Межклеточный матрикс что это такое
• Исследования внеклеточного матрикса и межклеточных контактов миновали четыре исторических этапа. Для каждого этапа была характерна определенная стадия технического прогресса, которая позволяла все более детальное изучение этих структур.
• Современные исследования в этой области направлены на выяснение вопроса, каким образом белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты управляют поведением клеток
Подобно другим разделам клеточной биологии, исследования внеклеточного матрикса и межклеточных контактов прошли через четыре исторических этапа. Первый этап начался в середине XVII в. и был связан с изобретением микроскопа, с помощью которого можно было наблюдать отдельные клетки. По мере разработки все более изощренных методов, позволяющих видеть субклеточные структуры, исследователи пришли к выводу о сложном строении поверхности и содержимого клетки.
Одновременно с развитием клеточной теории биологи начали понимать, насколько важную роль играют клетки в развитии сложных организмов. Стало возможным оценить на структурном уровне невероятную вариабельность форм, размеров и способов организации клеток в ткани. В середине XIX в. оформилась новая область биологии — гистология. Задачей гистологии стало исследование мельчайших структур (часто называемых ультраструктурами), составляющих ткани многоклеточных организмов.
Однако в картине, описывающей архитектуру ткани, отсутствовала одна деталь. Что находится в межклеточном пространстве? Главным образом изучали те структуры, которые можно было наблюдать с помощью микроскопа. Структурам, невидимым в микроскоп, уделяли меньше внимания. Под обычным, световым микроскопом, межклеточное пространство в большинстве тканей выглядело довольно слабо прокрашенным и имело аморфную структуру. В ранних гистологических описаниях о нем вообще нет упоминаний.
Вторая стадия началась в середине XX в., с появлением мощных световых и электронных микроскопов. При анализе в световом микроскопе препаратов тканей, окрашенных гистологическими красителями, было обнаружено, что внеклеточное пространство заполнено жидкой средой. В электронном микроскопе в этом пространстве была заметна сеть, состоящая из структурного материала. Более того, стало ясно, что на поверхности клеток формируются специальные контакты, которые взаимодействуют с этим материалом и друг с другом.
Наконец признали, что ткани состоят из клеток, жидкой среды и этого внеклеточного материала. Этой группе структурных материалов было дано название: внеклеточный матрикс. Однако с помощью микроскопа было невозможно рассмотреть отдельные компоненты внеклеточного матрикса.
Начало третьей стадии пришлось на 1970-е гг., когда было разработано много новых методов, позволяющих фракционировать, выделять и характеризовать отдельные компоненты клетки. По мере использования новых методов биохимии, генетики, молекулярной биологии и микроскопии, клеточная биология начала быстро развиваться. Например, разработка экспресс-методов секвенирования ДНК позволила исследователям секвенировать полностью геном у нескольких организмов. Таким образом, вероятно, что вскоре мы сможем идентифицировать у них каждый ген.
Используя эти методы для идентификации сотен белков, входящих во внеклеточный матрикс и составляющих межклеточные контакты, мы сталкиваемся со следующим важным вопросом: каковы функции этих белков? В настоящее время считается общепризнанным, что внеклеточный матрикс играет критическую роль не только в формировании трехмерной организации тканей, но также контролирует рост, подвижность, дифференцировку и взаимодействие входящих в них клеток.
Более того, эти функции регулируются контактами, посредством которых клетки соединяются друг с другом и с внеклеточным матриксом. В настоящее время основные усилия исследователей в этой области направлены на выяснение молекулярных механизмов, обеспечивающих эти функции, что составляет четвертый этап исследований внеклеточного матрикса и межклеточных контактов. В данной главе мы обсудим основные подходы, позволяющие разобраться в этих механизмах.
Процедура окрашивания красителями позволяет гистологам визуализировать особенности клеток в тканевых препаратах.
На фотографии представлен препарат эпителия, окрашенный гистологическими красителями для выявления формы и расположения клеток в эпителиальном слое. 
На электронных микрофотографиях видно, что межклеточное пространство заполнено волокнистым материалом.
На фотографиях видны коллагеновые фиблиллы в межклеточном пространстве между фибробластами в соединительной ткани (слева) и в роговице глаза (справа).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Межклеточный матрикс что это такое
• Межклеточные контакты представляют собой специализированные белковые комплексы благодаря которым соседние клетки вступают во взаимный контакт и сообщаются друг с другом
• Внеклеточный матрикс представляет собой плотную сеть, состоящую из белков, которая расположена между клетками и образована ими самими
• Клетки экспрессируют рецепторы для белков внеклеточного матрикса
• Белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты контролируют трехмерную организацию клеток в ткани, а также их рост, подвижность, форму и дифференцировку
Одним из наиболее важных событий в эволюции живых существ было появление многоклеточных организмов. Когда клетки выработали способ группироваться вместе, они приобрели способность образовывать сообщества, в которых различные клетки специализированы по функциям. Если, например, два одноклеточных организма «объединяют усилия», можно представить себе, что каждый из них будет специализироваться на выполнении определенных функций, необходимых для успешного роста и размножения, а остальные оставит своему партнеру.
Для образования простого многоклеточного организма или ткани более сложного организма клетки должны надежно прикрепляться друг к другу. Как показано на рисунке ниже, для клеток животных это прикрепление может достигаться тремя путями. Во-первых, клетки непосредственно прикрепляются друг к другу посредством образования межклеточных контактов, которые представляют собой специальные модификации клеточной поверхности соседних клеток. Эти контакты видны в электронном микроскопе. Во-вторых, клетки могут взаимодействовать между собой без формирования контактов, используя белки, которые не образуют такие специализированные области. В-третьих, клетки соединяются между собой непрямым образом, прикрепляясь к сети внеклеточного матрикса (ВКМ), который содержит молекулы, расположенные в межклеточной среде.
