CC BY
382
Кктково-м'язова система: вiд Адо Я
БОЛЬ. СУСТАВЫ
позвоночник
Ведущая рубрики:
ДЕДУХ Н.В.
Заведующая лабораторией морфологии соединительной ткани ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», доктор биологических наук, профессор
В биологии понятие «адгезия» включает в себя способность клеток формировать определенные типы гистологических структур, прикрепляться к субстратам, в том числе и синтетическим, которые используются в качестве заместительных материалов в хирургии. Специфичность клеточной и межклеточной адгезии определяется экспонированием на наружной поверхности клеток и присутствием в мат-риксе определенной комбинации и концентрации молекул рецепторов, в качестве которых выступаю т различные белковые молекулы. У внутренней поверхности плазматической мембраны рецепторы адгезии взаимодействуют с целым комплексом примембранных белков, которые служат для регулирования их функций, связи с цитоскелетом, а также для трансдукции сигналов с клеточной поверхности. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии важна для эмбрионального развития, а у взрослого человека адгезивные взаимодействия «клетка — клетка» и «клетка — матрикс» существенны для поддержания стабильности тканей и их функционирования.
Молекулы адгезии к внеклеточному матриксу и молекулы межклеточной адгезии разделяются на следующие группы: интегрины, кадгерины, иммуноглобулины и селектины, а также протеогликаны и гликопротеины. Благодаря присутствию этих молекул клетки способны избирательно связываться с другими клетками и с внеклеточным матриксом.
Молекулы адгезии
В многочисленном семействе рецепторов клеточной адгезии наиболее изучены интегрины, селектины, кадгерины и иммуноглобулины.
Интегрины. Идентифицировано около 20 разных членов семейства рецепторов-интегринов в разных типах клеток. Интегрины представляют собой поверхностные гетероди-мерные белки, которые обеспечивают адгезию клеток к компонентам внеклеточного матрикса и к другим клеткам. Индивидуальные интегрины строго специфичны. Центр связывания интегринов образован внеклеточными доменами а- и Р-субъединиц [1]. Интегрины функционируют в качестве как клеточно-субстратных, так и межклеточных адгезивных ре-
цепторов, то есть они узнают и связывают молекулы межклеточного матрикса, имеющие определенную аминокислотную последовательность, такую как Арг-Гли-Асп, присутствующую в коллагене I типа, фибронектине, фибриногене, лами-нине и др.; также, являясь трансмембранными белками, они взаимодействуют и с белками цитоскелета клетки. Передача информации может идти в направлении от внутриклеточных белков через рецептор во внеклеточный матрикс, а также из внеклеточной среды в клетку, определяя таким образом направленность ее дифференцировки, форму, митотическую активность, а также способность к движению. Исследования рецепторов интегринов важны для изучения взаимодействия клетки с коллагенами и фибронектином.
Таким образом, клеточно-матриксные взаимодействия интегринов модулируют широкий спектр поведения клеток за счет лиганд-рецепторного взаимодействия, вызывая специфический ответ клетки.
Кадгерины — семейство трансмембранных Са2+-зависи-мых гликопротеинов, участвующих в межклеточной адгезии [2]. Эти молекулы состоят из 723—748 аминокислотных остатков, являются важной составной частью адгезивных контактов, ответственны за организацию цитоскелета клетки. Кадгерины появляются в основном при межклеточной адгезии на стадиях морфо- и органогенеза. Они обеспечивают структурную целостность тканей (особенно эпителиального монослоя).
Селектины — семейство адгезивных гликопротеи-дов, которые имеют три характерные черты: вариабельное число (от 2 до 9) повторов комплемент-регулятор-ных белков, домен эпидермального фактора роста (EGF) и М-концевой лектиновый домен [2]. Физиологическая роль селектинов зависит от особенностей их организации. Хорошо изучены селектины Ь, Р и Е, а также глико-протеиновый лиганд-1 Р-селектина [1].
Иммуноглобулины. К суперсемейству иммуноглобулинов принадлежит ряд молекул адгезии эндотелиальных клеток, в том числе молекулы межклеточной адгезии, обозначаемые как 1САМ-1, -2, -3, УСАМ-1. На эндотелиальных клетках они являются поверхностными лигандами для интегри-
нов ЦЛ-1 и УЬА-4. УСЛМ-1 играет важную роль в адгезии лимфоцитов. Высокий уровень экспрессии 1САМ-2 имеет место на покоящихся эндотелиальных клетках.
