Matrix 300x clifford: Clifford Matrix 300X Version 2 –

Биология внеклеточного матрикса: обзор

• Список журналов
• Рукописи авторов HHS
• PMC4185430

Дж Глаукома. Авторская рукопись; доступно в PMC 2015 1 окт.

Опубликовано в окончательной редакции как:

J Глаукома. 2014 г., октябрь – ноябрь: S20–S23.

doi: 10.1097/ijg.0000000000000108

PMCID: PMC4185430

NIHMSID: NIHMS619205

«Основная матрисома» ³ включает приблизительно 300 белков. Основные компоненты включают коллагены, протеогликаны, эластин и связывающие клетки гликопротеины, каждый из которых обладает различными физическими и биохимическими свойствами.

Коллаген состоит из 3 полипептидных α-цепей, образующих тройную спиральную структуру. У позвоночных 46 различных цепей коллагена собираются в 28 типов коллагена ^2,4 , которые подразделяются на фибриллообразующие коллагены (например, типы I, II, III), сетчатообразующие коллагены (например, коллаген базальной мембраны типа IV ), ассоциированные с фибриллами коллагены с прерываниями их тройных спиралей или FACIT (например, типы IX, XII) и другие (например, тип VI). Коллагены, образующие фибриллы, содержат непрерывные домены, образующие тройную спираль, фланкированные амино- и карбоксиконцевыми неколлагеновыми доменами. Эти неколлагеновые домены протеолитически удаляются, а образующиеся тройные спирали связываются латерально в фибриллы. Нефибриллярные надмолекулярные структуры, такие как сети коллагена IV в базальных мембранах и филаменты-бусы, образованы нефибриллярными коллагенами. FACIT не собираются в фибриллы сами по себе, а связаны с коллагеновыми фибриллами.

Определенные остатки пролина в коллагенах гидроксилируются пролил-4-гидроксилазой и пролил-3-гидроксилазой. Выбранные остатки лизина также гидроксилируются лизилгидроксилазой. Фибриллярные проколлагены после процессинга секретируются во внеклеточное пространство, где удаляются их пропептиды. Полученные коллагены затем собираются в фибриллы посредством ковалентных поперечных связей, образованных между остатками лизина двух цепей коллагена в процессе, катализируемом внеклеточным ферментом лизилоксидазой (LOX). Коллагеновый остов определяет архитектуру, форму и организацию ткани.

Протеогликаны состоят из основного белка, к которому присоединены боковые цепи гликозаминогликанов (ГАГ). ГАГ представляют собой линейные анионные полисахариды, состоящие из повторяющихся дисахаридных звеньев. Существует четыре группы ГАГ: гиалуроновая кислота, кератансульфат; хондроитин/дерматансульфат; и гепарансульфат, включая гепарин. Все, кроме гиалуроновой кислоты, сульфатированы. Сильно отрицательно заряженные цепи ГАГ позволяют протеогликанам изолировать воду и двухвалентные катионы, обеспечивая функции заполнения пространства и смазки. Секретируемые протеогликаны включают большие протеогликаны, такие как аггрекан и версикан, небольшие богатые лейцином протеогликаны, такие как декорин и люмикан, и протеогликаны базальной мембраны, такие как перлекан. Синдеканы связаны с клеточной поверхностью, тогда как серглицин является внутриклеточным протеогликаном. Молекулярное разнообразие протеогликанов обеспечивает структурную основу для множества биологических функций. Например, аггрекан в хряще создает эластичность и высокую биомеханическую устойчивость к давлению. Декорин и люмикан играют регулирующую роль в сборке коллагеновых фибрилл. Протеогликаны также взаимодействуют с факторами роста и рецепторами факторов роста и участвуют в передаче клеточных сигналов ⁵ и биологические процессы, включая ангиогенез.

