Внеклеточный матрикс

Внеклеточный матрикс представляет собой сеть интерстициальных белков, составляющий значительную часть любой ткани. Клеточные взаимодействия во внеклеточном матриксе имеют решающее значение для развития организма и заживления очагов повреждения, а также для поддержания нормальной структуры ткани (рис. 1.13).

Содержание

1. Функции внеклеточного матрикса
2. Интерстициальный матрикс и базальная мембрана
3. Компоненты внеклеточного матрикса

• Коллагены
• Эластин
• Протеогликаны и гиалуронан
• Адгезивные гликопротеины и рецепторы адгезии

Рис. 1.13. Взаимодействие внеклеточного матрикса и клеточных сигналов, опосредуемых фактором роста. Интегрины клеточной поверхности взаимодействуют с цитоскелетом в фокальных адгезионных комплексах (белковые агрегаты, которые включают в себя линкулин, α-актинин и талин, см. рис. 1.16, В). Это вызывает образование внутриклеточных мессенджеров или способствует передаче сигналов непосредственно в ядро. Рецепторы клеточной поверхности факторов роста активируют пути передачи сигнала, которые совпадают с сигналами, опосредованными интегринами. Сигналы, полученные от компонентов внеклеточного матрикса и факторов роста, могут преобразовываться клетками для ответной реакции в виде пролиферации, двигательной активности и/или дифференцировки

Функции внеклеточного матрикса

Матрикс не только «заполняет» межклеточное пространство, но также выполняет несколько ключевых функций:

• Механический каркас для прикрепления и миграции клеток, под держания их полярности.
• Контроль пролиферации клеток посредством связывания и представления факторов роста и сигналов через клеточные рецепторы семейства интегрина. Во внеклеточном матриксе содержатся многочисленные факторы роста в неактивном состоянии, которые могут активироваться в очагах повреждения и воспаления.
• «Каркас» для восстановления тканей. Поскольку для поддержания нормальной структуры ткани требуется базальная мембрана и стромальный каркас, сохранение целостности базальной мембраны или стромы в паренхиматозных органах имеет решающее значение для процесса регенерации. Иначе говоря, повреждение внеклеточного матрикса приводит к нарушению регенерации и заживления, например, цирроз печени развивается в исходе различных форм гепатита из-за коллапса стромы печени.
• Сохранение микроокружения в тканях. Базальная мембрана представляет собой границу между эпителием и подлежащей соединительной тканью; она не только поддерживает эпителий, но также активно функционирует; например, в почках базальная мембрана формирует часть аппарата фильтрации.

Интерстициальный матрикс и базальная мембрана

Внеклеточный матрикс постоянно подвергается ремоделированию; образование и разрушение компонентов внеклеточного матрикса сопровождают морфогенез заживления ран, хронического фиброза, опухолевого роста и метастазов. Внеклеточный матрикс существует в двух основных формах: интерстициальный матрикс и базальная мембрана (рис. 1.14).

• Интерстициальный матрикс присутствует в межклеточном пространстве соединительной ткани, между эпителиальными клетками и поддерживающими сосудистыми и гладкомышечными структурами. Интерстициальный матрикс синтезируется клетками мезенхимального происхождения (например, фибробластами), образуя трехмерный аморфный гель. Его основными компонентами являются фибриллярные и нефибриллярные коллагены, а также фибронектин, эластин, протеогликаны, гиалуроновая кислота и другие элементы (см. ниже).
• Базальная мембрана. Аморфный интерстициальный матрикс соединительной ткани преобразуются в организованные структуры, окружающие эпителиальные, эндотелиальные и гладкомышечные клетки, и формирует специализированную базальную мембрану. Базальная мембрана образуется совместными усилиями эпителия (находящегося поверх мембраны) и клетками мезенхимального происхождения (расположенными под мембраной), и формируется плоская пластинчатая структура, напоминающую сетку (ее называют «мембраной», хотя структура довольно пористая). Ее основными компонентами являются аморфные нефибриллярный коллаген 4-го типа и ламинин.