Адгезивные рецепторы суперсемейства иммуноглобулинов участвуют в межклеточной адгезии, которая особенно важна в эмбриогенезе, заживлении ран и при иммунном ответе.
Фокальные комплексы адгезии
Клетки прикрепляются к поверхности только в отдельных локусах, так называемых точках фокальной адгезии. Фокальные комплексы адгезии индивидуальны для различных типов клеток. В среднем расстояние от клеток до субстрата в фокальных контактах составляет 10—15 микрон. Идентифицировано более 50 белков, принимающих участие в процессах адгезии клеток к матриксу [3].
Адгезия клеток тесно связана с функционированием аппарата движения клеток — микрофибриллами и микротрубочками, в которых формируются фокальные комплексы. Классы адгезивных структур зависят от натяжения и активности разных членов семейства генов. В качестве примера: гены КЬо активны для актинового цитоскелета, а гены Иас1 и КЬоА — для цитоскелета микротрубочек, что необходимо для поляризации и движения, гены Иас1 и Сёс42 — для формирования фокальных комплексов [4]. Цитоскелет в адгезивных взаимодействиях, вероятно, принимает участие в стабилизации молекул клеточной адгезии, что облегчает многоточечное связывание, а также придает прикрепляющейся клетке способность оказывать адгезию по отношению к соседней клетке или внеклеточному матриксу (и наоборот). От набора специфических типов молекул клеточной адгезии, присутствующих на поверхности двух соседних клеток, их распределения на ней, а также от их концентрации, связи с цитоске-летом зависит итоговая аффинность, при которой две соседние клетки связываются друг с другом или с внеклеточным матриксом [5].
В целом формирование фокальных комплексов адгезии — это скоординированная работа различных генов, экспрес-сирующих белки адгезии. Усиление связывания, осуществляемого молекулами клеточной адгезии, достигается за счет одновременного функционирования множества рецепторов с большим количеством лигандов на поверхности соседней клетки или в прилегающем матриксе. Адгезия двух типов клеток может модифицироваться в результате повышения количества адгезивных молекул на плазматической мембране либо при изменении их аффинности. Это может происходить двумя путями — за счет внутриклеточных везикул, способных активизироваться и через несколько минут устремляться к плазматической мембране, либо путем биосинтеза молекул и переноса их к мембране, что занимает несколько часов.
В классе молекул адгезии клетки с межклеточным веществом наиболее изучен ламинин — гетеротримерный протеин, состоящий из трех полипептидных цепей — а, Р и у. На сегодня для позвоночных описано 5 различных а-цепочек (а1—а5), 3 различных Р-цепочки (Р1—Р3) и у-цепочки (у1—у3). Комбинация этих цепочек формиру-
ет около 15 изоформ ламинина с профилем экспрессии, значительно отличающимся в различных тканях и на этапах развития [6]. Ламинины регулируют множество биологических функций, включая клеточную адгезию, движение клеток, пролиферацию, дифференциацию и продолжительность существования. Взаимодействие клеток с ламинином матрикса обеспечивается различными рецепторами, расположенными на поверхности клетки, включая интегрины а3р1, абр1, абр4 и а7р1.
Ламинины выявляются в различных клетках и тканях, в том числе в кости и межпозвоночном диске.
С нарушением способности клеток к прикреплению и избирательности адгезии связан широкий спектр патологических состояний: нейромышечных и неврологических расстройств, хронических воспалений, дегенеративных заболеваний, а также опухолевой инвазии и метастазирования.
Межпозвоночный диск и адгезия клеток
Межпозвоночный диск человека является динамичной структурой, которая претерпевает существенное изменение в макромолекулярной организации матрикса, составе и популяции клеток в процессе роста, старения и дегенерации. Межпозвоночный диск состоит из двух различных тканей — студенистого ядра и фиброзного кольца. Фиброзное кольцо представлено пластинами упорядоченно расположенных коллагеновых волокон, состоящих из коллагенов I и II типов [7]. Клетки фиброзного кольца (фиброхондроциты) ориентированы параллельно основному направлению волокон коллагена в пластинках и формируют длинные отростки, что помогает адгезии с межклеточным матриксом [8, 9]. Клетки внутреннего отдела фиброзного кольца и студенистого ядра имеют округлую форму, формируют перицеллюлярный матрикс, состоящий из фибронектина, коллагенов VI и II типов, а также протеогликанов. В студенистом ядре содержится большое количество беспорядочно расположенных волокон коллагена II типа и высокая концентрация протеогликанов.
