Протеогликаны и гликопротеины

Гелеобразная субстанция ВКМ сформирована протеогликанами и многодоменными клейкими гликопротеинами.

Протеогликаны прикрепляются к нитям гиалуронана, каждая из которых содержит более 25 тыс. мономеров гиалуроновой кислоты и может иметь длину в несколько десятков микрометром. Протеогликаны содержат длинные цепочки полисахаридов, которые при физиологических условиях отрицательно заряжены ковалентно присоединенными сульфатами и уронатами. Для каждого типа протеогликана есть многочисленные белки, которые специфически связываются с ним, и не менее многочисленные синтетазы, вовлеченные в производство цепей ГАГ и их присоединение к белковой сердцевине. Протеогликаны и соответствующие им гены классифицируются согласно ГАГ-цепям, и основные типы включают хондроитинсульфат- и дерматансульфат-протеогликаны (гены CSPG1, CSPG2, CSPG3, CSPG4, CSPG5, CSPG6, DPT, DSPG3 и др.) и гепарансульфат-протеогликаны (перлекан, ген HSPG2).

К первым принадлежат аггрекан, версикан, нейрокан, нейрогликан С, бамакан, бревикан, серглицин и другие (2-й и 3-й) протеогликаны секреторных гранул, хрящевой и синовиальный протеогликан-4, дерматопонтин, интерфоторецепторные матриксные протеогликаны и (при патологии) меланома-ассоциированный протеогликан. Ко вторым относятся перлекан, синдекан-1 и глипиканы 1-5.

Эти протеогликаны в различных органах вовлечены в образование основной структуры межклеточного геля и взаимодействия с клетками. Например, Синдекан-1 служит интегральным мембранным рецептором для белков ВКМ. Это протеогликан клеточных мембран, связывающий коллаген, фибронектин и тромбоспондин, он ассоциируется с актиновыми микрофиламентами клеток и определяет морфологию эпителиальных слоев.

Мутации в хондроитинсульфат-протеогликанах могут приводить к скелетной дисплазии и другим нарушениям. Так, дефект протеогликана-4 является причинным фактором синдрома CACP – камптодактилии-артропатии-coxa vara-перикардита (Gleghorn L., Ramesar R., Beighton P., Wallis G. 2005, Кадурина Т.И., Горбунова В.Н., 2009). Дефект аггрекана проявляется аутосомно-доминантной спондилоэпифизарной дисплазией Кимберлея с укорочением конечностей и туловища и ранней артропатией. Гепарансульфат-протеогликаны участвуют в клеточной адгезии, причем генетические дефекты в гене перлекана приводят к синдрому Шварца-Джампеля, то есть аутосомно-рецессивной хронической хондродистрофической миотонии и дисплазии лицевого скелета с нанизмом ( Nicole S., Davoine C.S., Topaloglu H., Cattolico L., Barral D., Beighton P., Hamida C.B., Hammouda H., Cruaud C., White P.S., Samson D., Urtizberea J.A., Lehmann–Horn F., Weissenbach J., Hentati F., Fontaine B. 2000).

Своеобразный «бульдожий» внешний вид характерен для лиц с мутациями гена глипикана-3. Отмечаются гиперстеническое телосложение, а с короткими верхними конечностями и толстыми короткими пальцами кистей, прогнатизм, широкий корень и вывернутый кончик носа, макроглоссия, короткая уздечка языка, полуоткрытый рот с толстыми губами, часто экзофтальм и нависающие веки, расщелины неба, большие уши, гепатоспленомегалия. Шея толстая и короткая, голова большая. Длина тела при рождении увеличена. В отличие от многих других остеохондродисплазий, рост и впоследствии бывает высоким, до 2 м, нижние конечности не укорочены. Может быть задержка психомоторного развития. Это известно как синдром Симпсона-Голаби-Розен-Бехмел или «бульдогоподобная дисплазия Симпсона».

У трансгенных мышей с экспрессией гена синдекана-1 в гипоталамусе получена спонтанная модель полифагического диэнцефального ожирения, напоминающая по проявлениям действие избытка меланоцит-стимулирующего гормона, а нокаутные по синдекану-3 мыши, напротив, устойчивы к развитию алиментарного ожирения и худы, но развивают гиперпластическую миопатию. Это показывает, что протеогликаны, особенно- опосредующие связь клеток и ВКМ, могут быть вовлечены в биорегуляторную сигнализацию или передачу сигналов.