Семейство ламининов включает около 20 гликопротеинов, которые собраны в поперечно-сшитую сеть, переплетенную с сетью коллагена IV типа в базальных мембранах. Это гетеротримеры (400–800 кДа), состоящие из одной α-, одной β- и одной γ-цепи. У позвоночных идентифицировано пять α-, три β- и три γ-цепи. Многие ламинины самособираются, образуя сети, которые остаются в тесной связи с клетками посредством взаимодействия с рецепторами клеточной поверхности. Ламинины необходимы для раннего эмбрионального развития и органогенеза. ⁶

Фибронектин имеет решающее значение для прикрепления и миграции клеток, действуя как «биологический клей». Мономер фибронектина (~250 кДа) состоит из субъединиц, которые включают три типа повторов: I, II и III. Фибронектин секретируется в виде димеров, связанных дисульфидными связями, и имеет сайты связывания с другими димерами фибронектина, коллагеном, гепарином и рецепторами клеточной поверхности. В повторе FNIII10 имеется важный сайт связывания клеток Arg-Gly-Asp. Димеры фибронектина могут образовывать мультимеры. При продолжающемся отложении фибриллы удлиняются и утолщаются, а фибриллы фибронектина могут быть дополнительно преобразованы в нерастворимый в дезоксихолате матрикс. ⁷

Эластин придает эластичность тканям, подвергающимся многократному растяжению, таким как сосуды сосудов и легкие. У млекопитающих он кодируется одним геном и секретируется в виде мономера тропоэластина с молекулярной массой 60–70 кДа. Тропоэластин с помощью фибулинов связывается с микрофибриллами, образуя эластические волокна. Все тропоэластины имеют характерное расположение гидрофобных последовательностей, чередующихся с лизинсодержащими сшивающими мотивами. Микрофибриллярные белки фибриллины и ассоциированный с микрофибриллами гликопротеин-1 взаимодействуют непосредственно с эластином и важны для его зародышеобразования и сборки. ² Важнейшей особенностью эластического волокна, имеющей решающее значение для его правильного функционирования, является интенсивное перекрестное связывание тропоэластина, опосредованное LOX, которое избирательно окисляет остатки лизина в пептидной связи до ализина. В эластине есть две основные бифункциональные поперечные связи: дегидролизинонорлейцин, образующийся в результате конденсации одного остатка ализина и одного лизина, и альдольный аллизин, образующийся в результате ассоциации двух остатков ализина. Эти две поперечные связи могут далее конденсироваться друг с другом или с другими промежуточными соединениями с образованием десмозина или изодесмозина. Электронная микроскопия и визуализирующие исследования показывают, что тропоэластин собирается в небольшие глобулярные агрегаты на поверхности клетки (микросборка). Начинается перекрестное сшивание, что приводит к потере положительных зарядов молекулы, что способствует высвобождению тропоэластина из клетки и способствует слиянию глобулярных клеток в присутствии микрофибрилл (макросборка). Фибулин-4 играет роль на ранних стадиях сборки эластина, а фибулин-5 действует как мостик эластина между матриксом и клетками. ⁸

Молекулы ВКМ соединяются с клетками через интегрины, синдеканы и другие рецепторы. Интегрины представляют собой гетеродимерные рецепторы, состоящие из α- и β-субъединиц. ⁹ У позвоночных это семейство включает 18 α- и 8 β-субъединиц, которые могут собираться в 24 различных интегрина. Обе субъединицы α и β представляют собой трансмембранные белки с большими модульными внеклеточными доменами, одиночными трансмембранными спиралями и короткими цитоплазматическими областями, которые опосредуют взаимодействия цитоскелета. Интегрины могут быть сгруппированы в подгруппы на основе свойств связывания лиганда или на основе состава их субъединиц. Основными интегринами, связывающими матрикс, являются интегрины β1, обладающие сродством к фибронектину, коллагенам и ламининам.

