Введение

Сеть белков и молекул вне клеток, обеспечивающая структурную поддержку клеток. В биологии внеклеточный матрикс (ECM), также называемый межклеточным матриксом (ICM), представляет собой сеть, состоящую из внеклеточных макромолекул и минералов, таких как коллаген, ферменты, гликопротеины и гидроксиапатит, которые обеспечивают структурную и биохимическую поддержку окружающих клеток. Поскольку многоклеточность развивалась независимо в различных многоклеточных линиях, состав ECM варьируется между многоклеточными структурами; однако клеточная адгезия, межклеточное взаимодействие и дифференцировка являются общими функциями ECM. Животный внеклеточный матрикс включает в себя интерстициальный матрикс и базальную мембрану. Интерстициальный матрикс присутствует между различными клетками животных (то есть в межклеточных пространствах). Гели полисахаридов и волокнистых белков заполняют интерстициальное пространство и служат буфером сжатия, противодействующим нагрузке на ECM. Базальные мембраны представляют собой пленочные отложения ECM, на которых располагаются различные эпителиальные клетки. Каждый тип соединительной ткани у животных имеет свой тип ECM: коллагеновые волокна и минералы кости составляют ECM костной ткани; ретикулярные волокна и основное вещество составляют ECM рыхлой соединительной ткани; а плазма крови является ECM крови. Растительный ECM включает компоненты клеточной стенки, такие как целлюлоза, в дополнение к более сложным сигнальным молекулам. Некоторые одноклеточные организмы формируют многоклеточные биопленки, в которых клетки встроены в ECM, состоящий главным образом из внеклеточных полимерных веществ (EPS).

Структура

Компоненты внеклеточного матрикса (ВКМ) производятся внутри клеток резидентными клетками и секретируются в ВКМ посредством экзоцитоза. После секреции они агрегируют с существующим матриксом. ВКМ состоит из переплетенной сети волокнистых белков и гликозаминогликанов (ГАГ).

Протеогликаны

Гликозаминогликаны (GAG) — это полимеры углеводов, которые в основном присоединены к белкам внеклеточного матрикса с образованием протеогликанов (гиалуроновая кислота является заметным исключением; см. ниже). Протеогликаны обладают общим отрицательным зарядом, который притягивает положительно заряженные ионы натрия (Na+), что, в свою очередь, притягивает молекулы воды посредством осмоса, поддерживая гидратацию внеклеточного матрикса и резидентных клеток. Протеогликаны также могут способствовать захвату и хранению факторов роста во внеклеточном матриксе. Различные типы протеогликанов, встречающиеся во внеклеточном матриксе, описаны ниже.

Сульфат гепарана

Гепаран сульфат (ГС) — линейный полисахарид, встречающийся во всех тканях животных. Он существует в виде протеогликана (PG), к которому в непосредственной близости от клеточной поверхности или белков внеклеточного матрикса (ECM) присоединены две или три цепи ГС. Именно в такой форме ГС связывается с разнообразными белковыми лигандами и регулирует широкий спектр биологических процессов, включая процессы развития, ангиогенез, свертывание крови и метастазирование опухолей. Во внеклеточном матриксе, особенно в базальных мембранах, основными белками, к которым присоединен гепаран сульфат, являются многодоменные белки перлекан, агрин и коллаген XVIII.

Хондроитин сульфат

Хондроитин сульфаты способствуют прочности на растяжение хрящей, сухожилий, связок и стенок аорты. Также известно, что они оказывают влияние на нейропластичность.

кератансульфат

Кератановые сульфаты имеют переменное содержание сульфатов и, в отличие от многих других ГАГ, не содержат уроновой кислоты. Они содержатся в роговице, хрящах, костях и рогах животных.