Кератан-сульфатные богатые лейцином протеогликаны декорин (ген DCN) и люмикан (ген LUM) взаимодействуют с коллагеновыми волокнами и ограничивают их диаметр. Декорин регулирует в период органогенеза эпителиально-мезенхимальные взаимоотношения. Люмикан – модулятор упруго-жестких свойств сухожилий, он встречается в роговице, где обеспечивает ее прозрачность, а также в интерстициальном внеклеточном матриксе сердца, аорты, скелетной мускулатуры, кожи и межпозвоночных дисков. Трансгенные мыши с дефицитом люмикана демонстрировали уменьшение жесткости сухожилий, повышенную склонность к вывихам суставов и остеоартрит , а при дополнительной инактивации гена fmod проявляли черты синдрома Элерса-Данло (Jepsen K.J., Wu F., Peragallo J.H., Paul J., Roberts L., Ezura Y., Oldberg A., Birk D.E., Chakravarti S. 2002).

Ферменты, участвующие в биохимических модификациях и присоединении ГАГ к протеогликанам, могут значительно влиять на структуру внеклеточного матрикса. Например, дефицит ксилозил β–1,4–галактозилтрансферазы 7 (ген B4GALT7) связан с одной из форм синдрома Черногубова-Элерса–Данло (склонность к вывихам, хрупкая или гиперэластичная кожа, хрупкие кровеносные сосуды) (Jepsen K.J., Wu F., Peragallo J.H., Paul J., Roberts L., Ezura Y., Oldberg A., Birk D.E., Chakravarti S. 2002).

Коллаген-ассоциированные клейкие гликопротеиды и протеогликаны - это своеобразные молекулярные “переходники”, связывающие, с одной стороны, компоненты межклеточного вещества, а с другой - интегральные компоненты клеточных мембран. Такие возможности делают их главными сборочными узлами “конструктора” стромы. Многодоменные гликопротеины ВКМ включают фибронектин, ламинины и тенасцины. Данные белки состоят из десятков однородных структурных модулей (доменов), ковалентно связанных друг с другом с образованием цепей.

Фибронектин (кодируется геном FN1) участвует в адгезии клеток к ВКМ, а также в миграции клеток, заживлении ран, свертывании крови, реакциях иммунного ответа и множестве других процессов. Это основной гликопротеин (400 кД), имеющий две цепи, соединенные дисульфидными связями. Данный белок синтезируется макрофагами, фибробластами, эндотелиоцитами, гепатоцитами и другими клетками. Он присутствует в _-глобулиновой фракции сыворотки крови в концентрации около 180-720 мкг/л. Тканевой фибронектин представлен не только димерной формой, но и мономерами и менее водорастворим.

Фибронектин гомологичен животным лектинам. Это чрезвычайно многофункциональный белок. Он выполняет роль опсонина при фагоцитозе углеводсодержащих белков, в том числе, иммунных комплексов и фибрина, служит тромбогенным фактором и рецептором фибрин-стабилизирующего фактора при гемокоагуляции, участвует в маргинации и трансмиграции лейкоцитов и адгезии тромбоцитов, образовании белого тромба и агглютинации эритроцитов. Одновременно, фибронектину присущи и антитромбогенные потенции, в частности, он активирует фибринолитическую систему. Фибронектин – хемоаттрактант фибробластов, один из ведущих регуляторов репарации при воспалении, опосредует поддержание микроархитектуры тканей, прикрепление клеток к ВКМ и их взаимное узнавание. Мало того, фибронектин как один из негистоновых белков хроматина представлен внутри клеточных ядер (Zardi L. et al. 1979), что указывает на его вероятную роль в регуляции генетической активности. Фибронектин обеспечивает свои многообразные функции, комплементарно связывая ряд клеточных рецепторов и экстрацеллюлярных молекул. Фибробласты, тромбоциты, лейкоциты, гладкомышечные клетки и эндотелиоциты связываются с фибронектином через интегриновые рецепторы (см. Учебник т. I). При связывании они меняют форму, распластываются, повышают метаболическую и/или фагоцитарную активность, увеличивается их чувствительность к факторам роста. Это происходит вследствие интимной взаимосвязи - и -цепей интегринового рецептора с внутриклеточным цитоскелетом, передающим в клетку сигналы и управляющим ее формой и локомоцией (Zor U. 1983).

Факторы роста и другие аутакоиды и гормоны – через свои рецепторы, а также компоненты ВКМ – через фибронектин-интегриновые сочленения с цитоскелетом – передают сообщения внутрь клеток и регулируют их пролиферацию, дифференцировку и функции (рис. 15).

