细胞外基质(II)定义概述（Extracellular matrix, ECM)

1、细 胞 外 基 质(II)定义概述（Extracellular matrix, ECM) (二) 非胶原糖蛋白（non-collagenous glycoprotein） 非胶原糖蛋白由多个结构域构成的多功能的大分子既可与细胞相结合，又可与细胞外基质其它大分子相结合，介导细胞与细胞外基质其他成分的粘着是必要的结构成分，而且也是实现细胞外基质生物学作用的重要成分 。 一般特点 (二) 非胶原糖蛋白（non-collagenous glycoprotein） 这类蛋白有数十种，研究较多的是：纤连蛋白(Fibronectin, FN)层连蛋白(Laminin, LN) 一般特点（）分布可溶性二聚体，

2、存在于血浆及其它体液中，总称为血浆FN不溶性的寡聚体附着在细胞表面高度难溶的纤维性多聚体，存在于细胞外基质中，包括细胞间质及某些基膜中基质纤连蛋白与细胞表面纤连蛋白被总称为细胞FN,主要是由间质细胞产生。 1.纤连蛋白(Fibronectin,FN)(二) 非胶原糖蛋白铂标记的FN的旋转投影电镜图FN的结构模式图(二) 非胶原糖蛋白由两个相似的亚单位(230kDa)通过近羧基端的两个二硫键交联而成的“V”字形成二聚体分子。可形成许多功能性结构域，是一种多功能的分子(2) 分子结构(二) 非胶原糖蛋白1.纤粘连蛋白(Fibronectin,FN)FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识

3、别与结合的最小结构单位,如RGD(Arg-Gly-Asp)三肽序列，为与细胞表面某些整合素受体（如31、51、V1)识别与结合位点(2) 分子结构(二) 非胶原糖蛋白1.纤粘连蛋白(Fibronectin,FN)纤连蛋白亚单位肽链结构示意图COOHCOOHS SS SIIICSSHSHNH2纤维蛋白硫酸乙酰肝素胶原DNA整合素硫酸乙酰肝素 纤维蛋白模块类型：型型型*空间上相互靠近的几个模块构成一个结构域（图中以蓝色椭圆形示意）由多种细胞产生 血浆纤连蛋白主要来自于肝实质细胞，细胞表面和细胞外基质纤连蛋白主要由间质细胞产生纤连蛋白的异型分子均由同一结构基因编码，该基因有50个外显子。转录后的mR

4、NA前体以不同的方式剪接。产生不同的mRNA, 导致肽链的不同 (3) 来源及生物合成特点(二) 非胶原糖蛋白纤连蛋白(Fibronectin,FN)存在于各种基膜中的主要功能成分，是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分在成体上皮下和内皮下紧靠细胞基底肌细胞、脂肪细胞和神经髓鞘的周围胚胎细胞及某些癌细胞间。2.层连蛋白(Laminin, LN)(1) 分布 (二) 非胶原糖蛋白(2) 分子结构 结构独特，是由、三条不同的多肽链组成的异三聚体结构(trimeric structure)空间结构呈“十字架”形三条短臂分别由链、及的N末端肽链形成长臂为三条多肽链C末端区相互缠绕在一起，借链间二硫键构成

5、三链超螺旋结构(二) 非胶原糖蛋白2.层连蛋白(Laminin, LN)(2) 分子结构 形成多功能的结构域具有肝素结合部位通过entactin(粘结蛋白)或nidogin与perlecan(硫酸乙酰肝素)和型胶原间接结合 LN分子中至少有8个与细胞相结合的位点(二) 非胶原糖蛋白2.层连蛋白(Laminin, LN)铂标记的LN的旋转投影电镜图图19-7 层粘连蛋白分子结构左：铂标记的LN旋转投影电镜图右：分子结构示意图100nm111E1X：细胞P1：细胞RGD（小鼠）Entactin / NidogenPerlecan型胶原E8：细胞 神经轴突E3：肝素 Perlecan Fibulin

6、-1 细胞RGD（人）(2) 分子结构 LN为糖蛋白 LN为含糖量很高（25-30%）的糖蛋白，具有50条左右N连接的糖链，是迄今为止所知的糖链结构最复杂的糖蛋白 LN的多种受体均可识别与结合其糖链结构，因此，LN的糖链直接参与其生物学功能(二) 非胶原糖蛋白2.层连蛋白(Laminin, LN)(2) 分子结构 LN的功能 层连蛋白可作为包被的基质在体外研究其对细胞表型的影响 LN的重要生物学作用通过抗体封闭、突变及基因敲除等技术已得到充分证明 (二) 非胶原糖蛋白2.层粘连蛋白(Laminin, LN)(2) 来源及生物合成特点 来源 生成层连蛋白的细胞主要是坐落在基膜上的上皮细胞和内皮细

