細胞外基質(zhì)(II)定義概述（Extracellular matrix, ECM)

1、細 胞 外 基 質(zhì)(II)定義概述（Extracellular matrix, ECM) (二) 非膠原糖蛋白（non-collagenous glycoprotein） 非膠原糖蛋白由多個結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的多功能的大分子既可與細胞相結(jié)合，又可與細胞外基質(zhì)其它大分子相結(jié)合，介導(dǎo)細胞與細胞外基質(zhì)其他成分的粘著是必要的結(jié)構(gòu)成分，而且也是實現(xiàn)細胞外基質(zhì)生物學(xué)作用的重要成分 。 一般特點 (二) 非膠原糖蛋白（non-collagenous glycoprotein） 這類蛋白有數(shù)十種，研究較多的是：纖連蛋白(Fibronectin, FN)層連蛋白(Laminin, LN) 一般特點（）分布可溶性二聚體，

2、存在于血漿及其它體液中，總稱為血漿FN不溶性的寡聚體附著在細胞表面高度難溶的纖維性多聚體，存在于細胞外基質(zhì)中，包括細胞間質(zhì)及某些基膜中基質(zhì)纖連蛋白與細胞表面纖連蛋白被總稱為細胞FN,主要是由間質(zhì)細胞產(chǎn)生。 1.纖連蛋白(Fibronectin,FN)(二) 非膠原糖蛋白鉑標記的FN的旋轉(zhuǎn)投影電鏡圖FN的結(jié)構(gòu)模式圖(二) 非膠原糖蛋白由兩個相似的亞單位(230kDa)通過近羧基端的兩個二硫鍵交聯(lián)而成的“V”字形成二聚體分子?？尚纬稍S多功能性結(jié)構(gòu)域，是一種多功能的分子(2) 分子結(jié)構(gòu)(二) 非膠原糖蛋白1.纖粘連蛋白(Fibronectin,FN)FN肽鏈中的一些短肽序列為細胞表面的各種FN受體識

3、別與結(jié)合的最小結(jié)構(gòu)單位,如RGD(Arg-Gly-Asp)三肽序列，為與細胞表面某些整合素受體（如31、51、V1)識別與結(jié)合位點(2) 分子結(jié)構(gòu)(二) 非膠原糖蛋白1.纖粘連蛋白(Fibronectin,FN)纖連蛋白亞單位肽鏈結(jié)構(gòu)示意圖COOHCOOHS SS SIIICSSHSHNH2纖維蛋白硫酸乙酰肝素膠原DNA整合素硫酸乙酰肝素 纖維蛋白模塊類型：型型型*空間上相互靠近的幾個模塊構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)域（圖中以藍色橢圓形示意）由多種細胞產(chǎn)生 血漿纖連蛋白主要來自于肝實質(zhì)細胞，細胞表面和細胞外基質(zhì)纖連蛋白主要由間質(zhì)細胞產(chǎn)生纖連蛋白的異型分子均由同一結(jié)構(gòu)基因編碼，該基因有50個外顯子。轉(zhuǎn)錄后的mR

4、NA前體以不同的方式剪接。產(chǎn)生不同的mRNA, 導(dǎo)致肽鏈的不同 (3) 來源及生物合成特點(二) 非膠原糖蛋白纖連蛋白(Fibronectin,FN)存在于各種基膜中的主要功能成分，是胚胎發(fā)育中最早出現(xiàn)的細胞外基質(zhì)成分在成體上皮下和內(nèi)皮下緊靠細胞基底肌細胞、脂肪細胞和神經(jīng)髓鞘的周圍胚胎細胞及某些癌細胞間。2.層連蛋白(Laminin, LN)(1) 分布 (二) 非膠原糖蛋白(2) 分子結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)獨特，是由、三條不同的多肽鏈組成的異三聚體結(jié)構(gòu)(trimeric structure)空間結(jié)構(gòu)呈“十字架”形三條短臂分別由鏈、及的N末端肽鏈形成長臂為三條多肽鏈C末端區(qū)相互纏繞在一起，借鏈間二硫鍵構(gòu)成