Рис. 15. Сорегуляторные влияния факторов роста и компонентов ВКМ на жизнедеятельность клеток (Kotran V. et al., 2005)

Интегрины распознают трипептид арг-гли-асп (RGD-пептид) в фибронектине. В то же время, в точке адгезии -цепь интегринового рецептора заякоривается на актиновые микрофиламенты клеток через белки талин и винкулин, а -цепь взаимодействует с ними через белок -актинин. Этот молекулярный замок универсален и, по-видимому, очень важен для нормальных взаимоотношений клеток и межклеточного вещества. По крайней мере, необратимое фосфорилирование винкулина по тирозиновому остатку при экспрессии некоторых онкогенов ведет к нарушению заякоривания злокачественных опухолевых клеток, вследствие чего они легко покидают свои места и метастазируют.

Рис. 16. Фибронектин как молекулярный адаптер (Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П., 2008)

Параллельно фиксации клеток, фибронектин способен связывать особыми участками своей поверхности фибрин, коллаген, гепарин, ДНК и протеогликаны, в частности, синдекан (рис. 15). Таким образом, фибронектин - центральная адаптерная молекула во всем феномене самосборки тканей. По-видимому, именно мутации фибронектинового гена, нарушая лучевость конечностей, приводят к таким аномалиям, как полидактилия.

Ламинины (гены LAMA1, LAMA2, LAMA3, LAMA4; LAMB1, LAMB2; LAMC1, LAMС2) это гликопротеины, важные для дифференцировки, адгезии и миграции клеток, главные адгезивные белки базальных мембран. Ламинины - крупномолекулярные (800-1000 кД) гликопротеины крестообразной формы, пронизывающие базальную мембрану. Их центральный домен распознается клеточными рецепторами, а боковые цепи связывают коллаген 4-го типа (см. ниже), протеогликаны и гепарансульфат. Подобные взаимодействия обеспечивают образование трубчатых структур при ангиогенезе и упорядочивают расположение пролиферирующих эндотелиальных клеток. Нейриты тоже фиксируются к молекулам ламинина, который участвует и в процессах синаптообразования в головном и спинном мозге. Не случайно при отравлении разновидностью чечевицы – чиной (латиризме) ее компоненты, -аминопропионитрилы, блокируют связывание сульфатированных гликозаминогликанов с коллаген-ассоциированными белками, в частности ламининами, что нарушает фиброгенез и сопровождается не только дезорганизацией соединительной ткани (остеолатиризм), но и неврологическими симптомами, связанными со склерозом проводящих путей и поражением гигантопирамидальных нейроцитов (нейролатиризм), причем нейролатиризм у человека даже доминирует в клинической картине. Как и в случае фибронектина, связывание ламинина клетками ведет к передаче внутрь них через фосфатидил-инозитоловые посредники и цитоскелет сигналов, влияющих на пролиферацию, дифференцировку, биосинтез компонентов межклеточного вещества, прикрепление, форму и подвижность клеток. Генетические дефекты в большинстве ламининов приводят к различным формам миодистрофии и, особенно, буллезного эпидермолиза. Последнее связано с утратой фиксации многослойного эпителия к его базальной мембране. Это приводит к пузырчатке на коже и в ротовой полости (см. «Механизмы»). Одна из форм наследственного буллезного эпидермолиза связана с дефектом ламинина-5. Интересно, что аутоантитела к этому же белку могут вызывать приобретенное сходное заболевание – рубцующий пемфигоид. С ламинином базальных мембран почечных клубочков перекрестно взаимодействуют аутоантитела к двуспиральной ДНК у некоторых больных системной красной волчанкой (см. ниже гл. **). Это способствует развитию у таких больных одной из форм волчаночного гломерулонефрита.

Тенасцины (гены TNXB, TNC), играют структурную роль и обеспечивают жесткость соединительной ткани, вовлечены в коллагено- и эластиногенез, а дефекты в тенасцинах могут проводить к разновидности синдрома Элерса–Данло и к синдрому доброкачественной суставной гипермобильности, при котором, в частности, имеется дефект тенасцина Х. Некоторые тенасцины (например, тенасцин С) это важные стимуляторы ангиогенеза. (Zweers M.C., Dean W.B., van Kuppevelt T.H., Bristow J., Schalkwijk J. 2005).

Тромбоспондин - гликопротеин, образующий комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, опосредует адгезию кровяных пластинок к субэндотелию и играет существенную роль в самосборке костной ткани.