Рис. 1.14. Основные компоненты внеклеточного матрикса, в том числе коллагены, протеогликаны и адгезивные гликопротеины. Как эпителиальные, так и клетки мезенхимального происхождения (например, фибробласты) взаимодействуют с внеклеточным матриксом через интегрины. Базальные мембраны и интерстициальный внеклеточный матрикс имеют разную структуру, но общее строение, хотя и в том и в другом присутствуют те же компоненты. Многие компоненты внеклеточного матрикса (например, эластин, фибриллин, гиалуронан и синдекан) не включены в рисунок

Компоненты внеклеточного матрикса

Компоненты внеклеточного матрикса включают три группы белков (рис. 1.15):

• Волокнистые структурные белки — коллагены и эластины, которые обеспечивают прочность при натяжении и сжатии.
• Гели, поглощающие воду, — протеогликаны и гиалуронан, которые обеспечивают упругость и «смазку».
• Адгезивные гликопротеины, соединяющие компоненты внеклеточного матрикса друг с другом и клетками.

Рис. 1.15. Компоненты внеклеточного матрикса:

• А — фибриллярный коллаген и эластическая ткань. Сшитые вместе стержнеобразные молекулы коллагена образуют прочные нерастяжимые коллагеновые фибриллы. Эластин благодаря поперечным сшивкам образует растяжимые волокна и отличается большим числом гидрофобных сегментов, которые имеют шаровидную конфигурацию в состоянии покоя и приобретают овальную конфигурацию — при растягивании. При растяжении гидрофобные домены разворачиваются, но места сшивания сохраняют целостность молекулы; при устранении гидрофобные домены возвращают белкам сферическую форму;
• Б — протеогликановая структура. Отрицательно заряженные сульфатированные сахара на «щетинках» протеогликана притягивают натрий и воду для образования вязкого гелеобразного матрикса;
• В — регулирование основных функций факторов роста фибробластов (bFGF, FGF-2) внеклеточным матриксом и клеточными протеогликанами. Гепарансульфат связывает факторы роста фибробластов, секретируемые во внеклеточном матриксе. Синдекан представляет собой протеогликан клеточной поверхности с трансмембранным белком в центре и внеклеточными гликозамингликановыми боковыми цепями, которые связывают фактор роста фибробластов и цитоплазматический «хвост», взаимодействующие с внутриклеточным актиновым цитоскелетом. Синдекановые боковые цепи связывают фактор роста фибробластов, высвобождаемый из поврежденного внеклеточного матрикса, что облегчает взаимодействие фактора роста фибробластов с рецепторами на поверхности клетки

Коллагены

Состоят из трех отдельных полипептидных цепей, переплетенных между собой в тройную спираль, и напоминают канат. В настоящее время известна структура приблизительно 30 типов коллагена, и некоторые являются специфическими для определенных типов клеток и тканей.

Некоторые типы коллагенов (например, коллагены типов 1, 2, 3 и 4) образуют линейные фибриллы, которые прочно связываются межцепочечными водородными связями; такие фибриллярные коллагены составляют большую часть соединительной ткани в костях, сухожилиях, хрящах, кровеносных сосудах и коже, а также в рубцах. Прочность растяжения фибриллярных коллагенов зависит от бокового сшивания тройных спиралей ковалентными связями, что представляет собой необычную постгрансляционную модификацию, требующую гидроксилирования лизиновых остатков в коллагене ферментами лизилоксидазы. Лизилоксидаза представляет собой витамин С-зависимый фермент, поэтому при дефиците витамина С у детей возникают деформации скелета, а у взрослых плохо заживают раны и отмечается повышенная кровоточивость из-за «слабой» базальной мембраны. С генетическими дефектами коллагенов связаны такие заболевания, как несовершенный остеогенез и отдельные формы синдрома Элерса-Данло.

Нефибриллярные коллагены по-своему вносят вклад в структуру базальных мембран (коллаген 4-го типа); регулируют диаметр коллагеновых фибрилл и коллаген-коллагеновых взаимодействий через так называемые фибрилл-ассоциированные коллагены с прерывистыми тройными спиралями (например, коллаген 9-го типа в хрящах); обеспечивают крепление фибрилл в базальной мембране под многослойным плоским эпителием (коллаген 7-го типа).

Эластин

Способность тканей растягиваться и приобретать исходную структуру после физического воздействия связана с эластином. Эластичность особенно важна для сердечных клапанов и крупных кровеносных сосудов, которые должны приспосабливаться к постоянно пульсирующему кровотоку, а также для матки, кожи и связок. Строение эластических волокон представлено центральной эластической сердцевиной, окруженной переплетающейся сетью фибриллина. Нарушения образования фибриллина приводят к скелетным порокам и слабости стенки аорты при синдроме Марфана. Фибриллин также контролирует работу TGF-β.