5、三鏈超螺旋結(jié)構(gòu)(二) 非膠原糖蛋白2.層連蛋白(Laminin, LN)(2) 分子結(jié)構(gòu) 形成多功能的結(jié)構(gòu)域具有肝素結(jié)合部位通過entactin(粘結(jié)蛋白)或nidogin與perlecan(硫酸乙酰肝素)和型膠原間接結(jié)合 LN分子中至少有8個與細胞相結(jié)合的位點(二) 非膠原糖蛋白2.層連蛋白(Laminin, LN)鉑標記的LN的旋轉(zhuǎn)投影電鏡圖圖19-7 層粘連蛋白分子結(jié)構(gòu)左：鉑標記的LN旋轉(zhuǎn)投影電鏡圖右：分子結(jié)構(gòu)示意圖100nm111E1X：細胞P1：細胞RGD（小鼠）Entactin / NidogenPerlecan型膠原E8：細胞 神經(jīng)軸突E3：肝素 Perlecan Fibulin

6、-1 細胞RGD（人）(2) 分子結(jié)構(gòu) LN為糖蛋白 LN為含糖量很高（25-30%）的糖蛋白，具有50條左右N連接的糖鏈，是迄今為止所知的糖鏈結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的糖蛋白 LN的多種受體均可識別與結(jié)合其糖鏈結(jié)構(gòu)，因此，LN的糖鏈直接參與其生物學(xué)功能(二) 非膠原糖蛋白2.層連蛋白(Laminin, LN)(2) 分子結(jié)構(gòu) LN的功能 層連蛋白可作為包被的基質(zhì)在體外研究其對細胞表型的影響 LN的重要生物學(xué)作用通過抗體封閉、突變及基因敲除等技術(shù)已得到充分證明 (二) 非膠原糖蛋白2.層粘連蛋白(Laminin, LN)(2) 來源及生物合成特點 來源 生成層連蛋白的細胞主要是坐落在基膜上的上皮細胞和內(nèi)皮細

7、胞，以及被基膜包繞的肌細胞 生物合成特點 LN的生物合成特點與FN相似，存在分子的異型性。但其10種亞型單位分別由10個結(jié)構(gòu)基因編碼。(二) 非膠原糖蛋白2.層連蛋白(Laminin, LN) 彈性蛋白（elastin）是生物進化到脊椎動物時才出現(xiàn)的，存在于伸展性大的組織中，例如，疏松結(jié)締組織、皮下、肺、脈管壁、子宮及胎盤等處。 (三) 彈性蛋白(elastin)（1）分布由750個氨基酸殘基構(gòu)成的高度疏水性蛋白質(zhì)，富含Ala和Lys，很少羥化，完全沒有羥賴氨酸（Hylys), 亦沒有糖基化修飾由于它不含Gly-X-Y重復(fù)序列，故呈無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)（2） 分子結(jié)構(gòu)(三) 彈性蛋白(elastin

8、)彈性蛋白的肽鏈由兩種片斷交替排列結(jié)合而成。一種片段是疏水性片斷，賦予分子以彈性；另一種片段富含丙氨酸和賴氨酸的螺旋，負責(zé)在相鄰分子間形成交聯(lián)彈性蛋白并非彈性纖維的唯一成分，在彈性蛋白纖維的外圍包繞著一層由7種糖蛋白構(gòu)成的微原纖維殼。其中較大的一種糖蛋白是fibrillin，為保持彈性纖維的完整性所必需的成分（2） 分子結(jié)構(gòu)(三) 彈性蛋白(elastin)stretchrelaxrelaxcross-linksingle elastin molecule 彈性蛋白分子交聯(lián)成的網(wǎng)絡(luò)示意圖(三) 彈性蛋白(elastin)人表皮中的彈性蛋白纖維網(wǎng)絡(luò)掃描電鏡圖 (已將膠原及氨基聚糖處理掉)(三)