Интегрины функционируют как связующие звенья между ECM и цитоскелетом. Активация интегринов матричными лигандами приводит к конформационным изменениям в интегринах, открывая их цитоплазматические домены для связывания белков фокального комплекса, таких как киназа фокальной адгезии (FAK) и киназа, связанная с интегрином (ILK). Далее следует кластеризация интегринов в мембране, и внутриклеточные белки, включая винкулин и талин, вместе с актиновыми стрессовыми волокнами собираются в комплексы фокальной адгезии. Интегрины впоследствии запускают каскады фосфорилирования и инициируют сигнальные события, включая пути Rho и MAP киназы, чтобы влиять на клеточную пролиферацию, дифференцировку, полярность, контрактильность и экспрессию генов в так называемом сигнальном процессе «снаружи внутрь». Наоборот, внутриклеточные сигналы от белков, таких как FAK, ILK и talin, могут индуцировать изменения в конформации и активации интегрина, которые изменяют его активность связывания лиганда сигнальным способом «изнутри наружу». Таким образом, интегрины действуют как двунаправленный проводник, передающий сигналы и обеспечивающий связи между внутри- и внеклеточными компартментами. ^10,11

ECM постоянно подвергается модернизации, в результате чего его компоненты откладываются, деградируют или модифицируются. Межмолекулярное сшивание с помощью LOX является ключевой посттрансляционной модификацией коллагенов и эластина. Расширенное сшивание из-за избыточной активности LOX увеличивает прочность ткани на растяжение и жесткость матрикса, тем самым влияя на клеточное поведение.

Коллагены и другие элементы ВКМ являются субстратами для матриксных металлопротеиназ (ММП), дезинтегрина и металлопротеаз (АДАМ), АДАМ с тромбоспондиновыми мотивами (АДАМТС), а также протеаз, таких как катепсин G и эластаза. ¹ ММР производятся в форме предшественников и остаются неактивными до тех пор, пока не будут активированы. Большинство из 23 членов семейства ММР секретируются, но есть и ММР мембранного типа. Их активности противодействуют тканевые ингибиторы MMP (TIMP) и другие ингибиторы, а дисбаланс может привести к фиброзу тканей и заболеваниям. ¹ Помимо молекул ECM, MMPs и другие могут также расщеплять белки-предшественники, высвобождать факторы роста, связанные с ECM, и высвобождать биологически активные фрагменты белков ECM с новой биологической активностью, такие как эндостатин. ⁴

В дополнение к процессу обмена ВКМ также модулируется экзогенными стимулами, такими как цитокины, глюкокортикоиды, окислительный стресс, давление и механическое растяжение. Наиболее изученным цитокином является трансформирующий фактор роста-β (TGF-β), который, как известно, усиливает выработку ВКМ и активирует гены, связанные с ВКМ.

ВКМ способен хранить и изолировать факторы роста и цитокины, создавая градиенты концентрации и регулируя пространственно и во времени их биодоступность. В частности, семейство факторов роста фибробластов прочно связывается с гепарансульфатными цепями протеогликанов, таких как перлекан. Протеогликаны гепарансульфата также участвуют в связывании, транспортировке и активации факторов контроля развития, включая факторы Wnt и hedgehog. Кроме того, внеклеточный матрикс является резервуаром биоактивных фрагментов, высвобождаемых при ограниченном протеолизе. Эти фрагменты, обладающие собственными биологическими свойствами и активностью, регулируют физиологические и патологические процессы, включая ангиогенез. ВКМ может дополнительно участвовать в созревании лиганда. TGF-β, секретируемый в латентной форме, хранится в ECM и остается неактивным до тех пор, пока не будет активирован MMP-зависимым протеолизом. ¹

Биохимические свойства внеклеточного матрикса позволяют клеткам воспринимать внеклеточную среду и взаимодействовать с ней, используя различные пути передачи сигналов. Химические сигналы обеспечиваются компонентами ВКМ, особенно адгезивными белками, такими как фибронектин, интегриновые и неинтегриновые рецепторы, а также факторами роста и связанными с ними сигнальными молекулами. Взаимодействия с различными матрицами через определенные наборы рецепторов могут запускать различные клеточные ответы. ^10,11

