hemidesmozomların, epitel homeostazının korunmasındaki vazgeçilmez rollerini ortaya koyan, dinamik, sinyal ileten ve otoimmün süreçlerde kritik hedefler oluşturan karmaşık hücresel makineler olduğunu göstermektedir.

1. Hooke R. (1665). Micrographia: or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses. London: Jo. Martyn and Ja. Allestry.
2. Schwann T. (1839). Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen. Berlin: Sander.
3. Golgi C. (1898). Intorno alla struttura delle cellule nervose. Bollettino della Società Medico-Chirurgica di Pavia, 13, 3–16.
4. Ruska E., Knoll M. (1931). Über das Elektronenmikroskop. Zeitschrift für Physik, 78(5–6), 318–339. doi:10.1007/BF01342199
5. Porter K.R., Claude A., Fullam E.F. (1945). A Study of Tissue Culture Cells by Electron Microscopy. Journal of Experimental Medicine, 81(3), 233–246. doi:10.1084/jem.81.3.233
6. Kelly D.E. (1966). Fine Structure of Desmosomes, Hemidesmosomes, and an Adepidermal Globular Layer in Developing Newt Epidermis. Journal of Cell Biology, 28(1), 51–72. doi:10.1083/jcb.28.1.51
7. Staehelin L.A. (1974). Structure and Function of Intercellular Junctions. International Review of Cytology, 39, 191–283. doi:10.1016/S0074-7696(08)60930-7
8. Ellison J., Garrod D.R. (1984). Anchoring Structures in the Epidermis. Journal of Cell Science, 72, 27–44.
9. Stanley J.R. et al. (1981). Characterization of Bullous Pemphigoid Antigen: A Basement Membrane Protein of Stratified Squamous Epithelia. Cell, 24(3), 897–903. doi:10.1016/0092-8674(81)90115-5
10. Labib R.S. et al. (1986). Molecular Heterogeneity of the Bullous Pemphigoid Antigens as Detected by Immunoblotting. Journal of Immunology, 136(4), 1231–1235.
11. Wiche G. et al. (1991). Cloning and Sequencing of Rat Plectin Indicates a 466-kD Polypeptide Chain with a Three-Domain Structure Based on a Central Alpha-Helical Coiled Coil. Journal of Cell Biology, 114(1), 83–99. doi:10.1083/jcb.114.1.83
12. Diaz L.A. et al. (1990). Isolation of a Human Epidermal cDNA Corresponding to the 180-kDa Autoantigen Recognized by Bullous Pemphigoid and Herpes Gestationis Sera. Journal of Clinical Investigation, 86(4), 1088–1094. doi:10.1172/JCI114815
13. Guo L. et al. (1995). Gene Targeting of BPAG1: Abnormalities in Mechanical Strength and Cell Migration in Stratified Squamous Epithelia and Neuromuscular Disease. Cell, 81(2), 233–243. doi:10.1016/0092-8674(95)90333-X
14. Georges-Labouesse E. et al. (1996). Absence of Integrin α6 Leads to Epidermolysis Bullosa and Neonatal Death in Mice. Nature Genetics, 13(3), 370–373. doi:10.1038/ng0796-370
15. Dowling J. et al. (1996). β4 Integrin Is Required for Hemidesmosome Formation, Cell Adhesion and Cell Survival. Journal of Cell Biology, 134(2), 559–572. doi:10.1083/jcb.134.2.559
16. Andrä K. et al. (1997). Targeted Inactivation of Plectin Reveals Essential Function in Maintaining the Integrity of Skin, Muscle, and Heart Cytoarchitecture. Genes & Development, 11(23), 3143–3156. doi:10.1101/gad.11.23.3143
17. Fuchs E., Cleveland D.W. (1998). A Structural Scaffolding of Intermediate Filaments in Health and Disease. Science, 279(5350), 514–519. doi:10.1126/science.279.5350.514
18. Jones J.C.R. et al. (1998). Structure and Assembly of Hemidesmosomes. BioEssays, 20(6), 488–494. doi:10.1002/(SICI)1521-1878(199806)20:6<488::AID-BIES8>3.0.CO;2-X
19. Borradori L., Sonnenberg A. (1999). Hemidesmosomes: Roles in Adhesion, Signaling and Human Diseases. Current Opinion in Cell Biology, 11(5), 647–656. doi:10.1016/S0955-0674(99)00028-3
20. Hopkinson S.B., Jones J.C.R. (2000). The Nucleus and Bidirectional Signal Transduction in Epithelial Cells. International Review of Cytology, 199, 131–173. doi:10.1016/S0074-7696(00)99017-2
21. Koster J. et al. (2003). Analysis of the Interactions between BP180, BP230, Plectin and the Integrin α6β4 Important for Hemidesmosome Assembly. Journal of Cell Science, 116(2), 387–399. doi:10.1242/jcs.00231
22. Litjens S.H.M. et al. (2006). Current Insights into the Formation and Breakdown of Hemidesmosomes. Trends in Cell Biology, 16(7), 376–383. doi:10.1016/j.tcb.2006.05.004
23. Wilhelmsen K. et al. (2006). Multiple Functions of the Integrin α6β4 in Epidermal Homeostasis and Tumorigenesis. Molecular and Cellular Biology, 26(8), 2877–2886. doi:10.1128/MCB.26.8.2877-2886.2006
24. de Pereda J.M. et al. (2009). Advances and Perspectives of the Architecture of Hemidesmosomes: Lessons from Structural Biology. Cell Adhesion & Migration, 3(4), 361–364. doi:10.4161/cam.3.4.9534
25. Nishie W. (2014). Update on the Pathogenesis of Bullous Pemphigoid: An Autoantibody-Mediated Blistering Disease Targeting Collagen XVII. Journal of Dermatological Science, 73(3), 179–186. doi:10.1016/j.jdermsci.2013.12.001
26. Walko G. et al. (2015). Molecular Architecture and Function of the Hemidesmosome. Cell and Tissue Research, 360(3), 529–544. doi:10.1007/s00441-014-2061-z
27. Hsu C.K. et al. (2019). Treatment of Inherited Epidermolysis Bullosa: Updates and Future Prospects. American Journal of Clinical Dermatology, 20(6), 763–780. doi:10.1007/s40257-019-00464-5
28. Hiroyasu S. et al. (2022). Bullous Pemphigoid IgG Induces BP180 Internalization via a Macropinocytic Pathway. Journal of Investigative Dermatology, 142(4), 1102–1112.e8. doi:10.1016/j.jid.2021.07.184