Протеогликаны и гиалуронан

Протеогликаны образуют гели с высокой степенью гидратации, которые обеспечивают устойчивость к сжимающим силам; в суставном хряще протеогликаны также обеспечивают слой смазки между соседними костными поверхностями. Протеогликаны состоят из длинных полисахаридов, называемых гликозаминогликанами (примерами являются кератансульфат и хондроитинсульфат), связанных с основным белком; затем они связываются с длинным полимером гиалуроновой кислоты, называемым гиалуронаном, в форме, напоминающей щетинки на щетке из пробирки. Высокоотрицательно заряженные, плотно упакованные сульфатированные сахара привлекают катионы (в основном натрий) и большое количество молекул воды, образуя вязкую желатиноподобную матрицу. Помимо обеспечения сжимаемости тканей, протеогликаны также служат резервуарами для секретируемых факторов роста (например, FGF и HGF). Некоторые протеогликаны являются цельными белками клеточной мембраны, которые играют роль в пролиферации, миграции и адгезии клеток, например путем связывания и концентрации факторов роста и хемокинов.

Адгезивные гликопротеины и рецепторы адгезии

Это молекулы с различной структурой, по-разному осуществляющие связывание клеток между собой и внеклеточным матриксом, связывание компонентов внеклеточного матрикса (рис. 1.16). К прототипическим адгезивным гликопротеинам относятся фибронектин (основной компонент межклеточного матрикса) и ламинин (составляющая основа базальной мембраны). Интегрины представляют собой адгезионные рецепторы, также известные как молекулы адгезии клеток (САМ); к адгезивным молекулам относятся и члены семейства иммуноглобулинов — кадгерины и селектины.

• Фибронектин — крупный (450 кДа) дисульфид-связанный гетеродимер, который встречается в тканях и плазме крови; он синтезируется различными клетками, в том числе фибробластами, моноцитами и эндотелием. Фибронектины обладают специфическими доменами, которые связываются с отдельными компонентами внеклеточного матрикса (например, коллагеном, фибрином, гепарином и протеогликанами), а также могут прикрепляться к интегринам. В заживающих ранах тканевый и плазменный фибронектин образует каркас для внеклеточного матрикса, обеспечивает ангиогенез и реэпителизацию.
• Ламинин — гетеротример и самый распространенный гликопротеин базальной мембраны. Ламинин имеет большую молекулу (820 кДа) и крестообразную форму. Ламинин соединяет клетки с компонентами внеклеточного матрикса, такими как коллаген 4-го типа и гепарансульфат. Помимо содействия прикреплению к базальной мембране, ламинин может также регулировать пролиферацию клеток, дифференцировку и подвижность.
• Интегрины — большое семейство трансмембранных гетеродимерных гликопротеинов, включающих α- и β-субъединицы, которые способствуют присоединению клеток к компонентам внеклеточного матрикса (например, ламинину и фибронектину) и, таким образом, функционально и структурно связывают цитоскелет клетки с внешним миром. Кроме того, интегрины опосредуют межклеточные взаимодействия. Например, на поверхности лейкоцитов интегрины необходимы для прочного прикрепления к эндотелию и продвижения сквозь эндотелиальный барьер в очаг воспаления; они играют важную роль в агрегации тромбоцитов. Интегрины присоединяются к компонентам внеклеточного матрикса с помощью трипептидного комплекса, который включает аргинин-глицин-аспарагиновую кислоту. И, помимо перечисленных функций, рецепторы интегрина могут инициировать сигнальные каскады, которые влияют на двигательную активность клеток и пролиферацию, их форму и дифференцировку.

Рис. 1.16. Взаимодействия клетки с внеклеточным матриксом: адгезивные гликопротеины и сигналы интегрина:

• А — фибронектин состоит из дисульфид-связанного димера, включающего несколько отдельных доменов, которые позволяют связываться с внеклеточным матриксом и интегринами, в последнем случае с помощью комплексов аргинин-глицин-аспарагиновой кислоты (RGD);
• Б — крестообразная молекула ламинина является одним из основных компонентов базальных мембран; его многодоменная структура позволяет взаимодействиям коллагенов 4-го типа с другими компонентами внеклеточного матрикса и рецепторами клеточной поверхности;
• В — интегрины и интегрин-опосредованные сигналы в местных адгезионных комплексах. Каждый α- β-гетеродимерный рецептор интегрина представляет собой трансмембранный димер, который связывает внеклеточный матрикс и цитоскелет клетки. Он также связан с комплексом связующих молекул (например, винкулин и талин), которые могут набирать и активировать киназы и в конечном итоге вызывают последующие сигнальные каскады