Внеклеточный матрикс - Extracellular matrix

Внеклеточный матрикс
Extracellular Matrix.png
Иллюстрация, изображающая внеклеточный матрикс ( базальная мембрана и интерстициальный матрикс) по отношению к эпителию , эндотелию и соединительной ткани.
Подробности
Идентификаторы
латинский Матрица Extracellularis
Акроним (ы) ECM
MeSH D005109
TH H2.00.03.0.02001
Анатомические термины микроанатомии

В биологии , то внеклеточный матрикс ( ЕСМ ) представляет собой трехмерная сеть , состоящая из внеклеточных макромолекул и минералов, такие как коллаген , ферменты , гликопротеины и гидроксиапатит , которые обеспечивают структурную и биохимическую поддержку окружающих клеток. Поскольку многоклеточность развивалась независимо в разных многоклеточных клонах, состав ECM варьируется между многоклеточными структурами; однако клеточная адгезия, межклеточная коммуникация и дифференцировка являются общими функциями ЕСМ.

Внеклеточный матрикс животных включает интерстициальный матрикс и базальную мембрану . Интерстициальный матрикс присутствует между различными клетками животных (т. Е. В межклеточных пространствах). Гели полисахаридов и волокнистых белков заполняют интерстициальное пространство и действуют как буфер сжатия против напряжения, оказываемого на ECM. Базальные мембраны представляют собой пластинчатые отложения ВКМ, на которых покоятся различные эпителиальные клетки. Каждый тип соединительной ткани у животных имеет тип ВКМ: коллагеновые волокна и костный минерал составляют ВКМ костной ткани ; ретикулярные волокна и основное вещество составляют ECM рыхлой соединительной ткани ; а плазма крови - это ECM крови .

ECM растений включает компоненты клеточной стенки , такие как целлюлоза, в дополнение к более сложным сигнальным молекулам. Некоторые одноклеточные организмы принимают многоклеточные биопленки, в которых клетки встроены в ECM, состоящий в основном из внеклеточных полимерных веществ (EPS).

Состав

1: микрофиламенты 2: бислой фосфолипидов 3: интегрин 4: протеогликан 5: фибронектин 6: коллаген 7: эластин

Компоненты ЕСМ продуцируются внутриклеточно резидентными клетками и секретируются в ЕСМ посредством экзоцитоза . После секретирования они затем объединяются с существующей матрицей. ЕСМ состоит из взаимосвязанной сетки волокнистых белков и гликозаминогликанов (ГАГ).

Протеогликаны

Гликозаминогликаны (ГАГ) представляют собой углеводные полимеры и в основном прикрепляются к белкам внеклеточного матрикса с образованием протеогликанов (гиалуроновая кислота является заметным исключением; см. Ниже). Протеогликаны имеют чистый отрицательный заряд, который притягивает положительно заряженные ионы натрия (Na + ), который притягивает молекулы воды посредством осмоса, удерживая ECM и резидентные клетки гидратированными. Протеогликаны также могут улавливать и накапливать факторы роста в ECM.

Ниже описаны различные типы протеогликанов, обнаруженные во внеклеточном матриксе.

Гепаран сульфат

Гепарансульфат (HS) - линейный полисахарид, обнаруженный во всех тканях животных. Он представляет собой протеогликан (PG), в котором две или три цепи HS прикреплены в непосредственной близости к поверхности клетки или белкам ECM. Именно в этой форме HS связывается с множеством белковых лигандов и регулирует широкий спектр биологических активностей, включая процессы развития , ангиогенез , свертывание крови и метастазирование опухолей .

В внеклеточного матрикса, особенно базальных мембран , в мульти-домен белки перлекана , агрина и коллагена XVIII являются основными белками , к которому присоединен гепарансульфат.

Сульфат хондроитина

Сульфаты хондроитина способствуют прочности на разрыв хрящей, сухожилий , связок и стенок аорты . Также известно, что они влияют на нейропластичность .

Кератансульфат

Кератансульфаты имеют различное содержание сульфатов и, в отличие от многих других ГАГ, не содержат уроновой кислоты . Они присутствуют в роговице , хрящей, костей , и рога на животных .

Непротеогликановый полисахарид

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота (или «гиалуронан») представляет собой полисахарид, состоящий из чередующихся остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина, и, в отличие от других ГАГ, не встречается в качестве протеогликана. Гиалуроновая кислота во внеклеточном пространстве наделяет ткани способностью сопротивляться сжатию, обеспечивая противодействующую силу тургора (набухания) за счет поглощения значительного количества воды. Таким образом, гиалуроновая кислота в изобилии содержится в ECM несущих суставов. Это также главный компонент интерстициального геля. Гиалуроновая кислота находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещается из клетки во время биосинтеза.

