醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)：第十一章 細(xì)胞外基質(zhì)及其與細(xì)胞的相互作用

1、第十一章 細(xì)胞外基質(zhì)及其與細(xì)胞的相互作用 (Extracellular Matrix , ECM,Extracellular matrix 定義: 指機(jī)體發(fā)育過程中,由細(xì)胞分泌到細(xì)胞外空間， 由細(xì)胞分泌蛋白和多糖構(gòu)成的精密有序的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)。 各種生物大分子 分布于細(xì)胞和組織之間、細(xì)胞周圍或形成上皮 細(xì)胞的基膜，將細(xì)胞與細(xì)胞或細(xì)胞與基膜互相聯(lián)系， 構(gòu)成組織與器官，使其連成有機(jī)整體。 ECM多呈高度水合的凝膠，為組織、器官甚至 整個(gè)機(jī)體的完整性提供力學(xué)支持和物理強(qiáng)度的物質(zhì),第一節(jié) 細(xì)胞外基質(zhì)的主要組成成分,組成可分為三大類 氨基聚糖與蛋白聚糖 （glycosaminoglycan GAG，prot

2、eoglycan PG） 膠原和彈性蛋白（collagen，elastin） 非膠原性黏合蛋白（non-collagen glycopreteins ） 粘著成分，如纖連蛋白和層粘蛋白,細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì),An overview of cells interact with their environment,一、氨基聚糖與蛋白聚糖 （glycosaminoglycan GAG，proteoglycan PG,一）氨基聚糖,氨基聚糖的分子特性及組織分布,透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA) （1）組成：N乙酰氨基葡萄糖 + 葡萄糖醛酸 （2）作用： a、賦予組織一定的抗壓性； b、利

3、于細(xì)胞的遷移及增殖。 細(xì)胞外基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白聚糖都是作為 蛋白聚糖的一個(gè)成分而存在，惟一例外的是 透明質(zhì)酸，它在細(xì)胞外基質(zhì)中也可游離存在,二）蛋白聚糖(Proteoglycan，PG) 1.蛋白聚糖的分子結(jié)構(gòu) Protein-polysaccharide complex is called a proteoglycan A proteoglycan consists of a core protein molecule to which chains of GAGs are covalently attached. 即： 單體 = 核心蛋白質(zhì) + GAG PG = 若干個(gè)單體以非共價(jià)鍵被

4、連接蛋白質(zhì)與HA相結(jié)合,2.蛋白聚糖的合成： （1）合成：包括肽鏈的合成與肽鏈的糖基化 部位：內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 高爾基體 （2） 種類： 多態(tài)性 （3）并非所有蛋白聚糖皆為ECM成分,連接素（Syndecan）：一種蛋白聚糖，存在于成纖維細(xì)胞及上皮細(xì)胞的細(xì)胞表面。其作用為膠原、纖連蛋白等基質(zhì)成分的輔助受體。屬于膜的整合成分。 Fibroglycan：纖維形多糖,三）GAG和PG的功能： 1.使組織具有彈性和抗壓性； 2.對物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有選擇滲透性： 3.角膜中的PG具有透光性： 4.GAG的抗凝血功能： 5.細(xì)胞表面的PG有傳遞信息作用： 6.GAG和PG與組織老化 （四）GAG和PG與疾病 黏多糖累積病，

5、動脈粥樣硬化，腫瘤,二、膠原和彈性蛋白（collagen，elastin,一）膠原(Collagen,1.膠原的分子結(jié)構(gòu) 26 types of collagen share certain important structural features: All collagen molecules are trimers consisting of three polypeptide chains, called chains. Along at least part of their length, the three polypeptide chains of a collagen mol

6、ecule are wound around each other to form a unique, rod-like triple helix,1）膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位膠原分子 （collagen molecule） （2） 膠原分子是由三條-螺旋多肽鏈盤繞成的 三股螺旋結(jié)構(gòu)； （3）膠原分子肽鏈的一級結(jié)構(gòu)： （GlyXY）n 序列 Gly甘氨酸 X脯氨酸（Pro） Y羥脯氨酸（Hypro） 羥賴氨酸（Hylys） （4）三螺旋結(jié)構(gòu),Collagen Types I, II, III, and V are fiber- forming collagens,Collagen,2.膠原的類型

