Фибронектин: құрылымы, қасиеттері және жасушалық функциялары

Кіріспе

Клетканың жабысуына, өсуіне, қозғалуына және дифференциациясына қатысатын ақуыз.

Фибронектин – клеткадан тыс матрицаның жоғары молекулалық салмағы (~500 ~600 кДа) бар гликопротеіні, ол мембрана арқылы өтетін интегралдар деп аталатын рецепторлық ақуыздарға байланысады. Фибронектин сондай-ақ коллаген, фибрин және гепаран сульфаты протеогликандары (мысалы, синдекандар) сияқты басқа клеткадан тыс матрицалық ақуыздарға да байланысады. Фибронектин екі дерлік бірдей мономерден тұратын ақуыз димері түрінде болады, олар дисульфидтік байланыстар жұбымен байланысқан.

Құрылымы

Фибронектин екі полипептидтік тізбекшенің C-терминалды дисульфидтік байланыстармен байланысқан ақуыз димері ретінде бар. Фибронектиннің әрбір кішібірлігінің молекулалық салмағы ~230–~275 кДа және ол I, II және III типтегі үш модульден тұрады. Барлық үш модуль екі антипараллель β-парақтан құралған бета-сэндвич құрылымын қалыптастырады; алайда, I және II типтегі модульдер ішкі тізбекшелік дисульфидтік байланыстармен тұрақтандырылады, ал III типтегі модульдерде дисульфидтік байланыстар жоқ. III типтегі модульдерде дисульфидтік байланыстардың болмауы, күш түсірілген кезде олардың ішінара жазылуына мүмкіндік береді. Фибронектин протомерінің бойымен үш өзгеруші сплайсинг аймағы кездеседі. Жасушалық фибронектинде "қосымша" III типтегі модульдердің (EIIIA және EIIIB) біреуі немесе екеуі де болуы мүмкін, бірақ олар плазмалық фибронектинде кездеспейді. III14–15 (III типтегі 14-ші және 15-ші модульдер) арасында "өзгеруші" V аймағы бар. V аймағының құрылымы I, II және III типтегі модульдерден өзгеше, ал оның болуы мен ұзындығы өзгеріп отыруы мүмкін. V аймағы α4β1 интегралдарымен байланысу орнын қамтиды. Ол көбінесе жасушалық фибронектинде кездеседі, бірақ плазмалық фибронектин димеріндегі екі кішібірліктің тек біреуінде ғана V аймағының тізбегі болады. Модульдер фибронектин мономерінің бойымен бірнеше функционалдық және белокпен байланысу домендеріне орналасқан. Фибронектин басқа фибронектин молекулаларымен байланысуға мүмкіндік беретін төрт фибронектин байланысу домендері бар. Фибронектин сонымен қатар фибринмен (I1–5, I10–12), коллагенмен (I6–9), фибулин 1 (III13–14), гепаринмен және синдеканмен (III12–14) байланысу домендерін қамтиды. Фибринмен бірге плазмалық фибронектин жарақат алған жерге жиналып, қан тоқтауын қамтамасыз ететін және жақын жатқан тінді қорғайтын қан ұйығын қалыптастырады. Жарақаттанған тінді жаңару процесі жалғасқанда, фибробластар мен макрофагтар аймақты қайта құрастыра бастайды, уақытша қан ұйығы матрицасын құрайтын ақуыздарды ыдыратып, оларды қалыпты, айналадағы тіндерге ұқсас матрицамен алмастырады. Фибробластар плазмалық фибронектинді ыдырататын протеазаларды, соның ішінде матрицалық металлопротеиназаларды бөліп шығарады, содан кейін фибробластар жасушалық фибронектинді бөліп шығарып, оны ерімейтін матрицаға жинақтайды. Протеазалармен фибронектиннің фрагментациясы жараның жирылуын ынталандырады, жараның жазылуындағы маңызды қадам. Фрагменттелген фибронектин оның V аймағын одан әрі ашып көрсетеді, онда α4β1 интегралінің байланысу орны орналасқан. Фибронектиннің бұл фрагменттері α4β1 интегралін экспрессиялейтін жасушалардың байланысын күшейтеді, оларды айналадағы матрицаға жабысып, күшпен жиырылуға мүмкіндік береді деп есептеледі. Фибронектин эмбриогенез үшін қажет, ал фибронектин генін инактивациялау ерте эмбриондық өлімге әкеледі. Фибронектин эмбриондық даму кезінде жасушалардың қосылуын және қозғалуын бақылауда маңызды рөл атқарады. Сүтқоректілердің дамуында фибронектиннің болмауы мезодермалық, нейро түтіктік және тамырлардың дамуында ақауларға әкеледі. Сол сияқты, дамып келе жатқан қосмекенділерде қалыпты фибронектин матрицасының болмауы мезодермалық үлгіде ақауларға және гаструляцияның тежелуіне әкеледі. Фибронектин сонымен қатар қалыпты адам сілекейінде де кездеседі, ол ауыз қуысы мен жұтқыншақтың патогенді бактериялармен отарлануына жол бермейді.

Fibronectin exists as a protein dimer, consisting of two nearly identical polypeptide chains linked by a pair of C terminal disulfide bonds. Each fibronectin subunit has a molecular weight of ~230–~275 kDa and contains three types of modules: type I, II, and III. All three modules are composed of two anti parallel β sheets resulting in a Beta sandwich; however, type I and type II are stabilized by intra chain disulfide bonds, while type III modules do not contain any disulfide bonds. The absence of disulfide bonds in type III modules allows them to partially unfold under applied force. Three regions of variable splicing occur along the length of the fibronectin protomer. One or both of the "extra" type III modules (EIIIA and EIIIB) may be present in cellular fibronectin, but they are never present in plasma fibronectin. A "variable" V region exists between III14–15 (the 14th and 15th type III module). The V region structure is different from the type I, II, and III modules, and its presence and length may vary. The V region contains the binding site for α4β1 integrins. It is present in most cellular fibronectin, but only one of the two subunits in a plasma fibronectin dimer contains a V region sequence. The modules are arranged into several functional and protein binding domains along the length of a fibronectin monomer. There are four fibronectin binding domains, allowing fibronectin to associate with other fibronectin molecules. Fibronectin also contains domains for fibrin binding (I1–5, I10–12), collagen binding (I6–9), fibulin 1 binding (III13–14), heparin binding and syndecan binding (III12–14). Along with fibrin, plasma fibronectin is deposited at the site of injury, forming a blood clot that stops bleeding and protects the underlying tissue. As repair of the injured tissue continues, fibroblasts and macrophages begin to remodel the area, degrading the proteins that form the provisional blood clot matrix and replacing them with a matrix that more resembles the normal, surrounding tissue. Fibroblasts secrete proteases, including matrix metalloproteinases, that digest the plasma fibronectin, and then the fibroblasts secrete cellular fibronectin and assemble it into an insoluble matrix. Fragmentation of fibronectin by proteases has been suggested to promote wound contraction, a critical step in wound healing. Fragmenting fibronectin further exposes its V region, which contains the site for α4β1 integrin binding. These fragments of fibronectin are believed to enhance the binding of α4β1 integrin expressing cells, allowing them to adhere to and forcefully contract the surrounding matrix. Fibronectin is necessary for embryogenesis, and inactivating the gene for fibronectin results in early embryonic lethality. Fibronectin is important for guiding cell attachment and migration during embryonic development. In mammalian development, the absence of fibronectin leads to defects in mesodermal, neural tube, and vascular development. Similarly, the absence of a normal fibronectin matrix in developing amphibians causes defects in mesodermal patterning and inhibits gastrulation. Fibronectin is also found in normal human saliva, which helps prevent colonization of the oral cavity and pharynx by pathogenic bacteria.

Матрицаны құрастыру

Ұяшық фибронектині күрделі жасушалық процесте ерімейтін фибриллярлық матрицаға құрастырылады. Фибронектин матрицасының құрастырылуы ерігіш, тығыз фибронектин димерлері жасушалардан, көбінесе фибробластардан бөлінгенде басталады. Бұл ерігіш димерлер жасуша бетіндегі α5β1 интеграл рецепторларына байланысады және интегралдарды топтастыруға көмектеседі. Интегринмен байланысқан фибронектиннің жергілікті концентрациясы артады, бұл байланысқан фибронектин молекулаларының бір-бірімен оңай әрекеттесуіне мүмкіндік береді. Содан кейін көршілес жасушалар арасында қысқа фибронектин фибрилдері пайда бола бастайды. Матрицаның құрастырылуы барысында ерігіш фибрилдер клеткадан тыс матрицаны құрайтын ірі, ерімейтін фибрилдерге айналады. Фибронектиннің ерігіш фибрилден ерімейтін фибрилге өтуі фибронектиннің байланысқан молекуласының ұзындығы бойында жасырын фибронектин байланысу орындарының ашылуымен жүреді. Жасушалар фибронектинге байланысқан интеграл рецепторларын тартып, фибронектинді созады деп есептеледі. Бұл күш фибронектин лиганын ішінара жайып, жасырын фибронектин байланысу орындарын ашып, жақын маңдағы фибронектин молекулаларының бірігуіне мүмкіндік береді. Бұл фибронектин-фибронектин өзара әрекеттесуі ерігіш, жасушаға байланысты фибрилдердің тармақтануына және ерімейтін фибронектин матрицасына тұрақтандыруына мүмкіндік береді. Адамның дермалық қан эндотелий жасушаларында фибронектин матрицасының құрастырылуында (фибриллогенезінде) трансмембраналық CD93 ақуызының маңызды екені дәлелденді. Нәтижесінде, CD93 деңгейінің төмендеуі фибронектин фибриллогенезінің бұзылуына әкелді. Сонымен қатар, CD93 жоқ мидың торлы қабығында торлы қабықтың өсу алдындағы бөлігінде фибронектин матрицасының бұзылуы байқалды. Фибронектин карциноманың дамуына қатысты. Өкпе карциномында, әсіресе, ұсақ емес жасушалы өкпе карциномында фибронектин экспрессиясы жоғарылайды. Өкпе карциномы жасушаларының фибронектинге жабысуы ісік түзілуін күшейтеді және апоптозды тудыратын химиотерапиялық препараттарға қарсы тұруға көмектеседі. Фибронектиннің омыртқалы жануарлардың андроген рецепторларымен өзара әрекеттесетін гонадальды стероидтарды ынталандыратыны көрсетілді, олар клеткалық циклді басқаруға қатысатын циклодиндер мен туысқан гендердің экспрессиясын бақылай алады. Бұл байқайлар фибронектин өкпе ісігінің өсуін/өмір сүруін және терапияға төзімділігін арттыруы мүмкін, сондай-ақ жаңа қатерлі ісікке қарсы препараттарды әзірлеу үшін жаңа мақсатты ұсынуы мүмкін. Фибронектин 1 радиорезистенттілік және барлық қатерлі ісіктердің болжамын анықтау үшін әлеуетті биомаркер болып табылады. FN1 FGFR1 қосылысы фосфатуриялық мезенхималық ісіктерде жиі кездеседі.

Cellular fibronectin is assembled into an insoluble fibrillar matrix in a complex cell mediated process. Fibronectin matrix assembly begins when soluble, compact fibronectin dimers are secreted from cells, often fibroblasts. These soluble dimers bind to α5β1 integrin receptors on the cell surface and aid in clustering the integrins. The local concentration of integrin bound fibronectin increases, allowing bound fibronectin molecules to more readily interact with one another. Short fibronectin fibrils then begin to form between adjacent cells. As matrix assembly proceeds, the soluble fibrils are converted into larger insoluble fibrils that comprise the extracellular matrix. Fibronectin's shift from soluble to insoluble fibrils proceeds when cryptic fibronectin binding sites are exposed along the length of a bound fibronectin molecule. Cells are believed to stretch fibronectin by pulling on their fibronectin bound integrin receptors. This force partially unfolds the fibronectin ligand, unmasking cryptic fibronectin binding sites and allowing nearby fibronectin molecules to associate. This fibronectin fibronectin interaction enables the soluble, cell associated fibrils to branch and stabilize into an insoluble fibronectin matrix. A transmembrane protein, CD93, has been shown to be essential for fibronectin matrix assembly (fibrillogenesis) in human dermal blood endothelial cells. As a consequence, knockdown of CD93 in these cells resulted in the disruption of the fibronectin fibrillogenesis. Moreover, the CD93 knockout mice retinas displayed disrupted fibronectin matrix at the retinal sprouting front. Fibronectin has been implicated in carcinoma development. In lung carcinoma, fibronectin expression is increased especially in non small cell lung carcinoma. The adhesion of lung carcinoma cells to fibronectin enhances tumorigenicity and confers resistance to apoptosis inducing chemotherapeutic agents. Fibronectin has been shown to stimulate the gonadal steroids that interact with vertebrate androgen receptors, which are capable of controlling the expression of cyclin D and related genes involved in cell cycle control. These observations suggest that fibronectin may promote lung tumor growth/survival and resistance to therapy, and it could represent a novel target for the development of new anticancer drugs. Fibronectin 1 acts as a potential biomarker for radioresistance and for pan cancer prognosis. FN1 FGFR1 fusion is frequent in phosphaturic mesenchymal tumours.

Жараның сауығуындағы рөлі

Фибронектин жараның сауығуына терең әсер етеді, оның ішінде жасушалардың көшігуі мен өсуі үшін қажетті субстраттың қалыптасуы, түйіршікті ұлпаның дамуы мен ұйымдастырылуы, сондай-ақ коннективтік тіндер матрицасының қайта құрылуы мен жаңа синтезі. Фибронектиннің in vivo биологиялық маңызы жараның жазылу механизмі барысында зерттелді. Фибронектин жас және ересек тіндердің клеткадан тыс матрицасында орналасады (ересек тіндердің базалық мембраналарында емес), бірақ қабыну ошақтарында кеңірек таралған болуы мүмкін. Қан ұю кезінде фибронектин қан тіршігімен байланыста болады және XIII фактордың (фибрин тұрақтандырушы фактор) көмегімен фибринмен ковалентті байланысқа түседі. Фибробластар фибринге жабысып, жараның сауығуында маңызды рөл атқарады. Фибробластардың фибринге жабысуы үшін фибронектин қажет, және фибронектин фибринмен байланысқанда жабысу күшейеді. XIII фактор жетіспеушілігі бар пациенттерде жараның сауығуы бұзылады, себебі XIII факторы жетіспейтін фибробластар фибринде жақсы өспейді. Фибронектин макрофагтар мен фибробластардың бөлшектерді фагоцитоз жасауын күшейтеді. Фибробластардың жара орнында коллаген жинақталуы фибронектин көмегімен жүзеге асады. Фибронектин жаңадан жиналған коллаген фибрилдерімен тығыз байланысты екені анықталды. Фибрилдердің мөлшері мен гистологиялық боялу сипаттамаларына сүйенсек, олар кем дегенде жартылай III типті коллагеннен (ретикулинден) тұруы мүмкін. Табиғи коллагенді in vitro зерттеулер фибронектиннің басқа типтерге қарағанда III типті коллагенмен байланысатынын көрсетті.

In vivo және in vitro

Плазмалық фибронектин, гепатоциттермен синтезделген, және жақсы өсірілген фибробластар синтездейтін фибронектин ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес; иммунологиялық, құрылымдық және функционалдық ерекшеліктері анықталған.

Альцгеймер ауруына қарсы қорғаныш факторы ретінде фибронектиннің генетикалық өзгеруі

Көпорталықты, көпұлтты генетикалық эпидемиология және функционалдық геномика зерттеуінде фибронектин генінің нақты бір генетикалық вариациясы Альцгеймер ауруын дамыту қаупін төмендетуі көрсетілді. Бұл әсердің мидың қан-ми тосқауылы арқылы уытты қалдықтар мен ақуыз жинақталуын жою қабілетін күшейту арқылы жүзеге асуы мүмкін деп саналады.