9、彈性蛋白(elastin)（3） 功能極大增加了組織的伸展性和彈性。促進細胞的黏附，同時也是一種具有趨化作用的多肽分子。 (三) 彈性蛋白(elastin)（4）生成和降解 合成及加工降解主要是由彈性蛋白酶催化 (四)氨基聚糖與蛋白聚糖1. 氨基聚糖（glycosaminoglycan) GAG(1) 氨基聚糖的概念由重復(fù)的二糖單位氨基糖-糖醛酸n構(gòu)成的直鏈多糖二糖單位一般由氨基己糖(N-酰氨基葡萄糖或N-酰氨基半乳糖)和糖醛酸組成，故又稱為氨基聚糖或糖胺聚糖。(2)氨基聚糖的類型根據(jù)二糖單位的組成、結(jié)構(gòu)及糖-肽連接方式的不同，將氨基聚糖分為六大類。氨基聚糖的分子特性及組織分布 氨基聚糖 重復(fù)

10、二糖單位 每二糖單位所含硫酸基 組織分布 透明質(zhì)酸(HA)Hyaluronic acid 葡萄糖醛酸-N乙酰氨基葡萄糖 0 結(jié)締組織、皮膚、軟骨、滑液、玻璃體 硫酸軟骨素(CS)Chondroitin sulfate 葡萄糖醛酸-N乙酰氨基半乳糖 0.2-2.3 軟骨、角膜、骨、皮膚、動脈 硫酸皮膚素(DS)Dermatan sulfate 葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸- N乙酰氨基半乳糖 1.0-2.0 皮膚、血管、心、心瓣膜 硫酸乙酰肝素(HS)Heparan sulfate葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸- N乙酰氨基葡萄糖0.2-3.0肺、動脈、細胞表面肝素Heparin 葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸- N

11、乙酰氨基葡萄糖 2.0-3.0 肺、肝、皮膚、肥大細胞 硫酸角質(zhì)素(KS)Keratan sulfate 半乳糖-N乙酰氨基葡萄糖 0.9-1.8 軟骨、角膜、椎間盤 由氨基聚糖與蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基共價結(jié)合形成的巨大分子，其含糖量達9095構(gòu)成蛋白聚糖的蛋白質(zhì)稱為核心蛋白(core protein)為單鏈多肽 一條核心蛋白質(zhì)多肽鏈可以共價結(jié)合一至數(shù)百條氨基聚糖糖鏈，這些糖鏈可以相同或不同 不同的蛋白聚糖分子可含有數(shù)個不同的氨基聚糖2.蛋白聚糖 (proteoglycan, PG)(四)氨基聚糖與蛋白聚糖蛋白聚糖核心蛋白質(zhì)分子量（Da）蛋白聚糖類型蛋白聚糖糖鏈數(shù)定 位功 能aggrecan210

12、, 000硫酸軟骨素及硫酸角質(zhì)素130軟 骨與透明質(zhì)酸形成大的聚合物，其支持、抗壓作用Perlecan600，000硫酸乙酰肝素2-15基 膜結(jié)構(gòu)及濾過作用decorin40, 000硫酸軟骨素/硫酸皮膚素1結(jié)締組織與I型膠原及TGF結(jié)合Betaglycan36, 000硫酸軟骨素/硫酸皮膚素1細胞表面胞外基質(zhì)與TGF結(jié)合，作為輔助受體Syndecan-132,000硫酸軟骨素及硫酸乙酰肝素 1-3上皮細胞表面上皮細胞粘合及結(jié)合FGF等Fibroglycan硫酸乙酰肝素 3成纖維細胞表面纖連蛋白的輔組受體serglycin20,000 硫酸軟骨素/硫酸皮膚素10-15白細胞的分泌囊泡協(xié)助包裝及