Наиболее выраженные изменения в межпозвоночном диске происходят в центральном отделе студенистого ядра. При этом гелеобразная ткань теряет свою структурную организацию за счет снижения содержания протеогликанов и воды, нарушения адгезии клеток, что сопровождается дегенерацией структуры фиброзного кольца и студенистого ядра.
Клетки студенистого ядра синтезируют растворимые факторы, стимулирующие биосинтез и пролиферацию клеток в фиброзном кольце [10, 11].
Ламинины, располагаясь в матриксе, путем адгезии с клетками диска поддерживают их жизнеспособность и способствуют сохранению их фенотипа. Ламинин-клеточное взаимодействие является важной и уникальной составляющей для функционирования межпозвоночного диска.
Специфические изоформы ламининов и рецепторов были идентифицированы в различных областях межпозвоночного диска, но наиболее детально изучены в студенистом ядре.
В незрелом студенистом ядре и изолированных клетках методами иммуногистохимии была идентифицирована изо-
№ 4, 2011
www.pain.mif-ua.com
45
форма ламинина 111, адгезирующая длинные нотохордаль-ные клетки с помощью изоформ ламинина 511 и рецепторов интегринов (а6 и 4Р, СБ239) [12—14]. Также выявлен высокий уровень экспрессии цепочки у1-ламинина в незрелых клетках студенистого ядра, параллельно с экспрессией а6-субъединицы интегрина, и показано, что клетки студенистого ядра соединяются с ламинином 111 через интегрин-проводящий путь, который характерен только для этих клеток, в отличие от клеток смежного фиброзного кольца [13]. Выявлена адгезия клеток зрелого студенистого ядра с коллагеном II типа и с фибронектином межклеточного матрикса при участии изоформ ламинина 511 и 332. При этом адгезивная способность этих макромолекул была значительно больше по сравнению с ламинином 111. Однако изоформы лами-нина специфичны для незрелой и зрелой ткани студенистого ядра, связанных с ней рецепторов и их функциональное значение остается недостаточно изученным.
Значительные различия изоформ ламинина наблюдались между клетками студенистого ядра и фиброзного кольца, в том числе имели место различия в экспрессии а6-интегрина, субъединиц Р3 Р4 Р6 клеточной адгезии. Содержание ламини-нов выше в студенистом ядре по сравнению с фиброзным кольцом [15].
Адгезивные качества в диске могут зависеть от особенностей организации аггрекана. Межпозвоночный диск — это бессосудистая ткань. В качестве субстрата, ингибирующего прорастание сосудов в диск и их адгезию, выступает аггрекан, в частности соотношение в нем цепей гликозаминогликанов (хондроитинсульфаты и кератансульфаты) [16]. Выявлено, что аггреканы, присутствующие в фиброзном кольце, обла-
Список литературы
1. Голенченко В.А. Биологические мембраны / Биохимия: Учеб. для вузов / Под ред. Е.С. Северина — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. — С. 245-248.
2. Молекулы адгезии. — Электронный ресурс. Режим доступа: http://laboratory.rusmedserv.com/files/41_Molekuly_Adgezii. pdf.
3. Zamir E. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions / E. Zamir, B. Geiger // J. Cell Sci. — 2001. — Vol. 114. — P. 3583-3590.
4. Rho proteins, PI 3-kinases and monocyte/macrophage motility / A.J. Ridley, K.A. Beningo, M. Dembo et al. // FEBS Lett. — 2001. — Vol. 498. — P. 168-171.
5. Молекулы клеточной адгезии и рецепторы: сравнение функционирования. — Электронный ресурс. Режим доступа: http://humbio.ru/humbio/cytology/0000fac4.htm.
6. Colognato H. Form and function: the laminin family of geterotrimers / H. Colognato, P.D. Yurchenco // Dev. Dyn. — 2000. — Vol. 218. — P. 213-234.
7. Schollmeier G. Observationson fiber-forming collagens in the annulus
fibrosus / G. Schollmeier, R. Lahr-Eigen, K.U. Lewandrowski // Spine. — 2000. — Vol. 25. — P. 2736-2741.
8. Regional variations in the cellular matrix of the annulus fibrosus of the
intervertebral disc / S.B. Bruehlmann, J.B. Rattner, J.R. Matyas, N.A. Duncan // J. Anat. — 2002. — Vol. 201. — P. 159-171.
9. The micromechanical environment of intervertebral disc cells determined by a finite deformation, anisotropic, and biphasic finite element model / A.E. Baer, T.A. Laursen, F. Guilak, L.A. Setton // J. Biomech. Eng. — 2003. — Vol. 125. — P. 1-11.
10. Boyd L.M. Conditioned medium differentially regulates matrix protein gene expression in cells of the intervertebral disc / L.M. Boyd, J. Chen, L.A. Setton // Spine. — 2004. — Vol. 29, № 20. — P. 2217-2222.
дают более выраженным ингибирующим действием на адгезию эндотелиальных клеток по сравнению с клетками пуль-позного ядра [17].
Имеются единичные исследования, в которых была изучена экспрессия субъединиц интегринов, коллагена и фибронектина в дисках с грыжами [18]. С помощью поли-меразной цепной реакции и иммунопреципитации были оценены а1-, а2-, а5-, ау-, Р1- и р3-субъединицы интегрина, измерен уровень и-РНК, экспрессирумой для коллагенов I и II типов, а также для фибронектина. Экспрессия субъединиц а5 и Р1 была увеличена в межпозвоночных дисках с протрузией и особенно в дисках с экструзией. Различий в экспрессии а1, а2, ау и Р3 в нормальных и дегенеративных дисках не выявлено. Фибронектин, связывающий интегриновые рецепторы а5 и Р1, был повышен. В дисках с грыжеобразованием было также повышено содержание коллагена I типа, а коллагена II типа — снижено. Эти результаты можно объяснить нарушением адгезии между клетками и матриксом при дегенерации.
Еще одним вопросом, нуждающимся в изучении, является исследование адгезивных возможностей биоматериалов. Перспективным может быть насыщение поверхности биоматериалов адгезивными молекулами для лучшего контакта им-плантата с тканью реципиента [19].
Таким образом, одно из актуальных направлений в изучении клеточно-матриксных взаимодействий — это исследование молекул адгезии, вносящих определенный вклад в двигательные функции клетки в норме и патологии, влияющих на ее пролиферацию и метаболизм, формирование и поддержание жизнеспособности клеток и тканей.
11. Erwin W.M. Notochord cells regulate intervertebral disc chondrocyte proteoglycan production and cell proliferation / W.M. Erwin, R.D. Inman // Spine. — 2006. — Vol. 31, № 10. — P.1094-1099.
12. Nettles D.L. Integrin expression in cells of the intervertebral disc / D.L. Nettles, W.J. Richardson, L.A. Setton // J. Anat. — 2004. — Vol. 204. — P. 515-520.
13. Functional integrin subunits regulating cell-matrix interactions in the intervertebral disc / C.L. Gilchrist, J. Chen, W.J. Richardson et al. // Journal oforthopaedic research: official publication of the Orthopaedic Research Society. — 2007. — Vol. 25, № 6. — P. 829-340.
14. Expression of laminin isoforms, receptors and binding proteins unique to nucleus pulposus cells of immature intervertebral disc / J. Chen, L. Jing, C.L. Gilchrist et al. // Connect Tissue Res. — 2009. — Vol. 50, № 5. — P. 294-306.
15. Gilchrist C.L. Nucleus pulposus cell-matrix interactions with laminins / C.L. Gilchrist, A.T. Francisco, G.E. Plopper // European Cells and Materials. — 2011. — Vol. 21 — P. 523-532.
16. Roberts S. Human intervertebral disc aggrecan inhibits endothe-lial cell adhesion and cell migration // Quality validation date: 2006-08-01 — http://cordis.europa.eu/search/index.cfm?fuseaction= result.document&RS_LANG=EN&RS_RCN=8736051&pid=0&q =333B31F93B8EDF8EEAF50068770EAFC7&type=adv.
17. Human intervertebral disc aggrecan inhibits endothelial cell adhesion and cell migration in vitro / W.E.B. Johnson, B. Caterson, S.M. Eisenstein, S. Roberts // Spine. — 2005. — Vol. 30, Iss. 10. — P. 1139-1147.
18. Xia М. Expression ofintegrin subunits in the herniated intervertebral disc / М. Xia, Y. Zhu // Connect. Tissue Res. — 2008. — Vol. 49, № 6. — P. 464-469.
19. Laminin-functionalized biomaterials for intervertebral disc regeneration / A.T. Francisco, D. Phu, R.J. Mancino et al. — Электронный ресурс. Режим доступа: www.abstracts.conferencestrategists.com.
Получено 22.11.11 ■