Прикрепление клеток происходит за счет образования контактов их поверхности с внеклеточным матриксом.
Однако формирование многоклеточного организма представляет собой не такую простую задачу, как скрепление нескольких клеток друг с другом. Правильное функционирование таких сообществ клеток обеспечивается их эффективным взаимодействием и разделением труда между ними. Межклеточные контакты представляют собой высокоспециализированные области, в которых клетки соединяются между собой посредством белковых комплексов, связанных с мембранами. Известно несколько различных типов межклеточных контактов, каждый из которых выполняет специфическую роль в сообщении клеток между собой.
Белки, образующие щелевые контакты, дают возможность клеткам непосредственно сообщаться друг с другом, образуя каналы, через которые происходит обмен малыми цитоплазматическими молекулами. Белки, формирующие плотные контакты, служат селективным барьером, который регулирует прохождение молекул через слой клеток и препятствует диффузии белков в плазматической мембране. Адгезивные контакты и десмосомы формируют механическую устойчивость, связывая цитоскелет контактирующих клеток, в результате чего слой клеток может функционировать как единое целое. Эти контакты могут служить передатчиками сигналов, переводя изменения клеточной поверхности в биохимические сигналы, которые распространяются по клетке.
Схемы строения межклеточных контактов эпителиальных клеток (слева),
контактных адгезивных комплексов клеток неэпителиального происхождения (справа) и комплексов клеток с внеклеточным матриксом (внизу).
Показаны также основные классы компонентов внеклеточного матрикса (ВКМ).
Известны также различные типы белков, которые участвуют в бесконтактном взаимодействии клеток. К таким белкам относятся интегрины, кадерины, селектины и родственные иммуноглобулинам молекулы, обеспечивающие адгезию клеток.
Все клетки, даже самые примитивные одноклеточные организмы, обладают функциями узнавания внешнего окружения и взаимодействия с ним. Даже до появления клеточных сообществ клетки должны были прикрепляться к поверхности и перемещаться по ней. Таким образом, адгезивные структуры клеточного матрикса сформировались рано в эволюции. Как показано на рисунке ниже, у многоклеточных организмов пространство между клетками заполнено плотной структурой, состоящей из белков и сахаров, которая называется внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс организован в виде волокон, слоев и пленочных структур.
В некоторых тканях внеклеточный матрикс находится в виде сложных слоев, которые называются базальной ламиной и непосредственно контактируют с клетками. Белки, входящие в состав внеклеточного матрикса, бывают двух типов: структурные гликопротеины, например коллаген и эластин, и протеогликаны. Эти белки придают тканям прочность и эластичность, а также служат селективным фильтром, контролирующим поток нерастворимых компонентов между клетками. Протеогликаны проявляют гидрофильные свойства и поддерживают между клетками водное окружение. Когда клетки мигрируют, внеклеточный матрикс функционирует как опорная структура, обеспечивающая их передвижение.
Клетки секретируют компоненты внеклеточного матрикса. Они сами образуют эту наружную опорную систему, и при необходимости могут изменять ее форму за счет деградации и замены окружающих участков матрикса. В настоящий момент вопросы контроля сборки и деградации внеклеточного матрикса представляют существенный интерес, поскольку они играют важную роль в развитии многоклеточных организмов, в заживлении ран, а также в образовании злокачественных опухолей.
Контакты клеток с внеклеточным матриксом образуются за счет рецепторных белков клеточной поверхности, которые, собираясь вместе, формируют на поверхности клеток структуры типа островков (patch) и которые связывают внеклеточный матрикс, расположенный с наружной стороны плазматической мембраны с цитоскелетом со стороны цитозоля. Так же как в случае некоторых межклеточных контактов, некоторые из этих белков образуют упорядоченные комплексы, соединяющие клеточную поверхность с цитоскелетом. Эти белки обладают гораздо более широкими функциями, чем просто «клеточные присоски»; они также участвуют во многих процессах передачи сигналов и обеспечивают клеткам возможность сообщаться друг с другом.
Различные клетки вместе со своим внеклеточным матриксом формируют ткани, для которых характерна высокая степень специализации. Хрящевая, костная и другие виды соединительной ткани могут противостоять сильной механической нагрузке, в то время как другие, например ткань, формирующая легкие, не отличаются прочностью, однако являются высокоэластичными. Баланс между прочностью, эластичностью и трехмерной структурой тщательно регулируется, и компоненты каждой ткани выполняют свои функции во взаимодействии друг с другом. Таким образом, организация и состав ткани соответствуют функции, выполняемой органом; например, мышцы совершенно отличаются от кожи, и слава Богу!
Межклеточные контакты и прикрепление клеток к матриксу не ограничены только клеточной поверхностью. Во многих случаях белки должны быть заякорены в мембране достаточно сильно для того, чтобы противостоять механическим усилиям. Для этого требуется их связывание с цитоскелетом, что в основном обеспечивает клетке структурную поддержку. Наличие цитоскелета также предотвращает латеральное смещение рецепторов в плоскости мембраны, «удерживая» их на своих местах. Наряду с этим, процессы передачи сигнала регулируют сборку межклеточных контактов и поддерживают их. Цитоскелет и сигнальные механизмы играют существенную роль в клеточной адгезии.
Последующие статьи на сайте подразделяется на темы, которые посвящаются рассмотрению основных классов молекул внеклеточного матрикса, таких представителей группы его рецепторов, как интегрины, роли этих рецепторов в процессах развития, а также структуре и функциям наиболее распространенных типов клеточных контактов.
На электронных микрофотографиях видно, что межклеточное пространство заполнено волокнистым материалом.
На фотографиях видны коллагеновые фиблиллы в межклеточном пространстве между фибробластами в соединительной ткани (слева) и в роговице глаза (справа).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Внеклеточный матрикс и его компоненты.
Внеклеточный матрикс (ВМК, англ. extracellular matrix, ECM) — внеклеточные структуры ткани (интерстициальный матрикс и базальные мембраны). Многокомпонентная субстанция, в которую погружены все клетки нашего организма. В последнее десятилетие интерес к внеклеточному матриксу значительно возрос. Это связано с установлением его роли в старении, клеточной дифференцировке, успешной терапии рака и лечении некоторых наследственных заболеваний.
Компоненты ВКМ синтезируют специализированные клетки. В соединительной ткани наиболее распространены фибробласты, но формировать ВКМ умеют и другие клетки: в хрящах, это хондроциты, а в костях — остеобласты. Компоненты матрикса могут синтезировать и клетки прилегающих органов: например, клетки эпителия сосудов производят компоненты рыхлой соединительной ткани.
Разрушители ВКМ. Порядок в ВКМ наводят белки — разрушители его компонентов. Наиболее важные из них, металлопротеиназы, «расчищают путь» клеткам, которые движутся в ВКМ, и уничтожают старые и «сломанные» компоненты матрикса.
Основное вещество ВКМ. Основу матрикса формируют гиалуроновая кислота и особые белки: гликопротеины и протеогликаны. В состав ВКМ входит и множество других белков со специфической функциональной нагрузкой.
В гликопротеинах доля углеводов не превышает 20%, углеводные цепи короткие, имеют нерегулярное строение и не содержат уроновых кислот. Это структурные белки, как коллаген и эластин. За счет самого распространенного структурного белка в организме — коллагена — ВКМ приобретает прочность, а за счет эластина — гибкость и эластичность.
Протеогликаны — сложные белки с высокой степенью гликозилирования, часто имеющие в своем составе уроновые кислоты. 90–95% массы такой молекулы составляют длинные углеводные цепи регулярного строения, а на белки приходится лишь 5–10%. Такое строение обуславливает высокую молекулярную массу протеогликанов. Протеогликаны запасают воду и полезные вещества. Выполняют функцию наполнителя (основного вещества). Благодаря полярной природе и сильному отрицательному заряду, они связывают катионы и основную часть воды. Играют роль межтканевых прослоек и смазочного материала в суставах.
Интегрины — трансмембранные клеточные рецепторы, которые взаимодействуют с матриксом и участвуют в межклеточной коммуникации. Благодаря этим контактам в клетках активируются сигнальные каскады, регулирующие экспрессию генов, отвечающие за пролиферацию и дифференцировку клеток, их выживание или апоптоз.
Межклеточный матрикс выполняет разнообразные функции:
Межклеточный матрикс имеет различные составные вариации и выполняет множество функций.
Базальная мембрана разделяет клетку и соединительную ткань (матрикс). Значит, практически все клетки вступают в контакт с матриксом напрямую. Базальная мембрана сформирована ламинином (светлая пластинка) и коллагеном 4 типа (темная пластинка), они объединены белком нидогеном (энтактином), из этих компонентов создана пространственная структура, обеспечены механическая поддержка и защита клеток.
Фибронектин – белок клеточной адгезии, гликопротеин, также отвечающий за структуру ткани, может формировать мультимерные цепочки. Участвует в адгезии, то есть сцеплении клеток. Они помогают клеткам закрепляться на поверхностях и отвечают за их рост и перемещение в ВКМ.
Также в базальной мембране содержатся молекулы протеина перлекана, занимающегося поддержкой физиологического (эндотелиального) барьера между кровеносной системой и центральной нервной системой. Участвует в нейромышечном соединении, отвечая за доставку нервных импульсов к мышечным клеткам. Обеспечивает защиту нервной ткани от находящихся в крови микроорганизмов, токсинов, клеточных и гуморальных факторов иммунной системы, которые воспринимают нервную ткань как чужеродную.
Далее располагается межклеточный матрикс или соединительная ткань. Его составляющие:
Эластин формирует трехмерную сеть белковых волокон. Она обеспечивает механическую прочность ткани, обеспечивает контакты между клетками, формирует пути миграции клеток, вдоль которых они могут перемещаться, изолирует разные клетки и ткани друг от друга.
Гиалуроновая кислота (ГК) синтезируется встроенными в мембрану белками и затем «выдавливается» через нее в межклеточное пространство. ГК помогает интегринам проводить сигналы в клетку, регулирует клеточный ответ на эти сигналы и дает клеткам возможность закрепляться на различных поверхностях. Она участвует в регенерации ткани. Содержится во многих биологических жидкостях, в том числе синовиальной, отвечает за вязкость соединительной ткани. В связке с аггреканом формирует устойчивость к компрессии. Это основной компонент биологической смазки и суставного хряща, в котором присутствует в виде оболочки каждой клетки (хондроцита).
Телефоны Учебного центра «Олта»: 8-812-248-99-34, 8-812-248-99-38, 8-812-243-91-63, 8-929-105-68-44
Связь клеток — связь времен
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Всем известно, что наш организм состоит из клеток. Триллионов клеток! Но задумывались ли вы, что скрепляет все эти клетки вместе и делает нас такими, какие мы есть? В единый организм массу клеток объединяют компоненты соединительной ткани, а конкретней, внеклеточного матрикса. Поговорим о том, какую роль внеклеточный матрикс играет в организме, а также о том, как человечество может использовать свои знания о нем для достижения столь желанной для многих людей цели — долгожительства.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Что такое внеклеточный матрикс и зачем он нужен?
Внеклеточный матрикс находится в основе соединительной ткани, которая, помимо всем известной функции каркаса нашего организма, выполняет и еще одну важную функцию — коммуникации или общения клеток друг с другом.
