Коллагены: общие сведения
Важный компонент базальной мембраны и соединительной ткани - коллаген. Этот белок, состоящий из свернутых в спираль трех полипептидных цепей, формирует решетчатую структуру внеклеточного матрикса. В соединительной ткани преобладает коллаген I и III типов, а в базальной мембране - коллаген IV и V типов. Именно коллаген служит главным препятствием инвазивному росту, и для распространения опухолевых клеток он должен быть разрушен. Расщепление коллагена осуществляют матриксные металлопротеиназы , специфичные для каждого типа коллагена. Синтез и расщепление коллагена происходят и в норме.
Как и можно было ожидать в случае такой древней и вездесущей молекулы, коллаген присутствует во множестве различных вариантов (по крайней мере - 19). К счастью, все они имеют множество общих важных черт - состоят из цепочек аминокислот, но с поразительно малым количеством различающихся остатков. Глицин - каждый третий остаток, пролин и оксипролин также очень распространены. Такой незатейливый состав навязан коллагену его вторичной структурой. Аминокислотные цепочки коллагена обернуты друг вокруг друга и образуют "трехволоконный канат", где отдельные "волокна" связаны между собой водородными связями. Такая пространственная структура возможна, только если аминокислотная последовательность строго соблюдается. В результате образуется трехволоконная фиброзная молекула - тропоколлаген , обладающая большой прочностью на растяжение. Это название происходит от "тропос" - обращенный внутрь из-за того, что коллагеновые волокна соединительных тканей, включая роговицу, выстланы тропоколлагеновыми молекулами, соединенными "конец в конец" и бок о бок - в шахматном порядке ( рис. 15.11 ). Гидрокисльные группы некоторых остатков лизина и оксилизина окислены, и это позволяет установить связи между соседними молекулами тропоколлагена. Таким образом формируется жесткое нерастяжимое волокно. Показано, что фибробласты синтезируют молекулы тропоколлагена и выбрасывают их в матрикс, и только здесь происходит сборка коллагеновых волокон ( рис. 15.11 ).
По определению коллагены это белки, которые:
a) содержат несколько повторов аминокислотной последовательности -Gly-X-Y-, в X-положении которой чаще всего расположен пролин, а в Y-положении - 4- гидроксипролин;
b) могут состоять из трех цепей с повторяющимися последовательностями, обладающими способностью к сворачиванию в характерную тройную спираль. По меньшей мере 19 белков и более 30 генных продуктов определены в настоящее время как принадлежащие к коллагенам. 10 "дополнительных" белков содержат коллагеноподобные домены.
Количество классифицированных в пределах данного суперсемейства белков быстро увеличивается. Большинство коллагенов образует внеклеточные фибриллы, другие же образуют сетеподобные структуры. Остальные связываются с поверхностями коллагеновых фибрилл, образуют "бусоподобные" филаменты, функционируют в качестве заякоривающих фибрилл кожи, а также трансмембранных белков.
Экзон-интронная структура большинства коллагеновых генов сложна, большинство генов широко распространены в геноме, однако, три пары генов локализованы в уникальной позиции "голова к голове" с перекрывающимися промоторами.
Клонированы некоторые из восьми высокоспецифичных посттрансляционных ферментов, участвующих в биосинтезе коллагена. Бета-субъединица пролил-4-гидроксилазы идентична ферменту дисульфидизомеразе белков и, вероятно, обладает несколькими другими характерными функциями.
Эксперименты с рекомбинантными проколлагенами, представляющими собою растворимые предшественники фибриллообразующих коллагенов подтвердили первоначальные предположения о самоорганизации коллагенов в фибриллы согласно классическому механизму нуклеации и расширения. Результаты также показали, что различий первичных структур двух наиболее широко распространенных фибриллообразующих коллагенов (типы I и II) достаточно для объяснения многих характерных морфологических различий между двумя указанными видами фибрилл.
Значительный интерес представляет способность участвующих в биосинтезе коллагена уникальных посттрансляционных ферментов предоставлять мишени для специфического ингибирования избыточного накопления коллагеновых фибрилл, происходящего в рубцах, а также при фиброзной реакции на повреждение, наблюдаемой в большинстве тканей. Ингибирование пролил-4-гидроксилазы и проколлаген-C-протеиназы являются, вероятно, наиболее перспективными направлениями.
Важная роль коллагенов в биологии продемонстрирована результатами, показавшими, что более 400 мутаций по коллагенам 6-ти различных типов вызывают множество заболеваний человека.
Мутации генов коллагена I-го типа приводят к возникновению дефектов кости и родственных ей тканей; от летальных форм osteogenesis imperfecta до остеопороза.
Мутации гена коллагена II-го типа могут приводить к заболеваниям хряща, варьирующих от хондродисплазии до выявляемого на ранних стадиях остеоартрита.
Мутации гена коллагена X-го типа, экспрессируемого в гипертрофированных хондроцитах, также приводят к возникновению хондродисплазий, гены двух дополнительных коллагенов хряща также связаны с возникновением данного фенотипа.
Мутации коллагена III-го типа приводят к дефектам строения кровеносных сосудов и других тканей; от тяжелых форм синдрома Элерса-Данлоса до обычных аневризмов аорты. Мутации нескольких полипептидных цепей коллагенов базальных мембран (IV-го типа) приводят к возникновению заболевания почек, известного как синдром Алпорта, могущего быть ассоциированным с диффузным лейомиоматозом пищевода.
Мутации образующего заякоривающие фибриллы базальных мембран коллагена VII-го типа вызывают образование множества волдырей и рубцевание кожи.
Мутации по коллагенам других типов также, по-видимому, приводят к возникновению заболеваний человека, однако, доподлинно известно, что некоторые заболевания со сходными фенотипами сцеплены с неколлагеновыми генами.
Эксперименты с трансгенными мышами особенно важны для определения структуры и функции коллагенов, поскольку данные белки являются большими, нерастворимыми и трудно поддающимися функциональному тесту. В дополнение к этому трансгенные мыши оказались полезными при демонстрации последствий патологических мутаций генов коллагенов, поскольку мутации влияют на множество тканей, не подлежащих должному исследованию у пациентов. Эксперименты с мутантными генами коллагена I-го типа воспроизводили фенотипы osteogenesis imperfecta и остеопороза. Эксперименты с мутантными генами коллагена II-го типа воспроизводили фенотипы тяжелых форм хондродисплазий и остеоартрита. Аналогичные эксперименты с геном коллагена III-го типа воспроизводили лишь сглаженные фенотипические проявления. Эксперименты с геном коллагена IX- го типа воспроизводили возникающий на ранних стадиях развития остеоартрит. Эксперименты с доминантным негативным вариантом гена коллагена X-го типа приводили к возникновению фенотипа специфической хондродисплазии, однако, эксперимент по "выключению" того же гена не дал ярко выраженного фенотипического проявления.
При исследовании возможностей генной терапии было показано, что олигонуклеотиды обладают способностью к частичному ингибированию экспрессии коллагеновых генов в культуре клеток. В постоянных экспериментах по трансфекции клеток было обнаружено, что гибридный ген, содержащий 5'-фрагмент гена коллагена I-го типа, с высокой внедрялся в обе аллели нормального локуса данного гена. Результаты предполагают возможность направленной инсерции экзогенных генов в предварительно определенные локусы генов коллагенов. Фенотип тяжелой формы osteogenesis imperfecta у экспрессирующих мутантный ген коллагена I-го типа трансгенных мышей частично сохранялся при скрещивании данных мышей с другими трансгенными мышами, экспрессирующими антисенс-вариант того же человеческого гена.
Смотрите также:
