Understanding cadherin-mediated cell-cell adhesion at the molecular level: a structural approach

A key biological process in the life of multicellular organisms is the establishment of proper adhesion between cells, to form at first tissues and then organs. Cell-cell adhesion is provided by macromolecular complexes localized in specific region of the cellular membrane and formed by transmembrane proteins capable of establishing cell junctions via interactions between their extracellular domains. Structural biology is a potent tool to understand the molecular bases of the adhesion process. In general, a high resolution structural analysis provides details about intra- and inter-molecular contacts that drive the formation of proteins assembling, often elucidating the mechanistic details of biological events. The work described in this PhD thesis is focused on the structural characterization of members of the large superfamily of Ca2+-dependent cell adhesion proteins called cadherins, and in particular on the subfamily of classical cadherins. These transmembrane proteins interact with each other through their extracellular domains in a strictly homophilic fashion, to ensure the contact between two adjacent cells. We attempted to approach a series of unresolved issues in the cadherin field, related to the molecular events that guide homodimerization, which is the key mechanism in cadherin-mediated cell-cell adhesion. To do so, we used single crystal X-ray diffraction analysis on different sequences of the extracellular domain, spanning from short oligopeptides (three amino acids) to almost the entire ectodomains (400 amino acids), in the native form and with point mutations, produced by means of biotechnological techniques. The combination of these different analyses provides novel details and opens new scenarios in the debated topic of cadherin dynamic, paving the way to a better comprehension of the cadherin/small molecule interactions, which may become a central issue in medicinal and toxicological chemistry due to the role of members of the cadherin superfamily in different pathological states.

La formazione di adeguati contatti fra le cellule rappresenta un porcesso biologico essenziale per gli organismi multicellulari, permettendo l’organizzazione in tessuti e quindi in organi. L’adesione cellulare e’ permessa dalla presenza di complessi macromolecolari localizzati in specifiche regioni della membrana cellulare e formati da proteine transmembranain grado di formare delle giunzioni cellulari attraverso l’interazione dei loro domini extracellulari. La biologia cellulare rappresenta un potente strumento per comprendere le basi molecolari dei meccanismi di adesione. In generale, l’analisi strutturale ad alta risoluzione fornisce dettagli sui contatti intra e inter molecolari che guidano la formazione dei complessi proteici supramolecolari, permettendo di elucidare anche i dettagli dei meccanismi degli eventi biologici. Il lavoro proposo in questa tesi di dottorato e’ focalizzato sulla caratterizzazione strutturale di membri della superfamiglia della caderine, proteine di adesione cellulare calcio dipendenti, e in particolare del sottogruppo delle caderine classiche. Queste proteine transmembrana interagiscono fra di loro attraverso i loro domini extracellulari in maniera strettamente omofilica, assicurando il contatto fra due cellule adiacenti. L’obiettivo del lavoro e’ di affrontare alcune argomenti ancora dibattutti nel campo delle caderine, in relazione agli eventi molecolari che guidano la omodimerizzazione, che e’ il loro principale meccanismo d’azione. Gli studi sono stati portati avanti essenzialmente attraverso l’analisi strutturale tramite cristallografia a raggi X su varie sequenze del dominio extracellulare, sia oligopeptidi (3-4 residui) che l’intera lunghezza del dominio (400 aminoacidi), nella forma nativa e con eventuali mutazioni, prodotti con tecniche biotecnologiche. La combinazione di queste diverse analisi fornisce nuovi dettagli sulla dinamica del meccanismo delle caderine, aprendo la strada a nuovi studi sulla interazione tra caderine e ligandi, un argomento importante in chimica farmaceutica per il ruolo di molti membri della famiglia in diverse patologie