7、胞，以及被基膜包绕的肌细胞 生物合成特点 LN的生物合成特点与FN相似，存在分子的异型性。但其10种亚型单位分别由10个结构基因编码。(二) 非胶原糖蛋白2.层连蛋白(Laminin, LN) 弹性蛋白（elastin）是生物进化到脊椎动物时才出现的，存在于伸展性大的组织中，例如，疏松结缔组织、皮下、肺、脉管壁、子宫及胎盘等处。 (三) 弹性蛋白(elastin)（1）分布由750个氨基酸残基构成的高度疏水性蛋白质，富含Ala和Lys，很少羟化，完全没有羟赖氨酸（Hylys), 亦没有糖基化修饰由于它不含Gly-X-Y重复序列，故呈无规则卷曲结构（2） 分子结构(三) 弹性蛋白(elastin

8、)弹性蛋白的肽链由两种片断交替排列结合而成。一种片段是疏水性片断，赋予分子以弹性；另一种片段富含丙氨酸和赖氨酸的螺旋，负责在相邻分子间形成交联弹性蛋白并非弹性纤维的唯一成分，在弹性蛋白纤维的外围包绕着一层由7种糖蛋白构成的微原纤维壳。其中较大的一种糖蛋白是fibrillin，为保持弹性纤维的完整性所必需的成分（2） 分子结构(三) 弹性蛋白(elastin)stretchrelaxrelaxcross-linksingle elastin molecule 弹性蛋白分子交联成的网络示意图(三) 弹性蛋白(elastin)人表皮中的弹性蛋白纤维网络扫描电镜图 (已将胶原及氨基聚糖处理掉)(三)

9、弹性蛋白(elastin)（3） 功能极大增加了组织的伸展性和弹性。促进细胞的黏附，同时也是一种具有趋化作用的多肽分子。 (三) 弹性蛋白(elastin)（4）生成和降解 合成及加工降解主要是由弹性蛋白酶催化 (四)氨基聚糖与蛋白聚糖1. 氨基聚糖（glycosaminoglycan) GAG(1) 氨基聚糖的概念由重复的二糖单位氨基糖-糖醛酸n构成的直链多糖二糖单位一般由氨基己糖(N-酰氨基葡萄糖或N-酰氨基半乳糖)和糖醛酸组成，故又称为氨基聚糖或糖胺聚糖。(2)氨基聚糖的类型根据二糖单位的组成、结构及糖-肽连接方式的不同，将氨基聚糖分为六大类。氨基聚糖的分子特性及组织分布 氨基聚糖 重复

10、二糖单位 每二糖单位所含硫酸基 组织分布 透明质酸(HA)Hyaluronic acid 葡萄糖醛酸-N乙酰氨基葡萄糖 0 结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体 硫酸软骨素(CS)Chondroitin sulfate 葡萄糖醛酸-N乙酰氨基半乳糖 0.2-2.3 软骨、角膜、骨、皮肤、动脉 硫酸皮肤素(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 皮肤、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、动脉、细胞表面肝素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、皮肤、肥大细胞 硫酸角质素(KS)Keratan sulfate 半乳糖-N乙酰氨基葡萄糖 0.9-1.8 软骨、角膜、椎间盘 由氨基聚糖与蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成的巨大分子，其含糖量达9095构成蛋白聚糖的蛋白质称为核心蛋白(core protein)为单链多肽 一条核心蛋白质多肽链可以共价结合一至数百条氨基聚糖糖链，这些糖链可以相同或不同 不同的蛋白聚糖分子可含有数个不同的氨基聚糖2.蛋白聚糖 (proteoglycan, PG)(四)氨基聚糖与蛋白聚糖蛋白聚糖核心蛋白质分子量（Da）蛋白聚糖类型蛋白聚糖糖链数定 位功 能aggrecan210

12、, 000硫酸软骨素及硫酸角质素130软 骨与透明质酸形成大的聚合物，其支持、抗压作用Perlecan600，000硫酸乙酰肝素2-15基 膜结构及滤过作用decorin40, 000硫酸软骨素/硫酸皮肤素1结缔组织与I型胶原及TGF结合Betaglycan36, 000硫酸软骨素/硫酸皮肤素1细胞表面胞外基质与TGF结合，作为辅助受体Syndecan-132,000硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素 1-3上皮细胞表面上皮细胞粘合及结合FGF等Fibroglycan硫酸乙酰肝素 3成纤维细胞表面纤连蛋白的辅组受体serglycin20,000 硫酸软骨素/硫酸皮肤素10-15白细胞的分泌囊泡协助包装及

13、贮存分泌分子 蛋 白 聚 糖 的 分 子 特 性 及 组 织 分 布图19-9 软骨中的蛋白聚糖分子结构左：蛋白聚糖的电镜照片右：蛋白聚糖的模式图300nm透明质酸蛋白聚糖单体蛋白聚糖多聚体1m核心蛋白质连接蛋白质硫酸软骨素硫酸角质素透明质酸（放大）3. 生物学功能蛋白聚糖的结合功能蛋白聚糖分子含有一系列的结构位点，可与ECM、细胞表面以及生长因子等结合，发挥其生物学功能。(四)氨基聚糖与蛋白聚糖3. 生物学功能氨基聚糖和蛋白聚糖具有缓冲和抗压缩作用因为在外界压力作用下体积的缩小使其负电荷相互靠近，同种电荷间的排斥力产生膨胀压抵抗压缩，压力去除后则反弹，在弹性蛋白的协同作用下可恢复组织原有的体

14、积。(四)氨基聚糖与蛋白聚糖(四)氨基聚糖与蛋白聚糖3. 生物学功能 氨基聚糖参与细胞的迁移和增殖在胚胎组织和创伤组织中透明质酸合成旺盛、含量高，一旦细胞增殖到足够的数量或细胞迁移到位，便由透明质酸酶将其破坏。有的蛋白聚糖分子也含有EGF样结构，具有诱导细胞生长的作用。 (四)氨基聚糖与蛋白聚糖生物合成特点 肽链的合成 核心蛋白质肽链的合成在RER，为蛋白聚糖生成的限速步骤 肽链的糖基化(糖链的合成) 核心蛋白质的丝氨酸残基（常有Ser-Gly-X-Gly序列)的糖基化主要在GC中降解特点 可在一系列细胞外酶或细胞内溶酶体酶的催化下进行 细胞外基质的结构 基膜 (basement membra

15、nes, BM) 第二节 细胞外基质的结构和基膜 细胞外基质的结构 细胞外基质中的大分子成分种类繁多，以高度的组织状态存在 氨基聚糖和蛋白聚糖形成高度水化的多孔凝胶样基质，允许细胞在其间前以及营养物、代谢物、激素和细胞因子等在血液和组织细胞间迅速扩散，赋予组织以抗压性 细胞外基质的其他成分有序包埋于氨基聚糖和蛋白聚糖之中 细胞外基质的结构 细胞外基质中的大分子成分种类繁多，以高度的组织状态存在 胶原纤维提供张力，并作为细胞外基质的骨架结构，选择性地与其他成分结合，构成结构与功能的统一体 弹性纤维似橡皮条样赋予组织以回弹性 非胶原糖蛋白参与细胞之间的粘合以及细胞在基质上的粘着，并调节细胞的形态与

16、行为 基膜 特化的细胞外基质，为一薄而坚韧的网膜（一）基膜的分布各种上皮细胞及内皮细胞坐落的铺垫 包绕在肌纤维、神经鞘细胞及脂肪细胞周围，并使坐落在其上的细胞具有极性BLEC 鸡胚角膜基膜的扫描电镜图E：上皮细胞 BL：基膜 C：胶原上皮细胞层下的基膜模式图 上皮细胞的质膜 透明层 致密层 网织层 基膜厚约50nm基膜的分布情况示意图 基膜的生物学功能对细胞及分子的通透具有高度选择性决定上皮细胞和内皮细胞的形状与极性，影响细胞的代谢 基膜对于肿瘤的发展具有特别重要的意义促进细胞的增殖与分化，调控细胞迁移参与创伤修复 基膜的组成成分主要由型胶原、LN、nidogen/entactin(粘结蛋白)

17、及硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(perlecan)构成 大多数基膜不含FN，但是脉管内皮下、胚胎组织中、创伤组织中的基膜含有FN。 IV胶原是构成基膜的主要框架结构 型胶原分子通过C端球区之间的非共价相互作用及N端之间的共价交联而形成二维网络，为基膜提供造型及刚性 。 基膜结构模式图第三节 细胞与细胞外基质的相互作用细胞外基质的生物学作用通过细胞表面的细胞外基质特异性受体细胞外基质与信号传导细胞对细胞外基质具有调控作用 细胞外基质多样的生物学作用维持组织结构的整合性影响细胞的形态与极性影响细胞的存活和死亡调节细胞的增殖控制细胞的分化影响细胞的迁移 细胞外基质多样的生物学作用影响细胞的存活与死亡上皮细胞

18、及内皮细胞一旦脱离了ECM则会发生凋亡，此现象称为anoikis(失巢凋亡现象)正常真核细胞除成熟血细胞外，大多需粘附于一定的ECM上才能抑制凋亡而存活不同的细胞依赖于不同的受体和不同的ECM而存活。 决定细胞的形状各种细胞脱离了ECM呈单个游离状态时皆为球形上皮细胞仅在粘附于基膜时才能显现出其极性，通过细胞间连接的建立而形成柱状上皮细胞ECM决定细胞形状的作用是通过其受体影响细胞骨架的组装而实现的，并与其生命活动(增殖、分化、迁移等)相关 细胞外基质多样的生物学作用调节细胞的增殖定着依赖性生长(anchorage dependent growth) 细胞只有粘附与铺展在一定的ECM上才能接受