13、貯存分泌分子 蛋 白 聚 糖 的 分 子 特 性 及 組 織 分 布圖19-9 軟骨中的蛋白聚糖分子結(jié)構(gòu)左：蛋白聚糖的電鏡照片右：蛋白聚糖的模式圖300nm透明質(zhì)酸蛋白聚糖單體蛋白聚糖多聚體1m核心蛋白質(zhì)連接蛋白質(zhì)硫酸軟骨素硫酸角質(zhì)素透明質(zhì)酸（放大）3. 生物學(xué)功能蛋白聚糖的結(jié)合功能蛋白聚糖分子含有一系列的結(jié)構(gòu)位點，可與ECM、細胞表面以及生長因子等結(jié)合，發(fā)揮其生物學(xué)功能。(四)氨基聚糖與蛋白聚糖3. 生物學(xué)功能氨基聚糖和蛋白聚糖具有緩沖和抗壓縮作用因為在外界壓力作用下體積的縮小使其負電荷相互靠近，同種電荷間的排斥力產(chǎn)生膨脹壓抵抗壓縮，壓力去除后則反彈，在彈性蛋白的協(xié)同作用下可恢復(fù)組織原有的體

14、積。(四)氨基聚糖與蛋白聚糖(四)氨基聚糖與蛋白聚糖3. 生物學(xué)功能 氨基聚糖參與細胞的遷移和增殖在胚胎組織和創(chuàng)傷組織中透明質(zhì)酸合成旺盛、含量高，一旦細胞增殖到足夠的數(shù)量或細胞遷移到位，便由透明質(zhì)酸酶將其破壞。有的蛋白聚糖分子也含有EGF樣結(jié)構(gòu)，具有誘導(dǎo)細胞生長的作用。 (四)氨基聚糖與蛋白聚糖生物合成特點 肽鏈的合成 核心蛋白質(zhì)肽鏈的合成在RER，為蛋白聚糖生成的限速步驟 肽鏈的糖基化(糖鏈的合成) 核心蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基（常有Ser-Gly-X-Gly序列)的糖基化主要在GC中降解特點 可在一系列細胞外酶或細胞內(nèi)溶酶體酶的催化下進行 細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu) 基膜 (basement membra

15、nes, BM) 第二節(jié) 細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基膜 細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu) 細胞外基質(zhì)中的大分子成分種類繁多，以高度的組織狀態(tài)存在 氨基聚糖和蛋白聚糖形成高度水化的多孔凝膠樣基質(zhì)，允許細胞在其間前以及營養(yǎng)物、代謝物、激素和細胞因子等在血液和組織細胞間迅速擴散，賦予組織以抗壓性 細胞外基質(zhì)的其他成分有序包埋于氨基聚糖和蛋白聚糖之中 細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu) 細胞外基質(zhì)中的大分子成分種類繁多，以高度的組織狀態(tài)存在 膠原纖維提供張力，并作為細胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)，選擇性地與其他成分結(jié)合，構(gòu)成結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體 彈性纖維似橡皮條樣賦予組織以回彈性 非膠原糖蛋白參與細胞之間的粘合以及細胞在基質(zhì)上的粘著，并調(diào)節(jié)細胞的形態(tài)與