Давайте посмотрим на устройство жировой ткани в качестве примера. Главный ее компонент — жировые клетки, адипоциты. Их подавляющее большинство, но, как мы уже знаем, еще есть межклеточный матрикс, а также немного клеток-фибробластов (отвечают за обновление матрикса), предшественники адипоцитов (мало ли, понадобится новая клетка), иммунные клетки (в основном речь о макрофагах, которые любят пожирать ненужное) и какое-то количество нервных окончаний, артерий и вен. Схожее строение имеют многие другие ткани в человеческом организме.
Из чего же состоит матрикс? Его основу формируют гиалуроновая кислота, гликопротеины и протеогликаны. Гиалуроновая кислота — полимер, который состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и D-N-ацетилглюкозамина. Помимо межклеточного матрикса она является основным компонентом слюны и синовиальной жидкости и содержится в биологических смазках. Гликопротеины и протеогликаны имеют сложное строение: они состоят из белка и олигосахаридной цепи, однако по массе у протеогликанов углеводов существенно больше, чем у гликопротеинов. К данной группе белков относятся всем известный коллаген, который составляет основное большинство молекул матрикса, эластин, фибрин, компоненты базальных мембран (ламины) и еще некоторые другие молекулы.
Компоненты матрикса постоянно обновляются: старый матрикс расщепляется группой специальных ферментов (матриксными металлопротеиназами), а новые компоненты синтезируются специализированными клетками (например, фибробластами и хондроцитами). Некоторые компоненты матрикса обновляются быстро, но некоторые, например, коллаген и эластин, являются долгоживущими. Период полураспада коллагена в межпозвоночных дисках составляет целых 95 лет [1]. Поэтому логично, что они претерпевают различные химические изменения и накапливают повреждения.
Остановимся немного на металлопротеиназах. Они разрушают белки матрикса, тем самым позволяя ему обновляться и перестраиваться. В каталитический центр этих ферментов входит металл, чаще всего это цинк, реже — кобальт. Как и другие ферменты, они подразделяются на две группы — могут быть экзопептидазами (отщепляют аминокислоты от конца белка) и эндопептидазами (расщепляют белок внутри пептидной цепи). Они участвуют, например, в важных процессах жизнедеятельности мышц и ангиогенезе.
Обновление матрикса может помогать в заживлении ран и ожогов, в связи с чем ученые активно исследуют клетки, способные производить коллаген и эластин — основные белки матрикса. Главную роль здесь играют дермальные фибробласты. Экспериментально было показано, что фактор роста фибробластов 1 стимулирует развитие собственной ткани организма и помогает нанесенной ране эффективно закрыться (тем самым блокируя инфекцию и уменьшая образование рубцов). Использование фактора роста фибробластов, стимулирующего активность этих клеток, — более эффективно для заживления ткани, чем применение существующих тканевых герметиков, так как в результате образуется очень прочный коллаген типа I [2]. Он состоит из нескольких нитей, связанных в прочные фибриллы, и имеет уникальную трехспиральную структуру, которая повышает его целостность (рис. 1). Весьма перспективными являются исследования в области стимулирования работы фибробластов для выработки коллагена, ведь это может помочь не только в заживлении нанесенных ран, но и при реставрации стареющих тканей за счет синтеза новых компонентов межклеточного матрикса.
Рисунок 1. Структура коллагена I типа. Красная линия — коллаген I-альфа-I; синяя линия — коллаген I-альфа-II.
Поскольку матрикс в организме играет не только структурную роль, важно сказать, за счет чего осуществляется другая его важная функция — коммуникативная.
Основное место здесь занимают селектины — гликопротеины, которые пронизывают мембрану клетки и участвуют в процессе связывания клетки с матриксом и другими клетками. По своей природе они принадлежат семейству белков лектинов (отчего и сходство в названии), а значит, могут «склеивать» остатки углеводов на клеточной поверхности. Важно помнить, что селектины, как и другие лектины, участвуют не только в связывании клеток, но и во внутриклеточном сигналинге.
Все селектины активируются, прикрепляясь к особым гликопротеиновым и гликолипидным лигандам на поверхности клетки. Также важно знать, что они играют важную и хорошо изученную роль в рекрутинге («вербовке») и миграции лейкоцитов в места воспаления. Это делает селектины незаменимыми не только для связывания клеток между собой, но и для формирования иммунного ответа. Почему это для нас важно, расскажем немного позднее.
Нарушения в процессе активации селектинов (например, повышенный уровень их с лигандами), могут привести к обострению различных заболеваний, включая атеросклероз, рестеноз, тромбоз глубоких вен и запуск метастазирования опухолей. А значит, в некоторых случаях искусственная блокировка селектинов может облегчить течение заболевания [4].
Как связаны старение организма и изменения во внеклеточном матриксе?
Возрастное ремоделирование матрикса
Свойства матрикса достаточно сильно влияют на работу клеток, в частности, на их развитие и дифференцировку. Клетки «чувствуют» степень жесткости матрикса при помощи различных механорецепторов. Поэтому растущая с возрастом жесткость матрикса и изменения в его структуре влияют на работу клеток, на их способность к адгезии, на миграцию стволовых клеток и на другие аспекты их поведения [5].
Негативные изменения в матриксе связывают в первую очередь с таким химическим процессом, как гликирование белков (рис. 2), и в меньшей степени с накоплением рацематов аминокислот [6]. Эти процессы довольно опасны. Накопление рацематов межклеточного матрикса в нервной ткани мозга может, например, приводить к нарушению его функционирования [5], что, вероятно, и происходит при когнитивных заболеваниях пожилых людей.
Рацемат смесь двух оптических вариантов молекул, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга, несовместимые в пространстве.
Гликирование белков может значительно изменять свойства коллагена I типа — он становится устойчив к ферментативному ремоделированию и из-за этого между волокнами коллагена формируются сшивки, что увеличивает жесткость матрикса [1]. Такое увеличение связывают с развитием ряда возрастзависимых заболеваний: повышением толщины и жесткости стенок сосудов [8], возрастными изменениями сердца [9], онкологическими [10] и нейродегенеративными заболеваниями [11].
Рисунок 2. Схематичное изображение процесса гликирования белков
Сам процесс гликирования представляет собой неферментативное присоединение моносахаридов (глюкозы, фруктозы или их производных) к свободной аминогруппе белка. Химическое названия данной реакции — реакция Майара.
Биологическое предназначение гликирования — индукция синтеза провоспалительных цитокинов [12], регуляция апоптоза [13], участие в регуляции времени жизни белков [14].
Однако в целом это процесс для организма не очень полезный (зато весьма полезен при жарке стейка!), так как, например, в результате него образуется большинство повреждений тканей при сахарном диабете [15]. Кроме этого гликирование может приводить к нарушению функций и структуры митохондрий и окислительному стрессу [16]. Повышенное содержание продуктов гликирования было определено в нервных клетках пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера [17], что указывает нам на участие рассматриваемого процесса в патогенезе этой тяжелой болезни.
Совсем недавно был открыт новый механизм образования сшивок в матриксе (рис. 3). Он включает в себя первоначальное спонтанное расщепление по остатку аспарагина в белке со ступенчатым расщеплением С-концевого сукцинимида, что в конечном итоге приводит к образованию ангидрида. Нуклеофильная «атака» на этот ангидрид боковой аминогруппой лизина приводит к образованию ковалентной изопептидной связи. Любой остаток аспарагина в белке, по-видимому, является потенциальным сайтом такого ковалентного сшивания (рис. 3) [18].
Рисунок 3. Один из механизмов образования сшивок в матриксе
Очень важно в контексте гликирования белков межклеточного матрикса упомянуть о таком явлении, как инфламмэйджинг.
Инфламмэйджинг — это развитие хронического воспаления низкого уровня в пожилом возрасте. Оно опасно тем, что усугубляет течение таких сенильных заболеваний, как атеросклероз, диабет второго типа, болезнь Альцгеймера и других патологий [19]. Гликированные продукты белков межклеточного матрикса активно привлекают макрофагов — значимых участников воспалительных процессов. В результате концентрация макрофагов в ткани увеличивается, и в ней развивается повышенный уровень воспаления [20].
Так как же быть?
Поскольку проблема повреждения тканей из-за протекающего в них процесса гликирования проявляется в контексте многих заболеваний, ученые активно ищут пути ее решения. Уже идут подбор и разработка веществ, которые могли бы ингибировать этот процесс или поворачивать его вспять. Рассмотрим некоторые из них.
Рецепторы RAGE представляют собой иммунные рецепторы из семейства иммуноглобулинов и активируются в ответ на КПГ, амилоиды и продукты клеточной гибели. RAGE-рецепторы обильно производятся в жировой ткани и участвуют в регуляции инсулинового сигналинга. Существует гипотеза, что первоначальная роль RAGE-рецепторов в эволюции гоминидов была связана с формированием экономного фенотипа с ускоренным набором жировой массы, что противодействовало голодной смерти.
Способность блокировать RAGE-рецепторы обнаружена и у некоторых искусственно созданных аминокислот [22], а также у дейтерированных полиненасыщенных жирных кислот [23], хебуловой кислоты [24], кверцетина [25] и молекулы GLY-230 [26]. Однако у такого подхода есть недостатки — в низких концентрациях эти блокаторы оказываются неэффективными, а в высоких — токсичными. Систему, однако, можно модифицировать, подбирая комбинации компонентов, которые в совокупности будут действовать также эффективно, но из-за более низких концентраций будут менее ядовиты.
Амадориаза — фермент, действующий на низкомолекулярные соединения аминокислот с сахарами. Был обнаружен у грибов и бактерий [29].
Компания «Альтеон» даже создала первое лекарство против различных сшивок в межклеточном матриксе — «Алагебриум». Оно способно разрезать сшивки, образованные при помощи α-дикетона. Однако лекарство не имело большого успеха, поскольку таких сшивок в матриксе оказалось не слишком много, и основная проблема повышения его жесткости с помощью препарата не решалась.
Совсем недавно появилась статья, в которой предлагается использовать 4-фенилбутират натрия в качестве агента против гликирования [30]. Механизм его действия точно неизвестен, однако предполагается, что он может связываться с альбумином и предотвращать его взаимодействие с глюкозой, что и является начальным этапом гликирования. Так 4-фенилбутират натрия становится потенциальным участником на поле борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, атеросклерозом, диабетом, гиперлипидемией и другими возрастзависимыми недугами.
Очень интересный способ «отменить» гликирование показала группа исследователей, которая предложила использовать фермент под названием MnmC для обратного гликированию процесса. Этот фермент в природе участвует в процессе модификации тРНК бактерий [31]. Возможно, именно такого рода открытие и станет отправной точкой в терапии болезней, в патогенезе которых играет роль процесс гликирования.
Круговая порука или ренин-ангиотензин-альдостероновая система
Однако выяснилось, что с процессами в изменении структуры матрикса также связана активность РААС — ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (рис. 4).
РААС отвечает за регуляцию давления и распределения крови в организме человека. Краткий механизм ее действия таков: гормон ренин (вырабатывается в почках) отщепляет от гормона ангиотензиногена (вырабатывается в печени) кусочек, в результате чего образуется неактивный ангиотензин I. В клетках эндотелия легочных капилляров ангиотензин I гидролизуется ангиотензинпревращающим ферментом, который отщепляет от него еще кусочек. В результате образуется активный ангиотензин II. Он — мощный вазоконстриктор, то есть способен влиять на сокращение сосудов. Таким образом образуется цепь реакций, которая регулируется большим количеством звеньев.
Рисунок 4. Схема работы РААС
Постоянная и чрезмерная активация РААС, например, при избыточном синтезе ангиотензиногена в печени, играет существенную роль в патологической гипертрофии и ремоделировании сердца при старении. Активация рецептора к антигиотензину II AT1, который представлен на поверхности клеток многих тканей (сердце, почки, нервная система и др.), вызывает чрезмерные ответы в кардиомиоцитах и синтез белка внеклеточного матрикса в фибробластах сердца. Последствия этих процессов печальны — функции сердца сильно страдают [32–36]. Кроме непосредственно изменения в структуре сердечной ткани, благодаря действию РААС могут индуцироваться различные клеточные ответы в сосудистой стенке, что приводит к прогрессированию атеросклеротического процесса — одной из серьезных проблем пожилых людей [37], [38].
Решение этой проблемы уже проглядывается — опыты с животными показали, что фармакологическое ингибирование компонентов РААС приостанавливает увеличение количества компонентов матрикса, приводящее к фиброзу, а значит, и патологические процессы в тканях сердца [39].
В фибробластах сердца ангиотензин II повышает синтез коллагена, фибронектина, ламинина и остеопонтина. Гладкомышечные клетки сосудов, стимулированные ангиотензином II, демонстрируют увеличение количества мРНК коллагена, фибронектина, ламинина и тенасцина. Помимо всего этого гормон также стимулирует синтез коллагенов, фибронектина и ламинина мезангиальными клетками в почках [39], [40].
TGF-β — многофункциональный цитокин, который участвует в процессах клеточной дифференцировки и пролиферации, иммуном ответе, а также играет важную роль в регуляции сборки и ремоделирования внеклеточного матрикса.
TGF-β, продукцию которого стимулирует ангиотензин II, стимулирует синтез коллагенов, фибронектина и протеогликанов и выработку протеаз, которые ингибируют распад матрикса. Постоянная активация рецепторов TGF-β приводит к аномальному накоплению соединительной ткани, связанному с фиброзными патологиями почек и сосудов [42–44], Кроме того, продукция TGF-β может индуцироваться при увеличении количества рецепторов RAGE [45]. То есть повышение выработки этого цитокина может быть прямым следствием процессов гликирования. Возможно, если получится изобрести препарат, который «отменял» бы гликирование, то вред, причиняемый большими количествами TGF-β, тоже снизится [46–48].
Митохондрии и матрикс — продолжение истории
Работа митохондрий и матрикса тесно связаны друг с другом посредством работы цитоскелета.
Цитоскелет — внутриклеточный каркас, который регулирует форму клетки под влиянием внешних воздействий, поддерживает внутриклеточный порядок, участвует в движении клеток и в ряде других процессов.
Для обновления белков основных структур цитоскелета (микрофиламентов, промежуточных филаментов, микротрубочек), требуется энергия аденозинтрифосфата (АТФ). Поэтому митохондрии в клетке постоянно двигаются, собираясь в местах, где высока потребность в АТФ. В свою очередь, правильная организация скелета клетки очень важна для нормального функционирования митохондрий — они тесно взаимодействуют с ним для поддержания своей морфологии. Ангиотензин II нарушает нормальную организацию цитоскелетных филаментов, что негативно сказывается на работе митохондрий [49].
Как же взаимосвязаны изменение матрикса, нарушение работы цитоскелета и митохондрий? Поскольку ангиотензин II способен вызывать изменения в синтезе компонентов межклеточного матрикса, то изменяется и цитоскелет клетки.
Известно, что эндотелиальные клетки, находящиеся внутри более жесткого матрикса имеют более долго образующиеся, однако более прочные микротрубочки, в то время как клетки, находящиеся в менее жестком матриксе, образуют не такие прочные микротрубочки, которые растут быстрее [50]. Они же в свою очередь очень важны для функционирования митохондрий: при их «разборке» митохондрии теряют свою подвижность, что отрицательно сказывается на их структуре и нарушает энергетическую систему в клетке [51].
Также TGF-β может вызывать дисфункцию митохондрий. Так, этот фактор инициирует остановку роста и приобретение фенотипов старения в эпителиальных клетках легких, снижая активность митохондриального комплекса IV — цитохром-С-оксидазы. Цитохром-C-оксидаза замыкает дыхательную цепь, перенося электроны на кислород. Снижение активности комплекса приводит к утечке электронов и образованию активных форм кислорода. Активные формы кислорода (АФК) — постоянно образующиеся в клетке метаболиты кислорода, а именно: его ионы, свободные радикалы и перекиси. Их особенность в том, что они очень высокореактивны за счет того, что на их внешнем электронном уровне присутствует неспаренный электрон. АФК в норме участвуют в иммунных реакциях и некоторых метаболических путях, но при избытке могут привести к окислительному стрессу клетки. Окислительный стресс потенциально является причиной некоторых старческих заболеваний, например, болезни Альцгеймера [56], атеросклероза [57], болезней повреждения митохондрий [58].
Рисунок 5. Транспорт TGF-β-рецепторов. Комплексы рецепторов TGF-β, находящиеся в областях мембран, которые образуют окаймлённые ямки (серая линия), интернализуются, возможно, под действием динеинов вдоль микротрубочек и локализуются в эндосомах. Фосфорилирование R-Smad стимулируется в эндосомах на основе действия эндоцитарного белка SARA, что приводит к транскрипционной сигнализации. Эндосомальные рецепторы могут рециркулировать обратно в плазматическую мембрану или переходить в лизосомы, где лиганд-рецепторный комплекс деградирует (красный крест). Комплексы рецепторов TGF-B, находящиеся в области мембраны, называются липидными рафтами (белая линия), связываются со Smad7 и Smurf убиквитинлигазами и интернализуются в кавеолы. Эти комплексы рецепторов переходят в лизосомы для последующей деградации, и участвуют ли они в передаче сигнала, остается неизвестным. Возможность взаимодействия между эндосомальным рецепторным пулом и кавеолярным рецепторным пулом не установлена и отмечена двойной стрелкой со знаком вопроса.
Совсем недавно ученые описали митохондриально-матриксный путь в развитии саркопении, одной из патологий, возникающих в пожилом возрасте. При саркопении происходят патологические изменения мышечных волокон, приводящие к атрофии скелетных мышц. Препаратов, эффективных в лечении саркопении, пока, к сожалению, не разработано. Известно, что в развитии саркопении важную роль играет нарушение функционирования митохондрий [59]. Такая дисфункция митохондрий приводит не только к энергетическому дефициту клеток мышц, но и может запускать апоптоз мышечных клеток и иннервирующих их двигательных нейронов [60]. Изменения внеклеточного матрикса, в частности, «старение» коллагена [61], [62] и увеличение активности матриксных металлопротеиназ [63], также, несомненно, участвуют в развитии саркопении, хотя точных молекулярных механизмов действия этих факторов на данный момент нет. Также пока что не было предложено и единого механизма, который связал бы эти возрастные изменения в одну модель,
Годом ранее команда А. Мелуан показала, что некий белок SPARC влияет одновременно и на изменения состава внеклеточного матрикса, и на функцию митохондрий в мышечных клетках [64].
Белок SPARC (аббревиатура переводится как «секретируемый белок, богатый цистеином») также известен как остеонетин и является кальций-связывающим матрично-клеточным гликопротеином [65].
В мышцах SPARC синтезируется при строительстве или заживлении мышечной ткани. А еще SPARC обладает способностью связываться с коллагенами разных типов, за счет чего он влияет на перестройку и формирование внеклеточного матрикса [66]. Что касается митохондрий, то этот белок влияет на их развитие путем взаимодействия с индуктором биогенеза митохондрий белком AMPK (протеинкиназы, активированной аденозинмонофосфатом) [67].
В другой свежей работе описана взаимосвязь нарушения функций митохондрий и вызванного этим переизбытка кальция с нарушением структуры внеклеточного матрикса в мышцах. Было бы удивительно, если бы наш «герой» ангиотензин II не поучаствовал вместе с дисфункцией матрикса и митохондрий в потере мышечной массы [68]. И это действительно так, что показано в работе японских исследователей [69]. Кроме того, не обошлось без участия белка SPARC. Схема их непростых взаимодействий представлена на рисунке 6.
Рисунок 6. Влияние белка SPARK на синтез внеклеточного матрикса и на репликацию и транскрипцию мтДНК. Условные обозначения: АМФ — аденозинмонофосфат; АТФ — аденозинтрифосфат; ВКМ — внеклеточный матрикс; AMPK — аденозинмонофосфаткиназа; ILK — интегрин-связанная киназа; GSK-3β — 3-бета-киназа гликогенсинтазы; PGC1α — 1-альфа-коактиватор рецептора гамма, активируемого пролифератором пероксисом.
Общая цепь событий может быть представлена таким образом: повышенная продукция ангиотензина II в организме → дисфункция митохондрий и окислительный стресс → нарушение гомеостаза кальция → нарушение структуры внеклеточного матрикса → дистрофия мышц → саркопения.
Когда стоит поберечь жир?
Жир порой бывает весьма полезен для организма. Его повреждение может приводить к очень неприятным последствиям. Давайте поговорим об этом более подробно.
Перекисное окисление липидов — это повреждение полиненасыщенных жирных кислот свободными радикалами, которое происходит в митохондриальных и клеточных мембранах. Двойные связи полиненасыщенных жирных кислот особенно чувствительны к воздействию свободных радикалов, так как легко «разрываются», присоединяя их, и образуют диальдегиды, пероксиды и другие продукты окисления. Все это запускает цепную реакцию окисления липидов. Перекисное окисление липидов происходит, в первую очередь, во внутренней мембране митохондрий, которая находится в активном контакте со свободными радикалами, а также в клеточной мембране нейронов. Этот процесс изменяет физические свойства мембран, их текучесть и работу электрон-транспортной цепи митохондрий. Продукты перекисного окисления токсичны и повреждают важнейшие долгоживущие молекулы — некоторые белки (гистоны, белки ядерных пор, структурные белки) и ДНК [71]. Ряд исследований указывает на количественную связь между процессом перекисного окисления липидов и образованием поперечных сшивок белков матрикса [72]. Так, например, один из продуктов перекисного окисления липидов, малондиальдегид, образует такое же количество сшивок с белками, как и глюкоза, что было показано в экспериментах in vitro [72]. Долгоживущие виды животных имеют в составе своих клеток меньше полиненасыщенных кислот, чем короткоживущие. В связи с этим можно предположить, что они не только в меньшей степени страдают от перекисного окисления липидов, но и имеют более замедленный, за счет уменьшения реакционной способности жирных кислот, процесс изменения белков внеклеточного матрикса. Из всего это следует, что процесс окисления жирных кислот отрицательно влияет на состояние внеклеточного матрикса, что, как мы уже знаем, приводит к неприятным последствиям — старению тканей, их фиброзу и нарушению их функций.
Тут на помощь нам могут прийти антиоксиданты. Основных механизмов их действия для предотвращения перекисного окисления липидов три:
Таким образом, в перспективе преодоления этой проблемы антиоксиданты могут оказаться действительно полезными в предотвращении некоторых признаков старения.
Почему ломит кости?
Наверняка вы слышали, что пожилые люди часто жалуются на то, что у них ломит кости. А вы задумывались, почему так происходит и как можно этого избежать? Удивительным образом тут тоже замешан внеклеточный матрикс.
Начнем издалека: в костях активно происходит кроветворение, или гемопоэз. В старении гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) очень важную роль играет их микроокружение в костном мозге — так называемая ниша ГСК. Она состоит из мезенхимальных стволовых и эндотелиальных клеток. Так вот, старение мезенхимальных клеток этой ниши влияет и на ГСК. По мере прогрессирования этого процесса мезенхимальные клетки все слабее и слабее проявляют свои регенеративные способности. Некоторые исследователи показали, что это может даже привести к развитию воспаления и прогрессированию рака [73].
Но нам в данном случае важнее, что процессы старения стимулируют мезенхимальные стволовые клетки превращаться в жировые клетки (адипоциты) в ущерб развитию клеток костей [3], [7]. Это именно тот случай, когда жир совсем не полезен для здоровья организма. Активный адипогенез в старом костном мозге нарушает восстановление предшественников клеток крови, состав внеклеточного матрикса, образование кости и последующее восстановление переломов, что характерно для пожилых людей [41], а также способствует возникновению остеопороза [52], [53]. Как мы видим, нарушение функционирования внеклеточного матрикса внутри кости опосредованно способствует «ломкости» костей.
Подведем итоги
Внеклеточный матрикс — динамический внеклеточный компонент организма, который постоянно ремоделируется в ответ на различные стимулы и подвержен существенным изменениям в ходе старения организма. Его компоненты регулируют различные клеточные процессы, включая клеточную пролиферацию, выживание, дифференцировку и миграцию.
Внеклеточный матрикс состоит из множества белков. Самые распространенные из них — коллаген и эластин. Это довольно долгоживущие белки и, как следствие, особенно чувствительные к накоплению неферментативных посттрансляционных модификаций и фрагментации в результате ферментативного расщепления (как коллаген в старой коже). По современным представлениям, большинство продуктов посттрансляционных модификаций матричных белков образуют КПГ. Хотя остается еще много неясного о самом характере изменений, происходящих в матриксе. Например, продукт карбамилирования белков матрикса, гомоцитруллин, также часто встречается в стареющем матриксе и вносит свой вклад в изменение его функций. По мнению некоторых ученых, этот процесс может быть таким же весомым, как и гликирование [54]. Изменения матричных белков в процессе старения очень сильно влияют на функции матрикса, воздействуя на другие биологически активные молекулы. Так, активация сигнальных каскадов после взаимодействия КПГ с рецепторами RAGE приводит к многочисленным нарушениям функции клеток, в том числе к воспалительным и окислительным процессам с формированием замкнутых петель обратной связи. RAGE, как сейчас известно, участвует в развитии почти всех возрастных патологий, включая диабет, хроническое заболевание почек, сердечно-сосудистые заболевания, рак, болезнь Альцгеймера и Паркинсона.
Все эти изменения в старом внеклеточном матриксе могут напрямую влиять на его механическую и структурную роли. Как следствие, запускаются нежелательные процессы: истощение пула стволовых клеток, клеточное старение, нарушение межклеточной коммуникации, геномная нестабильность и дисфункция митохондрий. Кроме того, возрастная дисфункция матрикса напрямую связана с возрастными отклонениями и патологиями: нарушением целостности барьеров (кишечного и гематоэнцефалического), фиброзом, сердечно-сосудистыми и нейродегенеративными заболеваниями. Предполагается, что старение внеклеточного матрикса может быть даже более важным, чем старение самих клеток, так как внутри клетки, в отличие от матрикса, существуют более эффективные механизмы восстановления и удаления поврежденных белков и органелл.
Состояние внеклеточного матрикса можно считать биомаркером старения. Так, образование в нем сшивок и КПГ — признак того, что возраст наступает на пятки. Хотя на данный момент маркеры старения широко не используются, КПГ (глюкозепан и др.) довольно перспективны с точки зрения оценки возрастного состояния организма. Созданное недавно командой Дэвида Шпигеля антитело, связывающееся с глюкозепаном, также предоставляет еще один инструмент по идентификации в организме этого вида КПГ [55].
Какие пути решения предлагают ученые по противодействию негативным последствиям от старения матрикса? На сегодняшний день их несколько. Это, например, разработка комбинации ингибиторов КПГ, которые синергетически работают на разных стадиях их образования. Сюда могут входить хелаторы (препараты по связыванию избытка железа), соединения, содержащие О-ацетильную группу для защиты белков от гликирования и соединения с трансгликирующей активностью, амадорины и амадориазы.
Также необходимо сфокусироваться на разработке разрушителей основного КПГ во внеклеточном матриксе — глюкозепана (небольшую молекулу или фермент, способные проникать между фибриллами коллагена и достигать своей цели — сшивок КПГ). Кроме этого, нам нужны препараты, стимулирующие производство эластина, и «ловушки» провоспалительного рецептора RAGE (такие, как растворимые формы этого рецептора и др.). Ингибирование сигнальных путей, запускаемых жестким матриксом, по мнению ученых, также может быть полезным [70].
Достоверно ясно лишь одно: на сегодняшний день борьба со старением внеклеточного матрикса — это очень сложная и многофакторная задача, которая требует привлечения к себе большого внимания и существенного количества финансовых средств. Но не решив эту задачу, ученые-геронтологи и все мы вместе не сможем существенно продвинуться к более глобальной цели — победе над старением.