7、和分布,型膠原含量最豐富,形成類似的纖維結(jié)構(gòu)； 但并非所有膠原都形成纖維； 型膠原纖維束， 主要分布于皮膚、肌腱、 韌帶及骨中，具有很強(qiáng)的抗張強(qiáng)度； 型膠原主要存在于軟骨中； 型膠原形成微細(xì)的原纖維網(wǎng)，廣泛分布于 伸展性的組織,如疏松結(jié)締組織； 型膠原形成二維網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)，是基膜的主要 成分及支架,3. 膠原的合成裝配與降解： （1）來源： （2）膠原基因： 20 different collagen genes over 7 chromosomes,Structural features,在膠原纖維內(nèi)部,有分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)。 分子內(nèi)交聯(lián)是指膠原分子的三條鏈之間的賴氨酸殘基間的交聯(lián),分子間的

8、交聯(lián)是指不同膠原分子間的賴氨酸交聯(lián)。 這種分子間的交聯(lián),使得在膠原纖維內(nèi)部形成膠原蛋白分子呈1/4平行交替排列,即一個(gè)膠原分子的頭部與下一個(gè)膠原子的尾部有一個(gè)小的間隙分隔,膠原的組裝,已裝配的膠原,雞胚皮膚結(jié)締組織中成纖維 細(xì)胞周圍的膠原分布,蝌蚪皮膚中的膠原蛋白原纖維的排列 （成熟的骨中、角膜中也如此,可高度拉伸的皮膚（彈性皮膚人James Morris，攝于1890年左右,5）型膠原的裝配,6）膠原的降解： a. 不同組織膠原的轉(zhuǎn)換率不同。如骨膠原可維持十年，肌 腱膠原的轉(zhuǎn)換最慢；牙齦膠原的轉(zhuǎn)換率高于骨、軟骨及 皮膚； b. 在某些局部區(qū)域或特殊生理病理情況下，膠原的轉(zhuǎn)換加 快，并常伴有膠

9、原類型的改變； c. 未變性膠原的典型三股螺旋結(jié)構(gòu)對一般蛋白水解酶具有 很強(qiáng)的抵抗力，因而不易降解。 膠原酶：存在于細(xì)胞內(nèi)及分泌物中，其作用機(jī)制相同。 a. 組織來源不同的膠原酶對不同類型膠原的水解能力 強(qiáng)弱不同; b. 活性的調(diào)節(jié)：主要是蛋白酶和纖溶酶的水解作用,血管生成抑制因子對腫瘤生長的抑制作用,Endostatin 是基膜中XVIII型膠原的降介產(chǎn)物(C端片段),由約184 個(gè)氨基酸組成的多肽，分子量為20KD,4、膠原的功能： （1）膠原在不同組織中行使不同的功能： 組織中膠原的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)； 膠原是骨、肌腱和皮膚組織中的主要蛋白，在這些組織 膠原起著細(xì)胞外基質(zhì)骨架作用; （

10、2）膠原具有刺激細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞分化的作用： 膠原可刺激上皮分化、影響細(xì)胞的形態(tài)和運(yùn)動、 引導(dǎo)細(xì)胞遷移等的作用； （3）哺乳動物在發(fā)育的不同階段表達(dá)不同類型的膠原,Fig2.Osteoporostic Rat Bone Without Drug-treatment,Fig4.Osteoporostic Rat Bone Treated by Estrogen,Fig1.Normal Control,Fig3.Osteoporostic Rat Bone Treated by a Chinese Medcine,5、膠原與疾病： （1）定義： 因膠原的含量、結(jié)構(gòu)、類型或代謝異常而導(dǎo)致 的疾病統(tǒng)

11、稱為膠原?。╟ollagen diseases）。 （2）導(dǎo)致膠原異常的機(jī)制： 膠原在體內(nèi)合成與降解的平衡發(fā)生紊亂； 膠原基因結(jié)構(gòu)的異常； 基因產(chǎn)物后修飾異常； 組織中各種類型膠原的特定比例失常； 膠原分子在組織中組裝成膠原纖維發(fā)生障礙，或膠原 與基質(zhì)中其它大分子的交聯(lián)發(fā)生異常； 如：Vc缺乏導(dǎo)致壞血病；遺傳性膠原病 （3）免疫性膠原疾病,二）彈性蛋白(elastin,是彈性纖維(elastic fibers)的主要成分,結(jié)構(gòu)組成：無規(guī)則卷曲及高度交聯(lián)。 富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白質(zhì) 賴氨酸、脯氨酸沒有羥基化 高度疏水的非糖基化蛋白,分布與功能：能夠賦予細(xì)胞外基質(zhì)彈性。 主要存在于皮膚、脈管壁及

12、肺。 如在皮膚結(jié)締組織中特別豐富，使皮膚具有高度彈性。 彈性纖維與膠原纖維共同存在,分別賦予組織以彈性 及抗張性,一）纖連蛋白(Fibronectin,FN) 高分子量糖蛋白（220250KD） 血漿纖粘連蛋白（plasma fibronectin，pFN）： 二聚體,由兩條相似的A鏈及B鏈組成,整個(gè)分子呈V形 細(xì)胞纖粘連蛋白（cell fibronectin，cFN） 多聚體。 纖粘連蛋白不同的亞單位為同一基因的表達(dá)產(chǎn)物, 每個(gè)亞單位由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，RGD三肽序列是為細(xì)胞識別的最小結(jié)構(gòu)單位。人類有20多種 纖粘連蛋白的膜蛋白受體為整聯(lián)蛋白家族成員之一, 在其細(xì)胞外功能區(qū)有與RGD高親和性結(jié)

13、合部位,三、非膠原性黏合蛋白,1.分子結(jié)構(gòu),Fibronectin - found in blood, connective tissue, and basement membranes. 5% carbohydrate by weight. Composed of 2 subunits with an aggregate MW of about 450 kd. RGD seq. = Arg-Gly-Asp,RGD序列 用蛋白酶消化FN與細(xì)胞結(jié)合區(qū), 發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)域中Arg-Gly-Asp三肽序列負(fù)責(zé)同細(xì)胞表面的結(jié)合, Arg-Gly-Asp序列(又稱RGD序列)同樣存在于細(xì)胞外基質(zhì)和血液的其

14、它類型的粘著蛋白序列中。 RGD序列： ArgGlyAsp 三肽 RGDS序列： ArgGlyAspSer 四肽,Structure of fibronectin chains,2.FN的功能： （1）介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間的粘著 調(diào)節(jié)細(xì)胞的形狀和細(xì)胞骨架的組織,促進(jìn)細(xì)胞鋪展 由于FN具有同時(shí)與細(xì)胞外基質(zhì)各類成分相結(jié)合的特點(diǎn)，并可促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的其它成分的沉積，故認(rèn)為FN是細(xì)胞外基質(zhì)的組織者。 （2）與細(xì)胞的遷移有關(guān)： 胚胎發(fā)生過程中對于許多類型細(xì)胞的遷移和分化是必須的； （3）在組織創(chuàng)傷修復(fù)中的作用： 在創(chuàng)傷修復(fù)中,促進(jìn)巨噬細(xì)胞和其它免疫細(xì)胞遷移到受損部位； 軟組織損傷時(shí)血凝塊的形成過程中，

15、纖粘連蛋白促進(jìn)血小板 附著于血管受損部位,粘合斑,Figure: Structure and function of fibronectin. a. 人的FN分子結(jié)構(gòu)。 b. 雞胚圖象。暗紅色顯示FN。 c. 雞神經(jīng)嵴細(xì)胞的滲出,Coalignment of extracellular fibronectin filaments and intracellular actin filament bundles. The fibronectin is visualized in two rat fibroblasts in culture by the binding of rhodamine-

16、coupled anti-fibronectin ntibodies (A). The actin is visualized by the binding of fluorescein-coupled anti-actin antibodies (B,3.FN與疾?。?（1）腎小球腎炎： （2）在纖維組織的增生、創(chuàng)傷愈合、類風(fēng)濕性 關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)滑液中等，F(xiàn)N,二）層粘連蛋白(laminin, LN) 層粘連蛋白主要存在于基膜(basal lamina)結(jié)構(gòu)中， 是基膜的主要結(jié)構(gòu)成分。 層粘連蛋白是高分子糖蛋白（820KD），動物 胚胎及成體組織的基膜的主要結(jié)構(gòu)組分之一； 層粘連蛋白的結(jié)構(gòu)由一

