什么是细胞外基质?


 简述

细胞外基质(ECM)由细胞分泌并围绕在组织中。长期以来人们一直认为它是细胞的结构支持,因为它的特性决定了组织的特性(即骨相比软骨相比脑)1。然而,它不是简单地作为细胞的被动、机械支持,事实上它是一个异常复杂的支架,由多种生物活性分子组成,这些分子对于确定其周围细胞的作用和命运具有高度调控性和重要性4
 


 细胞外基质类型

ECM有两种基本形式:

1. 基底膜:细胞上皮层和基质层之间的ECM5

2. 间质基质:ECM周围细胞形成多孔3D晶格5

基底膜:

基底膜(BM)是在上皮细胞和内皮细胞之间形成的一层薄薄的ECM。它包围着肌肉、脂肪和神经细胞。它可作为机械结构,分离不同的细胞类型,以及作为细胞分化、迁移和存活的信号6。表16是对基底膜中的蛋白质及其特征性细胞表面受体的总结。
 

蛋白质家族 细胞受体
层粘连蛋白 整合素,营养不良(蛋白)聚糖,硫酸乙酰肝素蛋白聚糖,硫苷脂,HNK-1聚糖,路德蛋白
胶原Ⅳ 整合素类
巢蛋白 整合素类
基底膜蛋白多糖 营养不良(蛋白)聚糖
集聚蛋白 营养不良(蛋白)聚糖,MuSK/集聚蛋白受体
胶原蛋白XVIII 硫酸乙酰肝素蛋白多糖
腓骨 整合素类

BM结构被认为是由层粘连蛋白和胶原蛋白IV确定的。层粘连蛋白已被证明在体外会自组成多边形晶格6。同样,胶原蛋白IV也通过羧基末端NC1(非胶原酶)结构域之间的相互作用和胶原三重螺旋之间的一些轻微相互作用在体外自组。BM的其他蛋白质组分被认为是非共价固定在由层粘连蛋白和胶原蛋白IV6形成的基质中的。

基底膜的一种形式在市面上有售。它来源于Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)小鼠肉瘤,这是一种富含ECM蛋白的肿瘤。其主要成分为层粘连蛋白、胶原蛋白Ⅳ、硫酸乙酰肝素蛋白多糖和巢蛋白。除了这些蛋白质之外,还有多种生长因子存在,包括bFGF,EGF,IGF-1,PDGF,NGF和TGF-β1。这种肿瘤也是市售小鼠层粘连蛋白的主要来源。
 


 细胞外基质成分

ECM是蛋白质和糖胺聚糖(一类带负电荷的多糖)的复杂混合物。它由三类物质组成:

1. 抵抗压缩力的糖胺聚糖及其蛋白聚糖

2. 粘合剂糖蛋白(层粘连蛋白、纤连蛋白、腱生蛋白、巢蛋白)

3. 可提供抗拉强度的纤维蛋白(胶原蛋白、弹性蛋白)

糖胺聚糖(GAG)

GAG最初主要以ECM中的“空间填充物”而闻名。最近它们被证明是活性信号分子,在多种细胞过程(包括细胞因子产生、白细胞募集和炎症反应)中的作用对于控制细胞命运至关重要7

糖胺聚糖(GAG)是由两种碱性糖类——氨基糖和糖醛酸组成的线性多糖2,3。氨基糖通常是N-乙酰-D-葡糖胺(D-GlcNAc)或N-乙酰-D-半乳糖胺(D-GalNAc)。糖醛酸为D-葡萄糖醛酸(D-GlcA)或L-艾杜糖醛酸(L-IdoA)7。这些碱性组分可通过差向异构化,硫酸化和脱乙酰化进一步变化。碳水化合物链的顺序和其他化学修饰决定了它们的特异性和功能性7

透明质酸是最简单的GAG,因为它是非硫酸化的,不发生差向异构化,并且由未修饰的二糖重复组成。它通常也不与任何蛋白质共价连接。其他GAG包括硫酸软骨素(CS)、硫酸皮肤素(DS)、硫酸角质素(KS)和硫酸乙酰肝素(HS)。这四种GAG通常共价连接到蛋白质上形成蛋白聚糖。硫酸化1,2,3可对软骨素和硫酸乙酰肝素进行广泛修饰。

蛋白多糖类

蛋白多糖由具有一个或多个共价连接的GAG的核心蛋白组成。它们储存在分泌颗粒、插入质膜或分泌到ECM中8表2列出了几种蛋白聚糖以及它们的分子量、GAG链和组织定位。

表2ECM中的蛋白多糖8
 

  蛋白多糖类 核心蛋白kDA 链数 GAG类型 组织
小间质蛋白多糖 Decori 36kda 1 CS 分泌性,结缔组织
Biglyca 38kda 1-2 CS 分泌性,结缔组织
基质蛋白多糖聚集蛋白聚糖家族 聚集蛋白聚糖 208-220kDa ~100 CS, HA, KSII 分泌性,软骨
短蛋白聚糖 96kda 0-4 CS 分泌性,脑
神经聚糖 145kda 1-2 CS 分泌性,脑
多能(蛋白)聚糖 265kda 12-15 CS 分泌性,成纤维细胞
HS蛋白多糖 Periecan 400kda 1-3 HS 基底膜
集聚蛋白 212kda 2-3 HS 基底膜
多配体(蛋白)聚糖1-4 31- 45kDa 1-2 HS;1-3 CS HS,CS 上皮细胞、成纤维细胞
β聚糖 110kda 1 HS, 1 CD HS 成纤维细胞
磷脂酰肌醇蛋白聚糖1-5 约60kda 1-3 HS 上皮细胞、成纤维细胞
血清甘氨酸 10-19kda 10-15肝素 CS 肥大细胞
KS蛋白多糖 人基膜聚糖 37kDa nr KS 1
角质素 37kDa nr KS 1
纤维调节素 59kda nr KS 1
氯霉素 25kda nr KS 1
SV2 80kda nr KS 1 突触泡
氯丙嗪 105kda nr KS 2 中枢神经系统


糖蛋白类

层粘连蛋白

目前已知的异源三聚体层粘连蛋白有15种6。层粘连蛋白由α、β和γ链组成,其中有5条α链、4条β链和6条γ链2。层粘连蛋白呈十字形结构,有3条短臂和1条长臂。α链具有大球状结构域,称为C末端的G结构域。该结构域由3个LG结构域(LG1-LG3)组成,通过连接区域连接到另外两个LG结构域(LG4-LG5)。整合素与LG1-3结合,营养不良(蛋白)聚糖与LG4-LG5结合。已证明硫酸乙酰肝素与α1链的LG4结合6。层粘连蛋白是基底基质的组成成分;然而,层粘连蛋白的亚型随组织的不同而不同2。层粘连蛋白-1形式在早期发育中最为突出,由α1、β1和γ1链组成6

纤连蛋白

纤维粘连蛋白是分子量约270kda的二聚体。它以可溶形式存在于血液和体液中以及ECM的原纤维中。它能与胶原蛋白、肝素、其他纤连蛋白和细胞表面整合素结合。纤连蛋白可通过精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸(RGD)的三肽基序结合整合素2,3

纤维蛋白类

胶原蛋白

胶原蛋白是细胞外基质1的主要结构成分。它们是皮肤和骨骼中最普遍的蛋白质,占总蛋白质质量的25%2。胶原蛋白为层粘连蛋白、蛋白聚糖和细胞表面受体的附着提供支架1。目前已在脊椎动物中鉴定出28种类型的胶原蛋白(Ⅰ—XXVIII)1。胶原蛋白是三螺旋蛋白,由多肽链的同源三聚体或异源三聚体形成,称为α链。α链具有Gly-X-Y三个氨基酸重复序列,其中X通常为脯氨酸,Y为4-羟脯氨酸(转译后修饰的脯氨酸)1,2

基于它们的超分子结构,胶原蛋白类型分为:

  • 纤维状(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、ⅩⅠ、ⅩⅣ和ⅩⅦ)——最常见的一种胶原蛋白,占体内胶原蛋白的90%;在骨、皮肤、肌腱、韧带和软骨中较多。原纤维直径为10-30nm,组装胶原纤维直径可为500-3000nm。
  • 原纤维相关(FACIT)(IX, XII, XIV, XVI, XIX, XX, XXI, XXI);这些胶原蛋白不形成原纤维;而是附着于纤维胶原蛋白上;它们被认为是在基质内订购胶原纤维
  • 珠状纤维(VI)
  • 网状结构(IV, VIII 和 X);这些胶原蛋白在基底膜等处形成似网状结构;它们还可与锚定纤维胶原(VII型)相互作用,其将基底膜与ECM中的胶原和层粘连蛋白连接起来。IV型胶原可自组装并有助于基底膜的形成。
  • 跨膜胶原(XIII、XVII、XXIII、XXV)这些超结构在细胞粘附、分化、组织发育和结构完整性方面具有功能作用1

弹性蛋白

弹性蛋白,顾名思义,为ECM提供弹性。它作为原弹性蛋白(一种72kda的前体蛋白)产生,由细胞分泌。在胞外空间,它与其他弹性蛋白分子交联形成片层和纤维。弹性蛋白是存在于动脉中的主要ECM蛋白,构成动脉干重的约50%2
 


 材料

 

  产品
纤维连接蛋白,5毫克 10838039001
胶原,细胞培养级 11179179001
层黏连蛋白 11243217001
来自ENGELBRETH-HOLM-SWARM MURIN的层粘连蛋白 L2020
人层粘连蛋白 L4544
明胶溶液生物试剂,2%水溶液, G1393
牛浆细胞纤维连接蛋白& F1141
人胎盘胶原& C5533
来自冷水鱼皮的明胶& G7041
来自人血浆0.1%溶胶的纤维连接蛋白& F0895
来自猪皮、粉末、凝胶的明胶& G1890
来自人类等离子体的纤维连接蛋白& F2006
胶原蛋白,来自大鼠的I型溶液& C3867
来自大鼠尾部生物实际的胶原蛋白,& C7661
来自B型牛皮的明胶 G9391
来自小牛皮生物试剂的胶原蛋白, C8919
纤维连接蛋白, HU, PUR-1MG FC010
人纤维连接蛋白 ECM001
人血小板反应蛋白-1 ECM002


参考文献

  1.  J.科什努迪,J.卡塔伊勒,K.阿尔瓦雷斯,A.维斯,B.G.Hudson,《胶原蛋白组装中的分子识别:末端非胶原域是形成三螺旋原体的关键识别模块》,JBC 281(50):38117–38121 (2006)
  2.  J.M.Rhodes,M. Simons,《细胞外基质和血管形成:不仅仅是支架”》,J.细胞摩尔。医学11(2):176-205(2007).
  3.  基本细胞生物学:介绍细胞的分子生物学。B.艾伯茨,D.布雷,A.约翰逊,J.刘易斯,M.拉夫,K.罗伯茨,P.沃尔特(编辑)加兰出版公司。
  4.  C.Q. Lin, M.J.Bissell,《细胞外基质对细胞分化的多方面调控》,FASEB期刊7:737-743(1993年)。
  5.  Ingber,D。《胚胎发育过程中组织形态发生的机械控制》,Int.J.开发人员。生物学.50:255-266 (2006).
  6.  T. Sasaki, R. Fassler, E. Hohenester, 《层粘连蛋白:基底膜的症结》,JCB 164(7):959-963 (2004)
  7.  K.R. Taylor, R.L.Gallo,《糖胺聚糖及其蛋白多糖:用于引发和调节炎症的宿主相关分子模式》,FASEB期刊20:9-22(2006年)。
  8.  糖生物学要点。A. Varti,R.cummings,J.Esko,H.Freeze,G.Hart,J.Marth(编辑)冷泉港实验室出版社(1999年)