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота (или "гиалуронан") – полисахарид, состоящий из чередующихся остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина, и, в отличие от других ГАГ, не входит в состав протеогликанов. Гиалуроновая кислота в внеклеточном пространстве обеспечивает тканям способность сопротивляться сжатию, создавая противодействующую силу тургора (набухания) за счет поглощения значительного количества воды. Таким образом, гиалуроновая кислота в большом количестве содержится в внеклеточном матриксе суставов, испытывающих нагрузку. Она также является основным компонентом интерстициального геля. Гиалуроновая кислота находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и транспортируется из клетки в процессе биосинтеза. Гиалуроновая кислота выступает в роли сигнального фактора окружающей среды, регулирующего поведение клеток в ходе эмбрионального развития, процессов заживления, воспаления и развития опухолей. Она взаимодействует со специфическим трансмембранным рецептором CD44.

Коллаген

Коллагены – наиболее распространенные белки в внеклеточном матриксе (ЭКМ). Фактически, коллаген является самым распространенным белком в человеческом организме и составляет 90% содержания белка костного матрикса. Коллагены присутствуют в ЭКМ в виде фибриллярных белков и обеспечивают структурную поддержку резидентных клеток. Коллаген экзоцитозируется в форме предшественника (проколлагена), который затем расщепляется проколлагеновыми протеазами для обеспечения внеклеточной сборки. Такие заболевания, как синдром Элерса-Данлоса, несовершенный остеогенез и эпидермолиз буллезный, связаны с генетическими дефектами в генах, кодирующих коллаген. Форма и размер MBV соответствуют ранее описанным экзосомам. Груз MBV включает различные молекулы белков, липиды, ДНК, фрагменты и микроРНК. Подобно биоскаффолдам ЭКМ, MBV могут изменять состояние активации макрофагов и влиять на различные клеточные свойства, такие как пролиферация, миграция и клеточный цикл. В настоящее время MBV рассматриваются как неотъемлемый и функционально важный компонент биоскаффолдов ЭКМ.

Фибронектин

Фибронектины – это гликопротеины, которые соединяют клетки с коллагеновыми волокнами во внеклеточном матриксе, обеспечивая перемещение клеток в нем. Фибронектины связывают коллаген и клеточные поверхностные интеграны, вызывая реорганизацию цитоскелета клетки для облегчения ее движения. Фибронектины секретируются клетками в развернутом, неактивном состоянии. Связывание с интегранами разворачивает молекулы фибронектина, позволяя им формировать димеры для полноценного функционирования. Фибронектины также участвуют в процессе заживления тканей, связываясь с тромбоцитами при свертывании крови и способствуя перемещению клеток в область повреждения. Это играет важную роль, поскольку помогает регулировать многие важные клеточные процессы, включая клеточное сокращение, миграцию и дифференцировку клеток. Ингибирование немускульного миозина II блокирует большинство этих эффектов. Хотя механизм этого явления изучен не полностью, предполагается, что адгезионные комплексы и актин-миозиновый цитоскелет, чьи сократительные силы передаются через трансклеточные структуры, играют ключевую роль в пока не выявленных молекулярных путях. Этот комплекс содержит множество белков, необходимых для дюротаксиса, включая структурные белки-якоря (интегрины) и сигнальные белки (адгезионная киназа (FAK), талин, винкулин, паксиллин, α-актинин, GTPазы и др.), которые вызывают изменения формы клеток и сократимости актомиозина. Считается, что эти изменения приводят к перестройке цитоскелета, облегчая направленную миграцию.

Функция

Благодаря своему разнообразному характеру и составу, внеклеточный матрикс (ЭКМ) может выполнять множество функций, таких как обеспечение поддержки, разделение тканей друг от друга и регулирование межклеточной коммуникации. ЭКМ регулирует динамическое поведение клетки. Кроме того, он секвестрирует широкий спектр клеточных факторов роста и служит их локальным резервуаром. Жесткость и эластичность ЭКМ имеют важное значение для миграции клеток, экспрессии генов и дифференцировки. Клетки активно воспринимают жесткость ЭКМ и предпочтительно мигрируют к более жестким поверхностям в явлении, называемом дюротаксисом. Они также распознают эластичность и соответствующим образом корректируют экспрессию генов, что все чаще становится предметом исследований из-за его влияния на дифференцировку и прогрессирование рака. В мозге, где гиалуронан является основным компонентом ЭКМ, матрикс проявляет как структурные, так и сигнальные свойства. Гиалуронан с высокой молекулярной массой действует как диффузионный барьер, способный модулировать диффузию в внеклеточном пространстве локально. При деградации матрикса фрагменты гиалуроната высвобождаются во внеклеточное пространство, где они функционируют как провоспалительные молекулы, координируя реакцию иммунных клеток, таких как микроглия.

Клеточная адгезия

Многие клетки связываются с компонентами внеклеточного матрикса. Клеточная адгезия может происходить двумя способами: посредством очаговых адгезий, соединяющих внеклеточный матрикс (ЭКМ) с актиновыми филаментами клетки, и гемидесмосом, соединяющих ЭКМ с промежуточными филаментами, такими как кератин. Эта клеточная адгезия к ЭКМ регулируется специфическими клеточными молекулами адгезии (CAM) на поверхности клетки, известными как интеграны. Интегрины – это белки клеточной поверхности, которые связывают клетки со структурами ЭКМ, такими как фибронектин и ламинин, а также с интегральными белками на поверхности других клеток. Фибронектины связываются с макромолекулами ЭКМ и облегчают их связывание с трансмембранными интегранами. Присоединение фибронектина к внеклеточному домену инициирует внутриклеточные сигнальные пути, а также ассоциируется с клеточным цитоскелетом посредством набора адапторных молекул, таких как актин. Например, у человеческих плодов внеклеточный матрикс взаимодействует со стволовыми клетками для роста и восстановления всех частей человеческого тела, и плоды могут восстанавливать любые повреждения, полученные в утробе матери. Ученые долгое время полагали, что матрикс перестает функционировать после полного развития организма. Ранее он использовался для помощи в заживлении разорванных связок у лошадей, но в настоящее время изучается как средство для регенерации тканей у людей. В контексте восстановления после травм и тканевой инженерии внеклеточный матрикс выполняет две основные функции. Во-первых, он предотвращает активацию иммунной системы в ответ на травму и последующую воспалительную реакцию и образование рубцовой ткани. Во-вторых, он способствует восстановлению ткани окружающими клетками, а не образованию рубцовой ткани. Не все устройства на основе ЭКМ получают из мочевого пузыря. Внеклеточный матрикс, полученный из подслизистой оболочки тонкого кишечника свиней, используется для восстановления "дефектов межпредсердной перегородки" (ДМПП), "открытого овального окна" (ООО) и паховых грыж. Через год 95% коллагенового ЭКМ в этих патчах заменяются организмом нормальной мягкой тканью сердца. Белки внеклеточного матрикса обычно используются в системах клеточной культуры для поддержания стволовых и предшественнических клеток в недифференцированном состоянии в процессе культивирования и для индукции дифференцировки эпителиальных, эндотелиальных и гладкомышечных клеток in vitro. Белки внеклеточного матрикса также могут использоваться для поддержки 3D-культивирования клеток in vitro для моделирования развития опухолей. Класс биоматериалов, полученных путем обработки тканей человека или животных с сохранением компонентов внеклеточного матрикса, называется ЭКМ-биоматериалами.

В растениях

Растительные клетки тесселированы, формируя ткани. Клеточная стенка – относительно жесткая структура, окружающая растительную клетку. Клеточная стенка обеспечивает боковую прочность, противодействуя осмотическому тургорному давлению, но при этом достаточно гибкая, чтобы обеспечивать рост клетки при необходимости; она также служит средой для межклеточной коммуникации. Клеточная стенка состоит из множества ламинатных слоев целлюлозных микрофибрилл, внедренных в матрицу гликопротеинов, включающую гемицеллюлозу, пектин и экстензин. Компоненты гликопротеиновой матрицы способствуют связыванию клеточных стенок соседних растительных клеток друг с другом. Селективная проницаемость клеточной стенки главным образом определяется пектинами в гликопротеиновой матрице. Плазмодесмы (единственное число: плазмодесма) – это поры, пронизывающие клеточные стенки соседних растительных клеток. Эти каналы строго регулируются и избирательно пропускают молекулы определенных размеров между клетками.

История

Важность внеклеточного матрикса давно признана (Льюис, 1922), но использование этого термина появилось позднее (Gospodarowicz et al., 1979).