17、條重鏈和兩條輕鏈構(gòu)成 細(xì)胞通過層粘連蛋白錨定于基膜上； 層粘連蛋白中至少存在兩個(gè)不同的受體結(jié)合部位： 與型膠原的結(jié)合部位； 與細(xì)胞質(zhì)膜上的整聯(lián)蛋白結(jié)合的RGD序列,1.分子結(jié)構(gòu)： Laminins are a family of extracellular glycoproteins that consist of three different polypeptide chains linked by disulfide bonds and organized into a molecule resembling a cross with three short arms and one l

18、ong arm,2、層粘連蛋白的功能 多功能分子 首先作為基膜的主要結(jié)構(gòu)成分，對基膜的組裝起關(guān)鍵作用。它可作為粘著因子介導(dǎo)細(xì)胞粘著于膠原,使之發(fā)生鋪展。 Extracellular laminins can greatly influence a cells potential for migration, growth, and differentiation,3.LN與疾?。?（1）糖尿病具有廣泛的基膜改變； （2）腎小球腎炎：基膜中LN （3）在擴(kuò)張性心肌病、心肌炎患者：血液中出現(xiàn)抗LN的 抗體； （4）在酒精中毒性肝病、全身硬化癥、某些惡性腫瘤等， LN,第二節(jié) 細(xì)胞外基質(zhì)的特化結(jié)構(gòu)

19、基 底 膜,一、基底膜的分布(Basement membrane ) Basement membrane (or basal lamina) is the specialized ECM structures. It is a continuous sheet 40 to 120 nm thick: Surrounds muscle and fat cells; Underlies the basal surface of epithelial tissues, such as the epidermis of the skin, or the lining of the digestive

20、and respiratory tracts, Underlies the inner endothelial lining of blood vessels,二、基底膜的組成成分 1.型膠原 2.層粘連蛋白 是基膜的主要成分，也是基膜的組織者； 3.內(nèi)聯(lián)蛋白(entactin) 4.滲濾素（perlecan） 硫酸乙酰肝素 型膠原是基膜的核心分子，排列成網(wǎng)狀； 層粘連蛋白同型膠原結(jié)合，覆蓋在細(xì)胞表層,基底膜的結(jié)構(gòu)組成,三、基底膜的生物學(xué)功能 Basement membranes provide mechanical support for the attached cells; Serve

21、as a substratum for cell migration; Separate adjacent tissues within an organ; Basement membranes also serve as a barrier to the invasion of tissues by errant cancer cells,型膠原裝配的基膜,基膜中型膠原的網(wǎng)絡(luò) b. 雞胚角膜的基膜 （BL型膠原蛋白，E上皮細(xì)胞，C膠原,a.人皮膚 b.腎小球基膜（GBM，膠體金標(biāo)記,a. 基膜中型膠原的網(wǎng)絡(luò) b. 雞胚角膜的基膜 （BL型膠原蛋白，E上皮細(xì)胞，C膠原,細(xì)胞的形態(tài) 細(xì)胞骨架的組

22、裝 穩(wěn)定的（半橋粒） 細(xì)胞的存活 細(xì)胞 ECM間的相互作用 調(diào)控 細(xì)胞的凋亡 動態(tài)的（粘著斑） 細(xì)胞的增殖 細(xì)胞的分化 細(xì)胞的遷移,ECM不僅由座落在其上的細(xì)胞或臨近的細(xì)胞產(chǎn)生，而且 由細(xì)胞引導(dǎo)ECM精細(xì)結(jié)構(gòu)的排列； * ECM對細(xì)胞的形態(tài)和活動具有全方位的調(diào)控作用,第三節(jié) 細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞間的相互作用,一、細(xì)胞外基質(zhì)對細(xì)胞生物學(xué)行為的影響 （一）影響細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu) （二）影響細(xì)胞的生存與死亡 （三）影響細(xì)胞的增殖和分化 （四）影響細(xì)胞的遷移,細(xì)胞外基質(zhì)對細(xì)胞的存活、增殖具有不可或缺的作用,腫瘤細(xì)胞可抵抗“失巢凋亡”，從而在進(jìn)入血流后仍然保持存活狀態(tài)，可以在遠(yuǎn)處形成轉(zhuǎn)移灶,失巢凋亡,細(xì)胞脫離細(xì)胞外基質(zhì)就會走向凋亡，稱為失巢凋亡（Anoiki