16、行為 基膜 特化的細胞外基質(zhì)，為一薄而堅韌的網(wǎng)膜（一）基膜的分布各種上皮細胞及內(nèi)皮細胞坐落的鋪墊 包繞在肌纖維、神經(jīng)鞘細胞及脂肪細胞周圍，并使坐落在其上的細胞具有極性BLEC 雞胚角膜基膜的掃描電鏡圖E：上皮細胞 BL：基膜 C：膠原上皮細胞層下的基膜模式圖 上皮細胞的質(zhì)膜 透明層 致密層 網(wǎng)織層 基膜厚約50nm基膜的分布情況示意圖 基膜的生物學(xué)功能對細胞及分子的通透具有高度選擇性決定上皮細胞和內(nèi)皮細胞的形狀與極性，影響細胞的代謝 基膜對于腫瘤的發(fā)展具有特別重要的意義促進細胞的增殖與分化，調(diào)控細胞遷移參與創(chuàng)傷修復(fù) 基膜的組成成分主要由型膠原、LN、nidogen/entactin(粘結(jié)蛋白)

17、及硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(perlecan)構(gòu)成 大多數(shù)基膜不含F(xiàn)N，但是脈管內(nèi)皮下、胚胎組織中、創(chuàng)傷組織中的基膜含有FN。 IV膠原是構(gòu)成基膜的主要框架結(jié)構(gòu) 型膠原分子通過C端球區(qū)之間的非共價相互作用及N端之間的共價交聯(lián)而形成二維網(wǎng)絡(luò)，為基膜提供造型及剛性 。 基膜結(jié)構(gòu)模式圖第三節(jié) 細胞與細胞外基質(zhì)的相互作用細胞外基質(zhì)的生物學(xué)作用通過細胞表面的細胞外基質(zhì)特異性受體細胞外基質(zhì)與信號傳導(dǎo)細胞對細胞外基質(zhì)具有調(diào)控作用 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用維持組織結(jié)構(gòu)的整合性影響細胞的形態(tài)與極性影響細胞的存活和死亡調(diào)節(jié)細胞的增殖控制細胞的分化影響細胞的遷移 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用影響細胞的存活與死亡上皮細胞

18、及內(nèi)皮細胞一旦脫離了ECM則會發(fā)生凋亡，此現(xiàn)象稱為anoikis(失巢凋亡現(xiàn)象)正常真核細胞除成熟血細胞外，大多需粘附于一定的ECM上才能抑制凋亡而存活不同的細胞依賴于不同的受體和不同的ECM而存活。 決定細胞的形狀各種細胞脫離了ECM呈單個游離狀態(tài)時皆為球形上皮細胞僅在粘附于基膜時才能顯現(xiàn)出其極性，通過細胞間連接的建立而形成柱狀上皮細胞ECM決定細胞形狀的作用是通過其受體影響細胞骨架的組裝而實現(xiàn)的，并與其生命活動(增殖、分化、遷移等)相關(guān) 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用調(diào)節(jié)細胞的增殖定著依賴性生長(anchorage dependent growth) 細胞只有粘附與鋪展在一定的ECM上才能接受

19、生長因子或細胞因子的刺激，從G1期進入S期在非粘附與鋪展狀態(tài)下，即使存在有效濃度的生長因子細胞周期仍然不能運行細胞增殖對ECM的需要有一定的選擇性例如，成纖維細胞在FN上增殖加快，在LN上增殖減慢，而上皮細胞對FN及LN的增殖反應(yīng)則相反。 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用調(diào)節(jié)細胞的增殖腫瘤細胞的增殖喪失定著依賴性，可在半懸浮狀態(tài)(軟膠中)增殖一些ECM成分的分子結(jié)構(gòu)中存在某些生長因子的同源序列；還有一些ECM成分可結(jié)合生長因子，可能對細胞增殖產(chǎn)生直接或間接的作用。 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用控制細胞的分化某些類型的細胞通過與特定的ECM成分作用而撤出細胞周期，進行形態(tài)與功能的分化。 例如，成肌細胞在

20、FN基質(zhì)上增殖并保持未分化的表型；而在LN基質(zhì)上則停止增殖，進行分化，融合為肌管FN對于成紅細胞則不刺激增殖，而促進分化。 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用影響細胞的遷移ECM可以控制細胞遷移的速度與方向，并為細胞遷移提供“腳手架”例如，F(xiàn)N可促進成纖維細胞及角膜上皮細胞的遷移；LN可促進胚胎細胞、內(nèi)皮細胞及多種腫瘤細胞的遷移細胞的趨化性遷移依賴于ECM，這在胚胎發(fā)育及創(chuàng)傷愈合中具有重要意義。 細胞外基質(zhì)多樣的生物學(xué)作用影響細胞的遷移 細胞的遷移依賴于細胞的粘附與去粘附、細胞骨架的組裝與去組裝。細胞粘附于一定的ECM時誘導(dǎo)粘著斑的形成，粘著斑是聯(lián)系ECM與細胞骨架的“橋梁”結(jié)構(gòu)。 細胞外基質(zhì)多樣的生

21、物學(xué)作用 細胞外基質(zhì)的受體特點 每一種細胞外基質(zhì)成分一般都有多種受體,每一種受體又可以有兩種以上的細胞外基質(zhì)成分作為其配體 一些細胞外基質(zhì)受體的活性受到細胞內(nèi)信號的調(diào)節(jié) 細胞外基質(zhì)受體的表達常與細胞分化和組織發(fā)育有關(guān) 細胞外基質(zhì)的受體種類 整合素(integrins) 細胞表面與ECM結(jié)合的主要受體, 屬于細胞粘附分子，作用依賴于Ca2+，為和亞單位構(gòu)成的異二聚體。 非整合素Integrin整合素介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)具有雙向作用 胞內(nèi)信號外傳(inside outsignaling)胞外信號內(nèi)傳(outside insignaling)細胞外基質(zhì)的受體胞內(nèi)信號外傳(inside outsignali

22、ng) 細胞通過細胞內(nèi)的信號來調(diào)節(jié)整合素受體與其配體結(jié)合的活性，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。 細胞外基質(zhì)的受體 整合素(integrins)胞外信號內(nèi)傳(outside insignaling) 整合素與細胞外基質(zhì)結(jié)合后可啟動細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo) 細胞外基質(zhì)的受體 整合素(integrins) 細胞外基質(zhì)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)整合素與配體間的親合力可通過 整合素與其配體結(jié)合后聚集成簇,以形成穩(wěn)定而牢固的粘合 整合素與其配體結(jié)合后,通過粘著斑中的微絲結(jié)合蛋白而間接與肌動蛋白絲相連, 從而穩(wěn)固細胞骨架 細胞外基質(zhì)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)粘著斑 粘合連接的一種形式 由多種蛋白質(zhì)分子有序的聚集在一起并相互作用形成的動態(tài)復(fù)合物 包括整合素

23、、粘著斑激酶（focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）、踝蛋白（talin）、樁蛋白（paxillin）、紐蛋白(vinculin)、-輔肌動蛋白 (-actinin)、Src族激酶、Grb2等。 整合素通過與細胞骨架成分結(jié)合 而影響細胞的形狀、鋪展和遷移ECMintegrinGFRPlasma MembraneGFFAKSrc/FynGrb2SosRasRafMEKERK/MAPKJun/FosCyclin Dcell proliferationShcGrafCdc42CasPaxillinCrkC3G?Rap1RhoPI3KRacCytoskeleton changes,act

24、in filaments 組裝形成張力纖維,Integrins clusteringCell shape changes,cell spreading穩(wěn)定Focal AdhesionTensinPI3KPDKAktcell survivalCasp-9BadapoptosisJNKCell migrationFRNKCskPKC?PAK?圖19-13 FAK分子的結(jié)構(gòu)示意圖NH2COOHkinase domainP1P2FATY925Y397Y577Y576結(jié)合talin及磷酸化的paxillinfocal adhesion targeting (FAT)結(jié)合Grb2的SH2結(jié)合Cas和Graf的SH3結(jié)合Cas的SH3調(diào)節(jié)其它激酶的活性FAK彼此聚合后相互催化分子間