ВКМ функционирует как физический барьер, место закрепления или путь движения для миграции клеток. ¹ Физические свойства внеклеточного матрикса, включая его жесткость, плотность, пористость, нерастворимость и топографию (пространственное расположение и ориентацию), дают физические сигналы клеткам. Механические свойства в основном воспринимаются интегринами, которые соединяют внеклеточный ECM с актиновым цитоскелетом внутри клеток. Жесткие матрицы индуцируют кластеризацию интегрина, прочные фокальные адгезии, активацию Rho и MAP киназы, что приводит к увеличению пролиферации и сократимости. ¹ Жесткость матрикса также регулирует дифференцировку. Например, на мягких матрицах мезенхимальные стволовые клетки способствуют нейрогенному пути, а на жестких – остеогенному пути.

ВКМ обеспечивает структурный каркас через сеть белок-белковых и белок-протеогликановых взаимодействий. Эти взаимодействия участвуют в формировании надмолекулярных ансамблей, таких как фибриллы коллагена и эластические волокна, в архитектуре тканей и во взаимодействиях между клетками и матриксом, которые регулируют рост и поведение клеток.

Клетки и ЕСМ имеют двустороннюю взаимную связь (). ^10,12 Клетки продуцируют, секретируют, откладывают и реконструируют ВКМ, опосредуя состав и топографию ВКМ. ВКМ, в свою очередь, передает сигналы через рецепторы ВКМ, чтобы влиять на характеристики и активность клеток. ¹³ Такой механизм обратной связи необходим для быстрой реакции клеток на изменения окружающей среды.

Открыть в отдельном окне

Схематическое изображение, демонстрирующее динамические перекрестные помехи между клетками и внеклеточным матриксом (ECM). Клетки секретируют и реконструируют ВКМ, а ВКМ способствует сборке отдельных клеток в ткани, влияя на этот процесс как на уровне рецепторов, так и на уровне цитоскелета. Опосредованная адгезией передача сигналов, основанная на способности клеток ощущать химические и физические свойства матрикса, влияет как на глобальную клеточную физиологию, так и на локальные молекулярные каркасы мест адгезии. Молекулярные взаимодействия в месте адгезии, в свою очередь, стимулируют сигнальный процесс, объединяя вместе структурные и сигнальные компоненты адгезисомы. (Из Geiger B, Yamada KM. Молекулярная архитектура и функция адгезии матрикса. Колд Спринг Харб Perspect Biol 2011;3:a005033. Copyright Cold Spring Harbour, 2014.)

Открыть в отдельном окне

Регуляция поведения клеток с помощью ВКМ. Эффекты, оказываемые на клетки ECM, могут быть по-разному опосредованы. ECM может напрямую связываться с различными типами рецепторов или корецепторов клеточной поверхности (красные, оранжевые, черные), тем самым опосредуя закрепление клеток и регулируя несколько путей, участвующих во внутриклеточной передаче сигналов и механотрансдукции. Кроме того, ECM может действовать за счет презентации неканонического фактора роста (голубой) и ремоделироваться под действием ферментов (желтый круг), которые могут высвобождать функциональные фрагменты (зеленый). (От Gattazzo F, Urciulo A, Bonaldo P. Внеклеточный матрикс: динамическая микросреда для ниши стволовых клеток. Биохим Биофиз Acta 2014;1840:2506–2519. Copyright 2014 Elsevier.)

Многофункциональный ECM теперь признан «нишей» для стволовых клеток (). ^13,14 Биология внеклеточного матрикса также имеет широкое применение в различных областях, от эмбрионального развития, заживления ран, фиброза, инвазии и метастазирования рака, диабета, заболеваний глаз, включая эксфолиативный синдром, до биомедицинской инженерии.

Открыть в отдельном окне

Гипотетическая модель взаимодействия ВКМ, интегринов и трансмембранных рецепторов в нише стволовых клеток. Взаимодействие ECM/integrin внутри ниши стволовых клеток способствует трем основным функциям: (1) закрепление клеточного матрикса, при котором интегрин-опосредованная клеточная адгезия физически закрепляет стволовые клетки на белках ECM. Посредством этих механизмов рецепторы факторов роста также могут активироваться по интегрин-зависимому механизму. (2) Резервуар для факторов роста и морфогенов: Связывание ECM растворимых факторов роста и морфогенов пространственно и во времени контролирует их взаимодействие с трансмембранными рецепторами. Взаимодействие интегрина с другими рецепторами регулирует передачу сигналов (Erk1/2, Akt, SMADs), сохраняя стволовость. (3) Биомеханическая жесткость. Взаимодействие ECM/интегрина воспринимает механические силы, что приводит к реорганизации цитоскелета и гомеостазу стволовых клеток. , факторы роста и их рецепторы; , морфогены и их рецепторы; , внеклеточный матрикс; , α и β интегриновые субъединицы; филаменты цитоскелета; СК: стволовая клетка. (Из Brizzi F, Tarone G, Defilippi P. Внеклеточный матрикс, интегрины и факторы роста как портные ниши стволовых клеток. Curr Opin Cell Biol 2012; 24:645–651. Copyright 2014 Elsevier.)

Автор выражает благодарность Национальному глазному институту (грант EY018828 и основной грант EY01792), Bethesda, MD; Фонд семьи Клесс, Нортбрук, Иллинойс; и Исследования по предотвращению слепоты, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

1. Лу П., Такай К., Уивер В.М., Верб З. Деградация и ремоделирование внеклеточного матрикса в процессе развития и заболевания. Колд Спринг Харб Perspec Biol. 2011;3:a005058. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

2. Мехам РО. Обзор внеклеточного матрикса. Curr Protoc Cell Biol. 2012;57:10.1.1–10.1.16. [Google Scholar]

3. Хайнс Р.О., Наба А. Обзор матрисомы. Перечень компонентов и функций внеклеточного матрикса. Колд Спринг Харб Перспект Биол. 2012;4:a004903. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

4. Ricard-Blum S. Семейство коллагенов. Колд Спринг Харб Перспект Биол. 2011;3:a004978. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

5. Esko JD, Kimata K, Lindahl U. Протеогликаны и сульфатированные гликозаминогликаны. В: Варки А., Каммингс Р.Д., Эско Дж.Д. и др., редакторы. Основы гликобиологии. 2. Глава 16 Колд-Спринг-Харбор: Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор; 2009 г.. [Google Scholar]

6. Дурбий М. Ламининьш. Сотовые Ткани Res. 2010; 339: 259–268. [PubMed] [Google Scholar]

7. Schwarzbauer JE, DeSimone DW. Фибронектины, их фибриллогенез и функции in vivo. Колд Спринг Харб Перспект Биол. 2011;3:a005041. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

8. Kozel BA, Mecham RP, Rosenbloom J. Elastin. В: Мехам РП, изд. Внеклеточный матрикс: обзор. Берлин Гейдельберг: Springer-Verlag; 2011. С. 267–299. [Академия Google]

9. Барчик М., Карраседо С., Гуллберг Д. Интегрины. Сотовые Ткани Res. 2010; 339: 269–280. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

10. Гейгер Б., Ямада К.М. Молекулярная архитектура и функция адгезии матрикса. Колд Спринг Харб Перспект Биол. 2011;3:a005033. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

11. Wolfenson H, Levelin I, Geiger B. Динамическая регуляция структуры и функций интегриновых спаек. Ячейка Дев. 2013; 11: 447–458. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

12. Дейли В.П., Ямада К.М. Опосредованная ЕСМ клеточная динамика как движущая сила морфогенеза тканей.