Состав базальной мембраны и ее биохимия

В состав базальной мембраны входят коллагенозные и неколлагенозные гликопротеины и протеогликаны. Содержание коллаген-специфических аминокислот (гидроксипролина и гидроксилизина) указывает на то, что на коллаген приходится от 40% до 65% белков базальной мембраны. Количественное содержание гидроксипролина в базальной мембране указывает на то, что коллаген составляет 40-65% от общего объема ее белка.

Все базальные мембраны, независимо от типа ткани, содержат коллаген IV в качестве основного коллагена, ламинин, нидоген и гепарансульфат протеогликана перликан. Кроме того, в базальных мембранах имеется множество других гликопротеинов, специфических для конкретных тканей, в том числе различные ламинины, фибулины и фибронектин.

Различия в макромолекулярном составе влияют на морфологическую и функциональную вариабельность базальных мембран.

Компоненты присутствующие во всех базальных мембранах:
- Коллаген IV
- Ламинины
- Нидогены
- Перлекан

а) Коллаген IV базальной мембраны. Коллаген IV представляет собой ге-теротример, состоящий из трех α-цепей. Каждая из них содержит три различных домена: (1) N-концевой богатый цистеином (7-S) домен, (2) центральный трехспиральный домен и (3) С-концевой глобулярный домен (NC-1). Состав тримера определяется доменами NC-1, посредством которых a-цепи сцеплены друг с другом ковалентными связями. Тройная спираль коллагена IV длинная и содержит несколько разрывов, что приводит к повышению гибкости в спирали коллагена IV, но также делает ее восприимчивой к действию протеаз.

Супраструктура коллагена IV была определена с помощью теневой электронной микроскопии, которая показала, что основные связи между молекулами коллагена IV осуществляются за счет аминовых и карбоксильных концевых доменов, а также посредством латерального соединения их тройных спиралей. Ковалентные связи между 7-S-регионами различных молекул являются основой для специфической сетчатой структуры, присущей базальным мембранам. Индивидуальные регионы 7-S перекрывают друг друга в параллельном и встречно-параллельном направлениях, создавая характерную форму «паука с четырьмя ножками».

Домены NC-1 на конце каждой ножки «паука» взаимодействуют с доменами NC-1 соседних агрегатов. Это соединение стабилизируется ковалентными связями. Подобные межконцевые взаимодействия приводят к образованию обширной двухмерной сетки, которая является структурной основой базальной мембраны.

Высокая гибкость сетчатой структуры базальной мембраны значительно увеличивает возможность взаимодействия с другими коллагенами или неколлагенозными молекулами. Например, сплетения коллагена IV с ламининами или перлеканом легко визуализируются. Подразумеваемая ячеистость такой структуры должна ограничиваться размером ячеек коллагеновой сети и связанными с ней структурными элементами. В подобной модели структура базальной мембраны обеспечивает значительную механическую устойчивость, сохраняя при этом физиологическую гибкость. Данное сочетание прочности и эластичности необходимо для такой динамичной поверхности, каковой являются эпидермально-дермальное соединение и окружающие его кровеносные сосуды.

Молекулы коллагена IV в различных базальных мембранах содержат генетически различные, но структурно гомологичные a-цепи. Цепи α1 и α2 встречаются повсеместно. Распределение цепей α3, α4, α5 и α6 зависит от типа ткани. Структурная организация цепей и избирательные взаимодействия между доменами NC-1 определяют сетчатое строение базальных мембран. Шесть цепей коллагена IV распределены по трем основным сетям: (1) α1-α2, (2) α3-α4-α5, и (3) α1-α2-α5-α6, состав которых определяется доменами NC-1.

Две сети, одна из которых содержит α1 и α2, а другая — α3, α4 и α5, находятся в базальных мембранах гломерул. Базальные мембраны гладких мышц, наряду с типовой сетью, содержащей α1 и α2, также имеют сеть, включающую в себя α1, α2, α5 и α6. В дермо-эпидермальном соединении доминирует сеть коллагена IV, содержащая цепь α1-α2, но вероятно присутствует также сеть α1-α2-α5-α6.

Мутации в генах, кодирующих цепи α1 и α2, вызывают нарушения в различных органах, начиная от патологии сосудов мелкого калибра, которая часто является причиной ишемических инсультов и внутримозговых кровоизлияний до поражения глаз и HANAC-синдрома (hereditary angiopathy with nephropathy, aneurysms, and muscle cramps) в составе наследственной ангиопатии с невропатией, аневризмами и мышечными спазмами. Интересно отметить, что, несмотря на повсеместное присутствие цепей α1 и α2 коллагена IV в базальных мембранах, во всех базальных мембранах отклонений не наблюдается, что указывает на вариабельность и тканевую специфичность ролей коллагена IV.

Структурные аномалии в генах, кодирующих цепи α3, α4, α5 и α6, вызывают различные формы синдрома Олпорта, генетического заболевания, для которого характерны нефрит и глухота. Цепь α3 (IV) является антигеном, который распознается циркулирующими аутоантителами при синдроме Гудпасчера.

Компоненты базальной мембраны
А. Изображение сетей, образованных компонентами, присутствующими во всех базальных мембранах.
Мономерный коллаген IV (CollV) осуществляет самосборку в димеры и тетрамеры, которые затем образуют сложное сплетение.
Ламинины самополимеризуются в сети. Перлекан подвергается олигомеризации in vitro, а боковые цепи гликозаминогликана взаимодействуют со структурой коллагена IV.
Нидоген-энтактин связывает компоненты всех трех сетей, а также фибулины. В связи с этим нидоген играет центральную роль, являясь стабилизатором структуры темной пластинки (lamina densa).
В изображении отдельных молекул масштаб не соблюден.
Б. Теневая микроскопия реплики полимеров коллагена IV, полученной методом быстрой заморозки и глубокой фиксации.
Реплика демонстрирует обширную разветвляющуюся и анастомозирующую сеть с отдельными глобулярными структурами (стрелки), которая представляет собой наглядную модель строения темной пластинки (lamina densa).

б) Ламинины базальной мембраны. Ламинины являются очень большими по молекулярной массе гликопротеинами (600-950 кд), находящимися в составе светлой/темной пластинок (lamina lucida/lamina densa) всех базальных мембран. Три структурных элемента ламининов были обозначены как α, β и γ цепи — любой ламинин представляет собой трехмерный агрегат, состоящий из α-, β- и γ-цепей. Каждый тример имеет полужесткую протяженную структуру, которая при теневой микроскопии предстает в виде асимметричного креста. Размер длинного плеча креста — около 125 нм; длина коротких плеч вариабельная. В каждой молекуле ламинина выделяются глобулярные и палочковидные домены, которые выполняют различные функции.

К подобным функциям относятся агрегация с такими же доменами молекул ламинина и с другими компонентами темной пластинки, адгезия и экспансия клеток, рост нейритов или клеточная дифференцировка. С-концевой Ig-домен a-цепи у основания длинного плеча ламининового креста содержит участок связывания интегринов.

К настоящему времени идентифицированы 15 изоформ ламинина. Они представляют собой различные тримерные комбинации из пяти известных α-цепей, трех β-цепей и трех γ-цепей. Первоначально изоформы ламинина имели порядковую нумерацию (от ламинин-1 до ламинин-15), соответствующую последовательности их открытия; однако такая терминология на практике оказалась неудобной из-за необходимости помнить соответствие между номерами изоформ и их структурой. Новая упрощенная номенклатура основана на последовательном перечислении номеров α-, β- и γ-цепей, составляющих конкретную изоформу. Например, исходный «прототип» ламини-1, имеющий в составе цепи α1, β1 и γ1 (α1β1γ1) в новой номенклатуре обозначен как ламинин-111.

Основной ламинин базальной мембраны эпидермиса (ранее ламинин-5), содержащий цепи α3β3γ2, переименован в ламинин-332.

Ламинины, содержащие цепь α2, представлены преимущественно в базальных мембранах мышечных волокон, нервов, нервно-мышечного соединения и гломерул. Цепь α3 участвует в эпителиальной адгезии, а цепи α4 и α5 обнаруживаются в различных тканях, включая эндотелий, эпителий, нервно-мышечное соединение и гломерулы. Ламинин-511 присутствует в базальной мембране эпидермиса и волосяных фолликулов, где, как представляется, он участвует в эволюционной сигнализации. Цепи β2 в основном находятся в нервно-мышечном соединении, однако также они встречаются и в немышечных тканях, например, в почечных клубочках и базальной пластинке капилляров. Цепь β3 задействована в эпителиальной адгезии. Идентифицированы три варианта γ-цепи: γ1, γ2 и γ3.

Из них в коже встречается только цепь γ2 в составе ламинина-332. Цепь γ3 — компонент ламининов-423 и 523 — связывает нидогены 1 и 2 и локализована в зонах базальных мембран взрослой и эмбриональной ткани мозга, почек, кожи, мышц и яичек. По сравнению с yl, концентрации цепи γ3 гораздо ниже, что, возможно, свидетельствует о том, что ее функции являются высокоспецифичными. Функции ламининов на данный момент в полной мере не изучены, однако очевидно, что, взаимодействуя с интегринами и другими компонентами клеточной поверхности в различных органах, ламинины контролируют такие виды клеточной деятельности, как адгезия, миграция, пролиферация и полярность.

Некоторые врожденные заболевания человека вызваны мутациями в цепях ламинина. Поскольку некоторые цепи могут быть компонентами нескольких различных ламининов, их мутации могут влиять на функции многих ламининов в различных тканях. Например, мутации в цепи α2 вызывают врожденную мышечную дистрофию и значительное уменьшение в объеме базальной мембраны вокруг мышечных клеток. Отсутствие базальной мембраны приводит к прогрессирующей дегенерации мышцы вследствие клеточной гибели. Следовательно, можно предположить, что ламинины, и базальные мембраны в целом, необходимы для предупреждения апоптоза в окружаемых ими типах клеток. Мутации в цепях α3, β3 или γ2 обнаружены при пограничном буллезном эпидермолизе, а мутации в α4-цепи ассоциируются с кардиомиопатией. Синдром Пирсона, тяжелое врожденное заболевание, поражающее главным образом почки и глаза, вызывается мутацией в β2-цепи.

Молекулы ламинина базальной мембраны
Схематичное изображение молекул ламинина.
Каждый ламинин представляет собой гетеротример с одной α, одной β и одной γ цепью.
Слева представлен классический прототип ламинин-111, состоящий из цепей α1, β1, γ1.
Короткое плечо N-конца каждой цепи свободно, длинное плечо образовано С-концами, закрученными в винтовую спираль.
Дистальный С-конец a-цепи имеет пять глобулярных LG-доменов, в которых находится участок связывания интегринов.
Ламинин-332, ранее известный как ламинин-5, существует в двух формах — 3A32 и 3В32.
Они представляют собой сплайсинговые варианты a-цепи: 3А—более короткий вариант, 3В — вариант полной длины.
N-конец цепей β3 и γ2 подвергается протеолизу и синтезирует зрелый ламинин-332.

в) Нидогены базальной мембраны. Оба нидогена— 1 и 2, также известные какэнтактин 1 и 2,— являются характерными генными продуктами. Они представляют собой сравнительно небольшие молекулы, связывающие ламинины на определенных участках цепей у 1 и γ3,98,102 коллаген IV, перлекан и фибулины.

Нидогены действуют, вероятно, как соединяющие элементы между сетями коллагена IV и ламинина и интегрируют другие компоненты базальной мембраны в этот специалицированный внеклеточный матрикс.

Целенаправленное удаление нидогенов у мышей показало, что утрата какой-либо одной изоформы не влияла на образование базальной мембраны и развитие органов, однако одновременное отсутствие обоих нидогенов приводило к серьезным, несовместимым с жизнью дефектам легких и сердца. Примечательно, что, несмотря на присутствие нидогенов во всех базальных мембранах, лишь в некоторых из них встречаются аномалии, связанные с данными молекулами, что свидетельствует о различной роли нидогенов в разных типах базальных мембран.

г) Гепарансульфатные протеогликаны базальной мембраны. Протеогликаны представляют собой еще один класс интегральных компонентов, присутствующих в базальных мембранах всех разновидностей. В базальных мембранах эпителия и сосудов, как правило, встречаются три протеогликана: (1) перлекан, (2) агрин и (3) бамакан. Они состоят из стержневого белка различной длины и боковых цепей (гепарансульфат у перлекана и агрина и хондроитинсульфат у бамакана). Название перлекан связано с тем, что при теневой микроскопии данный протеогликан предстается похожим на нитку жемчуга (от англ. Pearl — жемчужина). Перлекан является комплексным мультидоменным протеогликаном чрезвычайно крупных размеров с наличием нескольких посттрансляционных модификаций. У мышей, лишенных перлекана, развивались патологические изменения во многих тканях, включая базальные мембраны, а также наблюдалась гибель эмбрионов.

Нарушения базальных мембран возникали на участках сильного механического напряжения, таких как миокард или кожа, что приводило к летальным аномалиям сердца и образованию пузырей. Аргин представляет собой основной гепарансульфатный протеогликан нервно-мышечного соединения базальных мембран почечных канальцев. Коллаген XVIII в различных органых считается гибридным коллагеном-протеогликаном. У мышей, нокаутных по коллагену XVIII, расширены базальные мембраны в различных органах в сочетании с мезангиальной экспансией и сниженной функцией почек. Протеогликаны способны к взаимодействию с некоторыми другими компонентами базальной мембраны, они играют определенную роль в поддержании ее целостной структуры, а также выполняют тканеспецифические функции. Высокая концентрация сульфата в протеогликанах обусловливает их сильный отрицательный заряд и гидрофильность, причем плотность заряда отвечает за обеспечение селективной проницаемости базальных мембран гломерул.

Синдеканы — это трансмембранные гепарансуль-фатные протеогликаны, присутствующие на поверхности большинства клеток, включая базальные кератино-циты эпидермиса. Их внеклеточные домены обладают аффинностью к ламининам и, вероятно, посредством таких взаимодействий регулируют различные биологические процессы—от сигнализации фактора роста, клеточной адгезии и организации цитоскелета до инфицирования клетки микроорганизмами.

д) Фибулины базальной мембраны. Фибулины представляют собой семейство высококонсервативных кальцийсвязывающих внеклеточных матричных протеинов. Они присутствуют в стенках сосудов, базальных мембранах и микротубулах и имеют перекрывающиеся участки связывания для различных лигандов — как белков базальных мембран, так и компонентов интерстициальных соединительных тканей. в связи с этим исследователи полагают, что фибулины функционируют как межмолекулярные мостики, которые стабилизируют супрамолекулярную организацию таких структур внеклеточных мембран, как эластичные волокна и базальные мембраны. Дефекты в генах, кодирующих фибулин-4 и -5, вызывают различные формы вялой кожи (cutis laxa).

е) Специфичные для эпителия компоненты базальной мембраны. Дермо-эпидермальное соединение кожи является наглядным примером специфической дивергенции в структуре базальной мембраны. На сегодняшний день достаточно хорошо изучены структурные компоненты полудесмосом, якорных филаментов и якорных фибрилл в зоне базальной мембран. Локализация белков в дермо-эпидермальном соединении представлена на рисунке ниже. Указанные белки перечислены в таблице ниже; подробнее речь о них пойдет в отдельных статьях на сайте.

Наиболее распространенные формы ламинина
Молекулы базальной мембраны
Изображения молекул базальных мембран, полученные методом теневой микроскопии.
А. Мономер коллагена IV и димер, возникший в результате агрегации С-концевых доменов NC-1.
Б. Тетрамер коллагена IV («паук»), содержащий домен 7-S с четырьмя выступающими молекулами и их крупными концевыми доменами NC-1. В. Молекулы ламинина-1 (ламинин-111).
Г. Молекулы нидогена.
Д. Проколлаген VII. Стрелками указаны участки NC-1 и NC-2. Е. Молекулы ламинина-5 (ламинин-332).
Молекулы базальной мембраны
Гипотетическая модель взаимосвязи между молекулами базальной мембраны дермо-эпидермального соединения.
На рисунке ламинин-332 представлен в виде мостика между трансмембранным интегрином полудесмосомы α6β4 и доменом NC-1 коллагена VII.
Сильная связь ламинина-332 с а6β4 и с коллагеном VII обеспечивает первичную устойчивость к воздействию сил трения.
Ее также поддерживает трансмембранный коллаген XVII, так как и его внеклеточный домен связывает ламинин-332.
В эпителиальной клетке трансмембранные элементы связывают белки плотной пластинки полудесмосом, антиген буллезного пемфигоида (BPAG) 1 и плектин, которые затем соединяются с кератинами.
Коллаген VII связывает BPAG1, интегрин α6β4 и плектин, а интегрин α6β4 вступает в связь с плектином.
Комплекс ламининов 5-6 изображен в базальной мембране между полудесмосомами, он связан интегрином α3β1 и соединен с внутриклеточными белками киндлином, талином и винкулином.
По всей вероятности, данный комплекс поддерживает устойчивость базальной мембраны.
In vitro интегрин α3β1, киндлин, талин, винкулин, а также другой трансмембранный коллаген типа XIII расположены в фокальных контактах, которые могут служить связующим звеном между базальной мембраной и сетью кортикального актина эпителия.
В темной пластинке (lamina densa) сети коллагена IV и перлекана стабилизируются нидогеном. Якорные фибриллы прикрепляются к темной пластинке посредством домена NC-1 коллагена VII.
Фибриллы проникают в дерму и либо оканчиваются в якорной пластинке, либо, образуя петлю, возвращаются назад в темную пластинку.
Сеть якорных фибрилл захватывает дермальные фибриллы, обеспечивая адгезию темной пластинки (lamina densa) к сосочковому слою дермы. В изображении молекул масштаб не соблюден.
Полудесмосомы и базальная мембрана при кожных болезнях

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Строение полудесмосом базальной мембраны и их функции"

Оглавление темы "Базальная мембрана.":
  1. Эпидермальная адгезия и строение десмосом
  2. Строение белков десмосом и их функции
  3. Строение базальной мембраны и ее функции
  4. Строение дермо-эпидермального соединения кожи
  5. Состав базальной мембраны и ее биохимия
  6. Строение полудесмосом базальной мембраны и их функции
  7. Строение якорных филаментов и их функции
  8. Строение плотной пластины эпителия (lamina densa) и ее функции
  9. Строение якорных фибрилл и их функции
  10. Клетки участвующие в образовании базальной мембраны

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: