• При нормальном развитии и заживлении ран клетки регулярно должны осуществлять процессы деградации и замещения внеклеточного матрикса
• Белки внеклеточного матрикса разрушаются под действием специфических протеаз, которые секретируются клетками в неактивной форме
• Эти протеазы активируются только в тех тканях, где это необходимо. Обычно активация происходит за счет протеолитического распада пропептида, входящего в состав протеазы
• Семейство металлопротеиназ матрикса (ММП) относится к наиболее представительному классу протеаз. Они способны разрушать все основные классы белков внеклеточного матрикса
• ММР активируют друг друга, отщепляя пропептиды. Это приводит к каскадной активации протеаз и к быстрой деградации белков внеклеточного матрикса
• ADAM представляют собой еще один класс протеаз, деградирующих внеклеточный матрикс. Эти протеазы также связываются с интегриновыми рецепторами внеклеточного матрикса, тем самым способствуя регуляции его сборки и его разрушению
• Чтобы защитить себя от нежелательной деградации, клетки секретируют ингибиторы протеаз
• Мутации в гене матриксной металлопротеиназы-2 у человека служат причиной многочисленных аномалий скелета. Это свидетельствует о значимости процессов перестройки внеклеточного матрикса в процессе развития
До сих пор мы обсуждали роль компонентов внеклеточного матрикса в регуляции функционирования клеток в многоклеточных организмах. Однако в организме также продуцируются протеазы, разрушающие внеклеточный матрикс. Зачем организму удалять компоненты, которые обеспечивают его целостность? Простейший ответ на этот вопрос состоит в том, что, подобно самим клеткам, внеклеточный матрикс должен обладать пластичностью, т. е. проявлять способность реагировать на изменения окружающей среды. Например, внеклеточный матрикс, окружающий развивающийся нейрон, не может быть того же типа, который необходим для поддержания жизнедеятельности нейрона после завершения дифференцировки, и должен замещаться при созревании этой клетки. Или внеклеточный матрикс, который образуется в раннем эмбриогенезе в местах перепонок между пальцами на руках и ногах, на поздних стадиях не требуется. Поэтому перепонки, включая матрикс, удаляются.
Вместе с тем, в результате различных травм и инфекций ткани повреждаются, и в процессе заживления раны поврежденные участки ткани деградируют и вместо них образуются новые. Кроме этого, небольшие пептиды, образующиеся при действии протеаз на белки внеклеточного матрикса, способствуют миграции клеток и, таким образом, стимулируют заживление ран. Эти пептиды также стимулируют миграцию опухолевых клеток. Наконец, при деградации внеклеточного матрикса иногда высвобождаются другие полезные компоненты, например факторы роста и гормоны, которые «попадаются» в сетку, образованную белками внеклеточного матрикса. На рисунке ниже представлены возможные субстраты действия протеаз, находящиеся во внеклеточном пространстве.
Как можно ожидать, клетки продуцируют примерно столько же протеаз, сколько внеклеточных белков подлежит деградации. Множество различных типов клеток секретируют во внеклеточное пространство десятки протеаз, и большая их часть циркулирует в крови. Конечно, существует потенциальная опасность того, что они способны связаться со здоровыми нормальными тканями и разрушить их. Поэтому многие из протеаз выходят из клеток в неактивной форме и активируются только в тех тканях, где это необходимо. Таким образом, их случайное связывание со здоровыми тканями не создает проблем для организма. Протеазу можно сравнить с карманным ножом, лезвие которого обычно убрано, и лишь в случае необходимости нож раскрывается, обнажая лезвие, и используется до тех пор, пока оно не затупится или же пока не попадется объект, который не поддается ножу (в случае протеазы это может быть молекула ингибитора фермента).
Для внеклеточных протеаз в ВКМ существует несколько потенциальных мишеней.
Иногда при деградации белков ВКМ образуются фрагменты, обладающие функциональной активностью.
Известно два семейства протеаз внеклеточного матрикса: металлопротеиназы матрикса (ММП) и ADAM (дезинтегрин и металлопротеиназа). Хотя представители обоих семейств разрушают белки внеклеточного матрикса, протеазы ADAM также участвуют в адгезии клеток, зависимой от интегрина.
У человека идентифицировано по меньшей мере 20 металлопротеиназ матрикса (ММП), и в зависимости от структуры и субстратной специфичности они подразделяются на шесть групп.
Все металлопротеиназы матрикса (ММП) имеют несколько общих свойств:
• Наличие сигнального пептида, который направляет протеазы из клеток, в которых они образовались.
• Присутствие в каталитическом домене высококонсервативного сайта связывания ионов цинка.
• Существование N-концевого пропептида, который действует подобно «рукоятке» в нашей аналогии карманного ножа: эта часть молекулы складывается, образуя ковалентную связь с ионом цинка, находящимся в каталитическом сайте. При этом ингибируется активность протеазы. При активации протеазы этот пропептид отщепляется с помощью фурина или близкого по свойствам фермента.
• Наличие домена гемопексина, который определяет субстратную специфичность протеазы.
• Присутствие «шарнирного» домена, с высоким содержанием пролина, связывающего каталитический домен с гемопексиновым.
Мембранные металлопротеиназы матрикса (ММП) на карбоксильном конце также содержат трансмембранный домен, который закрепляет белок в плазматической мембране.
Представители ММП семейства могут разрушить любой из гликопротеинов внеклеточного матрикса, о которых шла речь в отдельных статьях на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта), а также некоторые протеогликаны. Во многих случаях ММП функционируют группами. Особенно характерной является их способность отщеплять пропептиды от другие ММП, тем самым активируя их. Например, ММП-3 может активировать ММП-7, которая, в свою очередь, активирует ММП-2. Это обеспечивает быструю деградацию многих субстратов. Например, при совместном действии ММР-2, -3 и -7 распадается более десяти различных белков внеклеточного матрикса.
Обычно каскад протеолиза начинается с захвата активированной протеазы в сайте деградации. Например, в кровяном сгустке активируется протеаза плазмин, и для того, чтобы начать процесс реформирования ткани при заживлении раны, эта протеаза активирует несколько ММП, расположенных рядом.
Семейство ADAM содержит около 30 протеаз, которые присутствуют во многих организмах, и в 15 из них обнаружен консервативный каталитический сайт, связывающий цинк. К числу протеаз, содержащих этот сайт, относятся ММП и многие другие протеазы. Протеазы ADAM также содержат пропептид (или продомен), который функционирует, как и у ММП, т. е. является ингибитором каталитического сайта. Эти протеазы могут разрушать множество внеклеточных белков, включая белки внеклеточного матрикса. Они также содержат домен, который находится в белках, называемых дизинтегринами, которые связываются с основным интегриновым рецептором тромбоцитов и ингибирует их агрегацию в момент образования кровяного сгустка. Дизинтегриновый домен в ADAM, вероятно, функционирует как субстрат интегрина, тем самым обеспечивая взаимную адгезию клеток. Таким образом, хотя функции ADAM разнообразны, они служат регуляторами целостности структуры внеклеточного матрикса.
Активность ММП и ADAM блокируется растворимыми белками, которые называются тканевыми ингибиторами металлопротеаз (ТИМП). Клетки выделяют ТИМП для того, чтобы защитить себя (и окружающий матрикс) от деградации активированными протеазами. Иногда клетки секретируют белки внеклеточного матрикса, протеазы, которые их деградируют, а также их ингибиторы. При этом между процессами сборки матрикса и его деградации устанавливается состояние равновесия, очень чувствительное к изменению активности этих факторов. Когда система становится разбалансированной, как в случае опухолевого роста, происходит быстрая деградация тканей, способствующая выходу в кровоток опухолевых клеток. Поэтому ТИМП интенсивно исследуются в качестве потенциальных противоопухолевых средств.
Поскольку для связывания с большинством белков внеклеточного матрикса клетки используют интегриновые рецепторы, деградация этих белков может существенно отразиться на таких функциях, связанных с интегрином, как адгезия, миграция и передача сигналов. В некоторых случаях разрушение молекул внеклеточного матрикса приводит к высвобождению функционально активных фрагментов протеолиза, которые маскированы в интактных молекулах. Например, согласно одной из современных моделей, адгезия к фибриллярному коллагену, которая осуществляется посредством интегрина а2b1 индуцирует экспрессию ММП-1 в ряде клеток. Эта протеаза атакует коллаген, демаскируя такие новые сайты связывания, как последовательность Arg-Gly-Asp (RGD), которая связывается с другим интегриновым рецептором, avb3. В свою очередь, связывание с avb3 стимулирует сигнальный путь, включающий МАР киназы, что приводит к усилению экспрессии ММП-2. Образующаяся ММП-2 активируется при действии ММП-1 и завершает деградацию коллагеновых волокон.
При этом происходит не только удаление коллагена как субстрата клеточной адгезии, но и высвобождаются его фрагменты, способные стимулировать миграцию клеток из области деградации.
Показательным примером, иллюстрирующим важность ММП, служит существование группы наследственных заболеваний, объединяемых в группу «болезней потери костной массы». Эти болезни известны под названием синдрома Винчестера, синдрома Торга, синдрома нодулярного-артропатического-остеолиза и синдрома Аль-Акиль Севаири. У больных проявляются многочисленные нарушения строения скелета, связанные с утратой костей, включая резорбцию костей запястья и лодыжки, появление выраженных признаков артрита, сильного остеопороза и заметных нарушений структуры костей лица. Причина развития этих заболеваний связана с наследованием мутантных форм гена ММП-2 по аутосомно-рецессивному типу, что приводит к образованию неактивных форм этой протеиназы.
Шесть классов металлопротеиназ матрикса человека.
Для структур всех шести классов металлопротеиназ матрикса характерно наличие общих функциональных сайтов.
Представлена «усредненная» форма ММР, иллюстрирующая относительное расположение этих сайтов.
У некоторых ММР отсутствует один или несколько сайтов, однако у всех есть пропептид и каталитический домен.
Клетки секретируют протеазы для расщепления белков внеклеточного матрикса.
Они также секретируют ингибиторы протеаз.
Это позволяет контролировать в тканях процессы деградации и перестройки внеклеточного матрикса.
Модель деградации коллагена, которая предполагает, что вначале клетка посредством а2b1 интегриновых рецепторов связывается с коллагеном.
При действии ММП-1 структура коллагена меняется, и открываются сайты связывания для avb3 интегрина.
Адгезия посредством avb3 индуцирует экспрессию ММП-2 и дальнейшую деградацию коллагена.
