Введение

Белок во внеклеточном матриксе

Ламинины – это семейство гликопротеинов внеклеточного матрикса всех животных. Они являются основными компонентами базальной мембраны, а именно базальной пластинки (белковой сетевой основы для большинства клеток и органов). Ламинины жизненно важны для биологической активности, влияя на дифференцировку, миграцию и адгезию клеток. Ламинины – гетеротримерные белки с высокой молекулярной массой (~400–~900 кДа) и состоят из трех различных цепей (α, β и γ), кодируемых пятью, четырьмя и тремя паралогичными генами у человека соответственно. Молекулы ламинина получают название в соответствии с их цепным составом, например, ламинин 511 содержит цепи α5, β1 и γ1. In vivo идентифицировано четырнадцать других комбинаций цепей. Тримерные белки пересекаются, формируя крестообразную структуру, способную связываться с другими молекулами внеклеточного матрикса и клеточной мембраны. Три коротких плеча обладают сродством к связыванию с другими молекулами ламинина, способствуя формированию слоев. Длинное плечо способно связываться с клетками и помогает закреплять организованные клетки тканей к базальной мембране. Ламинины являются неотъемлемой частью структурной основы практически каждой ткани организма – они секретируются и включаются во внеклеточные матриксы, связанные с клетками. Эти гликопротеины необходимы для поддержания и жизнеспособности тканей; дефектные ламинины могут приводить к неправильному формированию мышц, вызывая мышечную дистрофию, смертельное образование пузырей на коже (буллезный эпидермолиз) и/или дефекты почечного фильтра (нефротический синдром).

Функция

Ламинины формируют самостоятельные сети и ассоциированы с сетями коллагена IV типа посредством энтактина, фибронектина и перлекана. Эти белки также связываются с клеточными мембранами через интеграли и другие молекулы плазматической мембраны, такие как дистрогликановый гликопротеиновый комплекс и гликопротеин системы группы крови Лютерана. Ламинин альфа4 обнаружен в различных тканях, включая периферические нервы, спинномозговые ганглии, скелетные мышцы и капилляры; в нейромышечном соединении он необходим для синаптической специализации. Структура G-домена ламинина, как предполагается, схожа со структурой пентраксина.

Роль в нервном развитии

Ламинин 111 является основным субстратом, по которому растут нервные аксоны как in vivo, так и in vitro. Например, он формирует путь, по которому развивающиеся ганглиозные клетки сетчатки следуют от сетчатки к тектуму. Он также часто используется в качестве субстрата в экспериментах с клеточными культурами. Присутствие ламинина 1 может влиять на то, как ростовой конус реагирует на другие сигналы. Например, ростовые конусы отталкиваются нетрином при культивировании на ламинине 111, но привлекаются к нетрину при культивировании на фибронектине. Этот эффект ламинина 111, вероятно, обусловлен снижением уровня внутриклеточного циклического АМФ.

Роль в восстановлении периферических нервов

Ламинины накапливаются в области повреждения после травмы периферического нерва и секретируются клетками Швана. Нейроны периферической нервной системы экспрессируют интеграновые рецепторы, которые связываются с ламининами и стимулируют нейрорегенерацию после повреждения.

Патология

Дисфункциональная структура одного конкретного ламинина, ламинина 211, является причиной одной формы врожденной мышечной дистрофии. Ламинин 211 состоит из α2, β1 и γ1 цепей. Распределение этого ламинина включает мозг и мышечные волокна. В мышцах он связывается с альфа-дистрогликаном и интеграном α7β1 через G-домен, а другим концом – с внеклеточным матриксом. Аномальный ламинин 332, необходимый для адгезии эпителиальных клеток к базальной мембране, приводит к бульёзному эпидермолизу, характеризующемуся генерализованными волдырями, выраженным образованием грануляционной ткани кожи и слизистых оболочек, и ямчатостью зубов. Нарушение функции ламинина 521 в почечном фильтре вызывает протеинурию и нефротический синдром.

Использование в клеточных культурах

Вместе с другими основными компонентами внеклеточного матрикса, такими как коллагены и фибронектин, ламинины использовались для повышения эффективности культивирования клеток млекопитающих, особенно плюрипотентных стволовых клеток, а также некоторых первичных клеточных культур, которые сложно культивировать на других субстратах. В коммерческой доступности находятся два типа ламининов, полученных из природных источников: ламинин 111, выделенный из сарком мыши, и смеси ламининов из плаценты человека, которые, в зависимости от производителя, могут в основном соответствовать ламинину 211, 411 или 511. Различные изоформы ламинина практически невозможно выделить из тканей в чистом виде из-за обширных поперечных связей и необходимости применения жестких условий экстракции, таких как протеолитические ферменты или низкий pH, вызывающие деградацию. Поэтому рекомбинантные ламинины производятся с 2000 года. Это позволило оценить, могут ли ламинины играть значимую роль in vitro, подобно их роли в организме человека. В 2008 году две независимые группы показали, что эмбриональные стволовые клетки мыши можно культивировать в течение нескольких месяцев на рекомбинантном ламинине 511. Впоследствии Родин и соавторы продемонстрировали, что рекомбинантный ламинин 511 может быть использован для создания ксенофрийной и строго определенной среды для культивирования человеческих плюрипотентных ЭС-клеток и человеческих iPS-клеток.

Ламининские домены

Ламинины содержат несколько консервативных белковых доменов.

Ламинин I и Ламинин II

Ламинины – это тримерные молекулы; ламинин 1 представляет собой тример альфа1 бета1 гамма1. Предполагается, что домены I и II ламининов A, B1 и B2 могут собираться вместе, формируя тройную спиральную суперспираль.

Ламинин B

Домен ламинина B (также известный как домен IV) — это внеклеточный модуль с неизвестной функцией. Он встречается в ряде различных белков, включая гепарансульфатный протеогликан из базальной мембраны, ламининоподобный белок из Caenorhabditis elegans и ламинин. Домен ламинина IV отсутствует в коротких ламининовых цепях (альфа4 или бета3).

Ламинин EGF-подобный

Помимо различных типов глобулярных доменов, каждая субъединица ламинина содержит в первой половине последовательные повторы длиной около 60 аминокислот, включающие восемь консервативных цистеинов. Третичная структура этого домена в своем N-конце отдаленно напоминает структуру модуля, подобного EGF. Он также известен как домен "LE" или "подобный EGF ламининового типа". Число копий домена, подобного EGF ламинина, в различных формах ламининов сильно варьируется: от 3 до 22 копий. В гамма-1 цепи ламинина мыши было показано, что седьмой домен LE является единственным, который связывается с нидогеном с высокой аффинностью. Участки связывания расположены на поверхности в петлях C1-C3 и C5-C6.

Ламинин G

Глобулярный (G) домен ламинина, также известный как домен LNS (ламинина альфа, нейрексина и глобулина, связывающего половые гормоны), в среднем состоит из 177 аминокислот и может встречаться от одной до шести копий в различных представителях семейства ламининов, а также в большом количестве других внеклеточных белков. Например, все альфа-цепи ламинина содержат пять ламининовых G-доменов, все белки семейства коллагенов – один ламининовый G-домен, белки CNTNAP – четыре ламининовых G-домена, тогда как нейрексины 1 и 2 содержат по шесть ламининовых G-доменов. В среднем, приблизительно четверть объема белков, содержащих ламининовые G-домены, приходится на сами эти домены. Наименьший ламининовый G-домен обнаружен в одном из белков коллагена (COL24A1; 77 аминокислот), а наибольший – в TSPEAR (219 аминокислот). Точная функция ламининовых G-доменов остается невыясненной, и различным модулям ламинина G приписывают разнообразные функции связывания. Например, альфа1- и альфа2-цепи ламинина содержат по пять ламининовых G-доменов с C-концевой стороны, при этом сайты связывания гепарина, сульфатидов и клеточного поверхностного рецептора дистрогликана находятся только в доменах LG4 и LG5. Белки, содержащие ламинин G, по-видимому, выполняют широкий спектр ролей в клеточной адгезии, сигнализации, миграции, сборке и дифференцировке.

Ламинин N-терминал

Сборка базальной мембраны – это кооперативный процесс, в котором ламинины полимеризуются посредством своего N-концевого домена (LN или домен VI) и закрепляются на поверхности клетки через свои G-домены. Нетрины также могут ассоциироваться с этой сетью за счет гетеротипических взаимодействий доменов LN. N-концевой домен ламинина содержится во всех субъединицах ламинина и нетрина, за исключением ламинина альфа-3A, альфа-4 и гамма-2.