Гиалуроновая кислота действует как сигнал окружающей среды, который регулирует поведение клеток во время эмбрионального развития, процессов заживления, воспаления и развития опухолей . Он взаимодействует со специфическим трансмембранным рецептором CD44 .

Белки

Коллаген

Коллагены - самый распространенный белок в ВКМ. Фактически, коллаген является наиболее распространенным белком в организме человека и составляет 90% белка костного матрикса. Коллагены присутствуют в ЕСМ в виде фибриллярных белков и обеспечивают структурную поддержку резидентным клеткам. Коллаген подвергается экзоцитозу в форме предшественника ( проколлагена ), который затем расщепляется протеазами проколлагена, чтобы обеспечить сборку внеклеточной ткани. Такие заболевания, как синдром Элерса-Данлоса , несовершенный остеогенез и буллезный эпидермолиз , связаны с генетическими дефектами генов, кодирующих коллаген . Коллаген можно разделить на несколько семейств в соответствии с типами структуры, которую они образуют:

  1. Фибриллярные (Тип I, II, III, V, XI)
  2. Фасад (Тип IX, XII, XIV)
  3. Короткая цепь (Тип VIII, X)
  4. Базальная мембрана (Тип IV)
  5. Другое (Тип VI, VII, XIII)

Эластин

Эластины , в отличие от коллагенов, придают эластичность тканям, позволяя им при необходимости растягиваться, а затем возвращаться в исходное состояние. Это полезно для кровеносных сосудов , легких , кожи и затылочных связок , и эти ткани содержат большое количество эластинов. Эластины синтезируются фибробластами и гладкомышечными клетками. Эластины очень нерастворимы, а тропоэластины секретируются внутри молекулы шаперона , которая высвобождает молекулу-предшественник при контакте с волокном зрелого эластина. Затем тропоэластины дезаминируются и включаются в эластиновую нить. Такие заболевания, как кутис-лакса и синдром Вильямса , связаны с дефицитом или отсутствием эластиновых волокон в ВКМ.

Внеклеточные везикулы

В 2016 году Huleihel et al. Сообщили о наличии ДНК, РНК и связанных с матрицей нанопузырьков (MBV) в биопластиках внеклеточного матрикса. Было обнаружено, что форма и размер MBV соответствуют ранее описанным экзосомам . Груз MBV включает в себя различные белковые молекулы, липиды, ДНК, фрагменты и миРНК. Подобно биокаффолдам ECM, MBV могут изменять состояние активации макрофагов и изменять различные клеточные свойства, такие как; пролиферация, миграция и клеточный цикл. MBV в настоящее время считается неотъемлемым и функциональным ключевым компонентом биокаффолдов ECM.

Белки клеточной адгезии

Фибронектин

Фибронектины - это гликопротеины, которые соединяют клетки с коллагеновыми волокнами в ECM, позволяя клеткам перемещаться через ECM. Фибронектины связывают коллаген и интегрины клеточной поверхности , вызывая реорганизацию цитоскелета клетки для облегчения движения клеток. Фибронектины секретируются клетками в развернутой неактивной форме. Связывание с интегринами разворачивает молекулы фибронектина, позволяя им образовывать димеры, чтобы они могли функционировать должным образом. Фибронектины также помогают в месте повреждения ткани, связываясь с тромбоцитами во время свертывания крови и облегчая перемещение клеток к пораженному участку во время заживления ран.

Ламинин

Ламинины - это белки, обнаруженные в базальных пластинках практически всех животных. Вместо того, чтобы формировать коллагеноподобные волокна, ламинины образуют сети тканеподобных структур, которые сопротивляются растягивающим силам в базальной пластинке. Они также способствуют адгезии клеток. Ламинины связывают другие компоненты ВКМ, такие как коллагены и нидогены .

Разработка

Существует множество типов клеток, которые способствуют развитию различных типов внеклеточного матрикса, обнаруживаемых во множестве типов тканей. Местные компоненты ВКМ определяют свойства соединительной ткани.

Фибробласты являются наиболее распространенным типом клеток в ЕСМ соединительной ткани, в котором они синтезируют, поддерживают и обеспечивают структурную основу; фибробласты секретируют компоненты-предшественники ЕСМ, включая основное вещество . Хондроциты находятся в хряще и образуют хрящевой матрикс. Остеобласты отвечают за формирование костей.

Физиология

Жесткость и эластичность

ECM может существовать с разной степенью жесткости и эластичности , от мягких тканей мозга до твердых костных тканей. Эластичность ECM может отличаться на несколько порядков. Это свойство в первую очередь зависит от концентраций коллагена и эластина , и недавно было показано, что оно играет важную роль в регулировании многочисленных функций клеток.

Клетки могут определять механические свойства окружающей среды, прикладывая силы и измеряя возникающий люфт. Это играет важную роль , поскольку она помогает регулировать многие важные клеточные процессы , включая сотовое сокращение, миграции клеток , клеточную пролиферацию , дифференцировку и гибель клеток ( апоптоз ). Ингибирование немышечного миозина II блокирует большинство этих эффектов, указывая на то, что они действительно связаны с восприятием механических свойств внебольничных клеток , что стало новым направлением исследований в последнее десятилетие.

Влияние на экспрессию генов

Разные механические свойства ЕСМ влияют как на поведение клеток, так и на экспрессию генов . Хотя механизм , с помощью которого это сделано не было полностью объяснено, адгезионными комплексы и актин - миозин цитоскелет , чей сократительной сила передается через трансцеллюлярную структуру , как полагает, играет ключевую роль в еще не обнаруженных молекулярных путях.

Влияние на дифференциацию

Эластичность ECM может направлять клеточную дифференцировку , процесс, с помощью которого клетка переходит от одного типа клеток к другому. В частности, было показано , что наивные мезенхимальные стволовые клетки (МСК) определяют родословную и связываются с фенотипами с крайней чувствительностью к эластичности на тканевом уровне. МСК, помещенные на мягкие матрицы, которые имитируют мозг, дифференцируются в нейроноподобные клетки, демонстрируя сходную форму, профили РНКи , маркеры цитоскелета и уровни факторов транскрипции . Точно так же более жесткие матрицы, имитирующие мышцы, являются миогенными, а матрицы с жесткостью, которые имитируют коллагеновую кость, являются остеогенными.

Дуротаксис

Жесткость и эластичность также определяют миграцию клеток , этот процесс называется дуротаксисом . Этот термин был придуман Lo CM и его коллегами, когда они обнаружили тенденцию отдельных клеток мигрировать вверх по градиентам жесткости (в сторону более жестких субстратов), и с тех пор активно изучается. Полагают , что молекулярные механизмы дуротаксиса существуют в основном в очаговой адгезии , большом белковом комплексе, который действует как первичный сайт контакта между клеткой и ECM. Этот комплекс содержит множество белков, которые необходимы для дуротаксиса, включая структурные закрепляющие белки ( интегрины ) и сигнальные белки (киназа адгезии ( FAK ), талин , винкулин , паксиллин , α-актинин , ГТФазы и т. Д.) , Которые вызывают изменения формы клеток и сократимости актомиозина. . Считается, что эти изменения вызывают перестройки цитоскелета , чтобы облегчить направленную миграцию .

Функция

Из-за своей разнообразной природы и состава ECM может выполнять множество функций, таких как обеспечение поддержки, отделение тканей друг от друга и регулирование межклеточной коммуникации. Внеклеточный матрикс регулирует динамическое поведение клетки. Кроме того, он изолирует широкий спектр факторов клеточного роста и действует как местный магазин для них. Изменения физиологических условий могут запускать протеазную активность, которая вызывает локальное высвобождение таких запасов. Это обеспечивает быструю и локальную активацию клеточных функций, опосредованную факторами роста, без синтеза de novo .

Формирование внеклеточного матрикса необходимо для таких процессов, как рост, заживление ран и фиброз . Понимание структуры и состава ECM также помогает в понимании сложной динамики опухоли инвазии и метастазирования в раковой биологии , как метастазы часто происходит разрушение внеклеточного матрикса с помощью ферментов , таких как сериновых протеаз , треонина протеаз и металлопротеиназ матрикса .

Жесткости и упругости ЕСМ имеет важное значение в миграции клеток , экспрессию генов и дифференцировки . Клетки активно ощущают жесткость ВКМ и преимущественно мигрируют в сторону более жестких поверхностей в явлении, называемом дуротаксисом . Они также обнаруживают эластичность и соответствующим образом корректируют экспрессию своих генов, что все чаще становится предметом исследований из-за его влияния на дифференциацию и прогрессирование рака.

В головном мозге, где гиалуронан является основным компонентом ВКМ, матрица проявляет как структурные, так и сигнальные свойства. Гиалуронан с высоким молекулярным весом действует как диффузионный барьер, который может локально модулировать диффузию во внеклеточном пространстве. При разрушении матрикса фрагменты гиалуронана высвобождаются во внеклеточное пространство, где они действуют как провоспалительные молекулы, регулируя реакцию иммунных клеток, таких как микроглия .

Клеточная адгезия

Многие клетки связываются с компонентами внеклеточного матрикса. Адгезия клеток может происходить двумя способами; посредством фокальных спаек , соединяющих ECM с актиновыми филаментами клетки, и гемидесмосом , соединяющих ECM с промежуточными филаментами, такими как кератин . Эта адгезия клетки к ECM регулируется специфическими молекулами клеточной адгезии на поверхности клетки (CAM), известными как интегрины . Интегрины - это белки клеточной поверхности, которые связывают клетки со структурами ECM, такими как фибронектин и ламинин, а также с белками интегринов на поверхности других клеток.

Фибронектины связываются с макромолекулами ЕСМ и облегчают их связывание с трансмембранными интегринами. Присоединение фибронектина к внеклеточному домену инициирует внутриклеточные сигнальные пути, а также ассоциацию с клеточным цитоскелетом через набор адапторных молекул, таких как актин .

Клиническое значение

Было обнаружено, что внеклеточный матрикс вызывает повторный рост и заживление тканей. Хотя механизм действия, с помощью которого внеклеточный матрикс способствует конструктивному ремоделированию ткани, все еще неизвестен, исследователи теперь считают, что связанные с матрицей нанопузырьки (MBV) являются ключевым игроком в процессе заживления. В человеческих зародышах, например, внеклеточный матрикс работает со стволовыми клетками, чтобы вырастить и отрастить все части человеческого тела, а плод может заново вырастить все, что повреждено в утробе матери. Ученые давно считают, что матрица перестает функционировать после полного развития. В прошлом он использовался для помощи лошадям в заживлении разорванных связок, но в настоящее время он исследуется как устройство для регенерации тканей у людей.

С точки зрения восстановления травм и тканевой инженерии внеклеточный матрикс служит двум основным целям. Во-первых, он предотвращает срабатывание иммунной системы в результате травмы и ответную реакцию воспалением и рубцовой тканью. Затем он помогает окружающим клеткам восстанавливать ткань вместо образования рубцовой ткани.

Для медицинских приложений требуемый ECM обычно извлекается из мочевого пузыря свиньи , легкодоступного и относительно неиспользуемого источника. В настоящее время он регулярно используется для лечения язв путем закрытия дыры в ткани, выстилающей желудок, но в настоящее время многие университеты, а также правительство США проводят дальнейшие исследования для раненых солдат. По состоянию на начало 2007 года испытания проводились на военной базе в Техасе. Ученые используют порошкообразную форму для ветеранов войны в Ираке, руки которых были повреждены на войне.

Не все устройства ECM поступают из мочевого пузыря. Внеклеточный матрикс, поступающий из подслизистой оболочки тонкой кишки свиньи, используется для восстановления «дефектов межпредсердной перегородки» (ASD), «открытого овального отверстия» (PFO) и паховой грыжи . Через год 95% коллагенового ВКМ в этих участках заменяется нормальной мягкой тканью сердца.

Белки внеклеточного матрикса обычно используются в системах культивирования клеток для поддержания стволовых клеток и клеток-предшественников в недифференцированном состоянии во время культивирования клеток и функции, индуцирующей дифференцировку эпителиальных, эндотелиальных и гладкомышечных клеток in vitro. Белки внеклеточного матрикса также можно использовать для поддержки трехмерной клеточной культуры in vitro для моделирования развития опухоли.

Класс биоматериалов, полученных в результате обработки тканей человека или животных для удержания частей внеклеточного матрикса, называется биоматериалом ЕСМ .

В растениях

Растительные клетки мозаичны, образуя ткани . Клеточная стенка является относительно жесткой структуры , окружающая клетки растения . Клеточная стенка обеспечивает боковую прочность, чтобы противостоять осмотическому тургорному давлению , но она достаточно гибкая, чтобы позволить клеткам расти, когда это необходимо; он также служит средством межклеточной коммуникации. Клеточная стенка состоит из нескольких слоев слоистого материала из целлюлозных микрофибрилл , внедренных в матрице из гликопротеинов , в том числе гемицеллюлозы , пектина и экстенсина . Компоненты гликопротеиновой матрицы помогают клеточным стенкам соседних растительных клеток связываться друг с другом. Селективная проницаемость клеточной стенки главным образом регулируются пектинами в матрице гликопротеина. Плазмодесмы ( единственное число : плазмодесма) - это поры, которые пересекают клеточные стенки соседних растительных клеток. Эти каналы жестко регулируются и избирательно позволяют молекулам определенного размера проходить между клетками.

У Pluriformea ​​и Filozoa

Внеклеточная функциональность матрицы животных (многоклеточная) , разработанная в общем предке в Pluriformea и Filozoa , после того , как Ichthyosporea расходились.

История

Важность внеклеточного матрикса признана давно (Lewis, 1922), но этот термин используется недавно (Gospodarowicz et al., 1979).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение