Протеазы разрушают компоненты внеклеточного матрикса
Основные положения:
- При нормальном развитии и заживлении ран клетки регулярно должны осуществлять процессы деградации и замещения внеклеточного матрикса (ВКМ) .
- Белки внеклеточного матрикса разрушаются под действием специфических протеаз , которые секретируются клетками в неактивной форме.
- Эти протеазы активируются только в тех тканях, где это необходимо. Обычно активация происходит за счет протеолитического распада пропептида, входящего в состав протеазы.
- Семейство металлопротеиназ матрикса (ММП) относится к наиболее представительному классу протеаз. Они способны разрушать все основные классы белков внеклеточного матрикса.
- ММР активируют друг друга, отщепляя пропептиды. Это приводит к каскадной активации протеаз и к быстрой деградации белков внеклеточного матрикса.
- ADAM представляют собой еще один класс протеаз, деградирующих внеклеточный матрикс. Эти протеазы также связываются с интегриновыми рецепторами внеклеточного матрикса, тем самым способствуя регуляции его сборки и его разрушению.
- Чтобы защитить себя от нежелательной деградации, клетки секретируют ингибиторы протеаз .
- Мутации в гене матриксной металлопротеиназы-2 у человека служат причиной многочисленных аномалий скелета . Это свидетельствует о значимости процессов перестройки внеклеточного матрикса в процессе развития.
До сих пор мы обсуждали роль компонентов внеклеточного матрикса в регуляции функционирования клеток в многоклеточных организмах. Однако в организме также продуцируются протеазы, разрушающие внеклеточный матрикс. Зачем организму удалять компоненты, которые обеспечивают его целостность? Простейший ответ на этот вопрос состоит в том, что, подобно самим клеткам, внеклеточный матрикс должен обладать пластичностью, т.е. проявлять способность реагировать на изменения окружающей среды. Например, внеклеточный матрикс, окружающий развивающийся нейрон , не может быть того же типа, который необходим для поддержания жизнедеятельности нейрона после завершения дифференцировки, и должен замещаться при созревании этой клетки. Или внеклеточный матрикс, который образуется в раннем эмбриогенезе в местах перепонок между пальцами на руках и ногах, на поздних стадиях не требуется. Поэтому перепонки, включая матрикс, удаляются. Вместе с тем, в результате различных травм и инфекций ткани повреждаются, и в процессе заживления раны поврежденные участки ткани деградируют и вместо них образуются новые. Кроме этого, небольшие пептиды, образующиеся при действии протеаз на белки внеклеточного матрикса, способствуют миграции клеток и, таким образом, стимулируют заживление ран. Эти пептиды также стимулируют миграцию опухолевых клеток . Наконец, при деградации внеклеточного матрикса иногда высвобождаются другие полезные компоненты, например факторы роста и гормоны , которые "попадаются" в сетку, образованную белками ВКМ. На рис. 19.27 представлены возможные субстраты действия протеаз, находящиеся во внеклеточном пространстве.
Как можно ожидать, клетки продуцируют примерно столько же протеаз, сколько внеклеточных белков подлежит деградации. Множество различных типов клеток секретируют во внеклеточное пространство десятки протеаз, и большая их часть циркулирует в крови. Конечно, существует потенциальная опасность того, что они способны связаться со здоровыми нормальными тканями и разрушить их. Поэтому многие из протеаз выходят из клеток в неактивной форме и активируются только в тех тканях, где это необходимо. Таким образом, их случайное связывание со здоровыми тканями не создает проблем для организма. Протеазу можно сравнить с карманным ножом, лезвие которого обычно убрано, и лишь в случае необходимости нож раскрывается, обнажая лезвие, и используется до тех пор, пока оно не затупится или же пока не попадется объект, который не поддается ножу (в случае протеазы это может быть молекула ингибитора фермента).
Известно три семейства протеаз внеклеточного матрикса: металлопротеиназы матрикса (ММП) , группа ADAM и родственная ей ADAMTS , предствители которой содержат домены дезинтегрина и металлопротеиназ Хотя представители трех семейств разрушают белки внеклеточного матрикса, протеазы ADAM также участвуют в адгезии клеток , зависимой от интегрина . Протеазы ADAMTS секретируются во внеклеточную среду, где они связываются с глюкозаминогликанами и деградируют протеогликаны .
У человека идентифицировано по меньшей мере 20 ММП, и в зависимости от структуры и субстратной специфичности они подразделяются на шесть групп ( рис. 19.28 ).
Все ММП имеют несколько общих свойств ( рис. 19.29 ):
- Наличие сигнального пептида, который направляет протеазы из клеток, в которых они образовались.
- Присутствие в каталитическом домене высококонсервативного сайта связывания ионов цинка.
- Существование N-концевого пропептида, который действует подобно "рукоятке" в нашей аналогии карманного ножа: эта часть молекулы складывается, образуя ковалентную связь с ионом цинка, находящимся в каталитическом сайте. При этом ингибируется активность протеазы (т.е. срабатывает механизм "цистенового выключателя", который регулирует активность ММП). При активации протеазы этот пропептид отщепляется с помощью фурина или близкого по свойствам фермента.
- Наличие домена гемопексина , который определяет субстратную специфичность протеазы.
- Присутствие "шарнирного" домена, с высоким содержанием пролина , связывающего каталитический домен с гемопексиновым.
Мембранные ММП на карбоксильном конце также содержат трансмембранный домен, который закрепляет белок в плазматической мембране.