19、生长因子或细胞因子的刺激，从G1期进入S期在非粘附与铺展状态下，即使存在有效浓度的生长因子细胞周期仍然不能运行细胞增殖对ECM的需要有一定的选择性例如，成纤维细胞在FN上增殖加快，在LN上增殖减慢，而上皮细胞对FN及LN的增殖反应则相反。 细胞外基质多样的生物学作用调节细胞的增殖肿瘤细胞的增殖丧失定着依赖性，可在半悬浮状态(软胶中)增殖一些ECM成分的分子结构中存在某些生长因子的同源序列；还有一些ECM成分可结合生长因子，可能对细胞增殖产生直接或间接的作用。 细胞外基质多样的生物学作用控制细胞的分化某些类型的细胞通过与特定的ECM成分作用而撤出细胞周期，进行形态与功能的分化。 例如，成肌细胞在

20、FN基质上增殖并保持未分化的表型；而在LN基质上则停止增殖，进行分化，融合为肌管FN对于成红细胞则不刺激增殖，而促进分化。 细胞外基质多样的生物学作用影响细胞的迁移ECM可以控制细胞迁移的速度与方向，并为细胞迁移提供“脚手架”例如，FN可促进成纤维细胞及角膜上皮细胞的迁移；LN可促进胚胎细胞、内皮细胞及多种肿瘤细胞的迁移细胞的趋化性迁移依赖于ECM，这在胚胎发育及创伤愈合中具有重要意义。 细胞外基质多样的生物学作用影响细胞的迁移 细胞的迁移依赖于细胞的粘附与去粘附、细胞骨架的组装与去组装。细胞粘附于一定的ECM时诱导粘着斑的形成，粘着斑是联系ECM与细胞骨架的“桥梁”结构。 细胞外基质多样的生

21、物学作用 细胞外基质的受体特点 每一种细胞外基质成分一般都有多种受体,每一种受体又可以有两种以上的细胞外基质成分作为其配体 一些细胞外基质受体的活性受到细胞内信号的调节 细胞外基质受体的表达常与细胞分化和组织发育有关 细胞外基质的受体种类 整合素(integrins) 细胞表面与ECM结合的主要受体, 属于细胞粘附分子，作用依赖于Ca2+，为和亚单位构成的异二聚体。 非整合素Integrin整合素介导的信号传导具有双向作用 胞内信号外传(inside outsignaling)胞外信号内传(outside insignaling)细胞外基质的受体胞内信号外传(inside outsignali

22、ng) 细胞通过细胞内的信号来调节整合素受体与其配体结合的活性，产生不同的生物学效应。 细胞外基质的受体 整合素(integrins)胞外信号内传(outside insignaling) 整合素与细胞外基质结合后可启动细胞内的信号传导 细胞外基质的受体 整合素(integrins) 细胞外基质与信号转导整合素与配体间的亲合力可通过 整合素与其配体结合后聚集成簇,以形成稳定而牢固的粘合 整合素与其配体结合后,通过粘着斑中的微丝结合蛋白而间接与肌动蛋白丝相连, 从而稳固细胞骨架 细胞外基质与信号转导粘着斑 粘合连接的一种形式 由多种蛋白质分子有序的聚集在一起并相互作用形成的动态复合物 包括整合素

23、、粘着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）、踝蛋白（talin）、桩蛋白（paxillin）、纽蛋白(vinculin)、-辅肌动蛋白 (-actinin)、Src族激酶、Grb2等。 整合素通过与细胞骨架成分结合 而影响细胞的形状、铺展和迁移ECMintegrinGFRPlasma MembraneGFFAKSrc/FynGrb2SosRasRafMEKERK/MAPKJun/FosCyclin Dcell proliferationShcGrafCdc42CasPaxillinCrkC3G?Rap1RhoPI3KRacCytoskeleton changes,act

24、in filaments 组装形成张力纤维,Integrins clusteringCell shape changes,cell spreading稳定Focal AdhesionTensinPI3KPDKAktcell survivalCasp-9BadapoptosisJNKCell migrationFRNKCskPKC?PAK?图19-13 FAK分子的结构示意图NH2COOHkinase domainP1P2FATY925Y397Y577Y576结合talin及磷酸化的paxillinfocal adhesion targeting (FAT)结合Grb2的SH2结合Cas和Graf的SH3结合Cas的SH3调节其它激酶的活性FAK彼此聚合后相互催化分子间