Представители ММП семейства могут разрушить любой из гликопротеинов внеклеточного матрикса, о которых шла речь в настоящей главе, а также некоторые протеогликаны. Во многих случаях ММП функционируют группами. Особенно характерной является их способность отщеплять пропептиды от другие ММП, тем самым активируя их. Например, ММП-3 может активировать ММП-7 , которая, в свою очередь, активирует ММП-2 . Это обеспечивает быструю деградацию многих субстратов. Например, при совместном действии ММР-2, ММР-3 и ММР-7 распадается более десяти различных белков внеклеточного матрикса. Обычно каскад протеолиза начинается с захвата активированной протеазы в сайте деградации. Например, в кровяном сгустке активируется протеаза плазмин , и для того, чтобы начать процесс реформирования ткани при заживлении раны, эта протеаза активирует несколько ММП, расположенных рядом.
Многие ММП расщепляют не только белки ВКМ, но и друг друга. К числу таких добавочных субстратов ММП относятся молекулы межклеточной адгезии , например, E-кадгерин ) и многочисленные медиаторы воспаления (например, фибрин и белки-хемоаттрактанты моноцитов ).
Семейство ADAM содержит около 30 протеаз, которые присутствуют во многих организмах, и в 15 из них обнаружен консервативный каталитический сайт, связывающий цинк . К числу протеаз, содержащих этот сайт, относятся ММП и многие другие протеазы. Протеазы ADAM также содержат пропептид (или продомен), который функционирует, как и у ММП, т.е. является ингибитором каталитического сайта. Эти протеазы могут разрушать множество внеклеточных белков, включая белки ВКМ. Они играют важную роль в процессах развития и прогрессирования различных патологических состояний, расщепляя Notch-рецепторы на внешней стороне клеточной поверхности. Это необходимый этап, предшествующий дальнейшей их деградации в цитозоле, который происходит под действием гамма-секретазы с последующей транслокацией продукта, внутриклеточного домена Notch (NICD) , в ядро клетки. При попадании в ядро NICD начинает контролировать экспрессию ряда генов, и тем самым участвует в процессах развития многих органов у многоклеточных. ADAN также выключают систему передачи сигнала с участием Notch, расщепляя соответствующие лиганды (у млекопитающих это Deltalike 1, 3 и 4, а также Jagged 1 и 2). Эти протеазы содержат домен, который находится в белках семейства дезинтегринов . Домен связывается с основным интегриновым рецептором тромбоцитов и ингибирует их агрегацию в момент образования кровяного сгустка. Дезинтегриновый домен в ADAM, по-вилимому, функционирует как субстрат интегрина, что обеспечивает взаимную адгезию клеток. Таким образом, хотя ADAM обладают разнообразными функциями, они служат регуляторами целостности структуры внеклеточного матрикса.
Протеазы ADAMTS характеризуются большей субстратной специфичностью. Одним из клинически значимых субстратов этих протеаз является аркан - важнейший протеогликан хрящевой ткани . Гиперэкспресия и/или активация так называемых агреканаз связана с развитием остеоартрита , причиной которого является разрушение суставных хрящей. У мышей с нокаутом генов, кодирующих ADAMTS-4 и ADAMTS-5, остеоартрит не развивался даже при намеренном разрушении коленного сустава хирургическим путем.
Активность ММП и ADAM блокируется растворимыми белками, которые называются тканевыми ингибиторами металлопротеаз ( ТИМП ). Клетки выделяют ТИМП для того, чтобы защитить себя (и окружающий матрикс) от деградации активированными протеазами. Иногда клетки секретируют белки ВКМ, протеазы, которые их деградируют, а также их ингибиторы. При этом между процессами сборки матрикса и его деградации устанавливается состояние равновесия, очень чувствительное к изменению активности этих факторов ( рис. 19.30 ). Когда система становится разбалансированной, как в случае опухолевого роста, происходит быстрая деградация тканей, способствующая выходу в кровоток опухолевых клеток. Поэтому ТИМП интенсивно исследуются в качестве потенциальных противоопухолевых средств.
Поскольку для связывания с большинством белков ВКМ клетки используют интегриновые рецепторы , деградация этих белков может существенно отразиться на таких функциях, связанных с интегрином , как адгезия , миграция и передача сигналов . В некоторых случаях разрушение молекул ВКМ приводит к высвобождению функционально активных фрагментов протеолиза, которые маскированы в интактных молекулах. При этом может запускаться каскад процессов, приводящих к разрушению матрикса. Например, связывание компонентов ВКМ с рецепторами может запускать сигнальный каскад, приводящий к секреции протеазы, частично деградирующей компоненты ВКМ. При этом на фрагментах открываются ранее скрытые сайты связывания с различными рецепторами на клеточной поверхности. При связывании фрагментов с этими рецепторами запускается еще один каскад процессов передачи сигнала, который может приводить к секреции другой протеазы. Все эти процессы, вероятно, играют важную роль в миграции клеток при метастазировании опухоли. Показано, что адгезия клеток рака кожи к ламинину , опосредованная интегрином, стимулирует секрецию коллагеназы ММП-9 ; при этом активируется миграция клеток через слои матрикса из области деградации. Таким образом, одна комбинация рецептор-ВКМ активирует другую посредством деградации ВКМ под действием ММП.
Показательным примером, иллюстрирующим важность ММП, служит существование группы наследственных заболеваний, объединяемых в группу " болезней потери костной массы ". Эти болезни известны под названием синдрома Винчестера , синдрома Торга , синдрома нодулярного-артропатического-остеолиза и синдрома Аль-Акиль Севаири . У больных проявляются многочисленные нарушения строения скелета , связанные с утратой костей , включая резорбцию костей запястья и лодыжки , появление выраженных признаков артрита , сильного остеопороза и заметных нарушений структуры костей лица . Причина развития этих заболеваний связана с наследованием мутантных форм гена ММП-2 по аутосомно-рецессивному типу , что приводит к образованию неактивных форм этой протеиназы.
Смотрите также:
