EXTRACELLULAR MATRIX, ECM 细胞外基质 EXTRACELLULAR MATRIX, ECM

本章内容提要 第一节 ECM的成分 第二节 ECM的生物学作用 一、胶原 二、纤粘连蛋白 三、层粘连蛋白 四、氨基聚糖及蛋白聚糖 五、弹性蛋白 第二节 ECM的生物学作用

什么是ECM？ 机体的各种组织和器官都是由细胞核细胞外基质（ECM）共同组成的。

骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片 ECM的成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的功能相适应。如：角膜、肌腱。 不同组织的细胞分泌形成的ECM在特性上有显著的差异 。 能够分泌和形成ECM的主要细胞类群是成纤维细胞和少数其他特化组织的细胞。 骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片 左：骨细胞； 中：软骨组织； 右：结缔组织

ECM是细胞外大分子构成的高度的有组织的网络结构。影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。 包括：胶原collagen、非胶原糖蛋白non-collagen glycoprotein、氨基聚糖与蛋白聚糖proteoglycan、弹性蛋白elastin等。

结缔组织中含量较高。 主要成分： 不溶性的各类纤维（胶原和弹性蛋白）+可溶性的多聚体蛋白分子（蛋白聚糖和糖蛋白）。

上皮组织的细胞外基质

第一节 ECM的成分

一、胶原Collagen 是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30％以上。ECM主要成分，属不溶性纤维蛋白质。 功能：骨架结构，参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤；参与信号传递。 组成：由原胶原tropocollagen交联而成。 类型：已知至少20种胶原，由不同的结构基因编码。 I、II、III、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。

各类胶原都有两个共同的特点∶①都是由三条肽链组成；②各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同，这在其他蛋白质中从未发现过。

分子结构： 胶原纤维的基本结构单位是原胶原。 其肽链的一级结构具有(Gly-x-y)n重复序列， 其中x常为脯氨酸(Pro)， y常为羟脯氨酸(Hypro)或羟赖氨酸(Hylys)。 原胶原是由三条α-肽链组成的纤维状蛋白质， 相互拧成三股螺旋状构型， 长300nm， 直径1.5nm。

原胶原间共价交联，呈阶梯状排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。 新生儿的胶原交联程度低而易于抽提。 老年人胶原交联程度高，组织僵硬老化。

电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维; 图解是胶原的分子结构。

合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在RER上合成，形成三股螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基化修饰。 羟化反应由脯氨酰4、脯氨酰3羟化酶催化。 Vc是酶的辅助因子，Vc缺乏导致羟化反应不能进行。非羟化的前α链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏Vc可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。 交联：由侧向相邻的lys或hyl残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而成。

胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的，然后进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配，最后分泌到细胞外基质中                                                                                                                                脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌

                                                                                                                               胶原装配的主要步骤 由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联

原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。 胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。 随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。 胶原的作用 为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。 骨、腱和皮肤等组织的细胞外基质胶原含量高，刚性及抗张力大。 胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。 许多实验证明，某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导，可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的Ⅳ型胶原粘连。

如果编码胶原的基因发生突变，将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配，皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛。 过度松弛皮肤症 这是1890年拍摄的“弹性皮肤人”的照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中，由于胶原酶缺陷而引起，因为胶原酶缺陷，不能将前胶原转变成胶原。

二、非胶原蛋白 是细胞外基质成分的组织者，具有分别与细胞及其他ECM成分结合的多个结构域。 类型：纤黏连蛋白、层黏连蛋白、亲玻纤黏连蛋白、软骨黏连蛋白、凝血酶应答蛋白和von willebrand因子等。

I、纤粘连蛋白 Fibronectin（FN） 类型： 血浆FN： V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。 细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。 已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，形成多种异型分子。 结构： 含糖4.5－9.5％。每条FN有5－7个有特定功能的结构域 FN是一种大的纤维状糖蛋白，由两个亚单位构成二聚体，两条肽链的C端以二硫键共价相连，形成“V”形分子。

FN是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白，广泛存在于动物界， 包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个FN亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点 。 RGD序列: FN中与细胞结合的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列

组装： 不自发组装成，受细胞表面受体指导。 肿瘤细胞表面FN减少，因受体异常所致。 fibronectin dimer

功能： 介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展； 影响细胞的迁移； 人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。 FN可将细胞连接到ECM上；FN上的RGD（Arg-Gly-Asp）序列可与细胞表面的整合素结合。 影响细胞的迁移； 在正常组织里， 细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来， 并约束在一个固定的位置上，主要是靠FN来维持其稳定状态。 在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必需的。 在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位。 在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。 人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。

Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside

II、层粘连蛋白 laminin(LN) 结构： 由3条肽链借二硫键交联成十字形分子。 已知7种LN，8种亚单位（α1-3、β1-3、γ1-2）。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。 含糖量很高（15-28％），具有50条左右N-连接的糖链。 细胞通过LN锚定于基膜上，至少存在两个不同的受体结合部位： 与Ⅳ型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。

层粘连蛋白的结构 结构上呈现不对称的十字形， 由一条长臂和三条相似的短臂构成。β1和β2短臂上有两个球形域， α链上的短臂有三个球形结构域，其中有一个结构域同Ⅳ型胶原结合，第二个结构域同肝素结合，还有同细胞表面受体结合的结构域

层粘连蛋白是基膜(basal lamina)的主要结构成分。 基膜是一种复合的细胞外结构， 通常位于上皮和内皮的基底 面，是细胞外基质的特异区， 将细胞层和其下的结缔组织分 开。典型的基膜厚约50nm，有些基膜的厚度达200nm。 形成基膜的组织和细胞: ① 肌细胞和脂肪细胞的表面; ② 上皮组织基底面的下方，如皮肤上皮的下表面; ③ 血管内皮细胞的下表面。此外，施旺细胞(Schwann cells)的表面也有基膜。

结构: 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，LN是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而Ⅳ型胶原则是基膜的网状钢架 。 功能: 基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动

LN的功能：组成基膜，是胚胎发育中最早出现的ECM。 LN还有许多其他的作用，如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后再生。 如同纤粘连蛋白，细胞外的LN能够影响细胞的生长、迁移和分化。

四、氨基聚糖及蛋白聚糖 1．氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG） 是重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。因二糖单位之一常为氨基糖（N-乙酰氨基葡萄糖或N-乙酰氨基半乳糖）而得名。 二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。 可分为六种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。 透明质酸(HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。

氨基聚糖的分子特性及分布

2．蛋白聚糖 proteoglycan 是氨基聚糖（除HA）与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接的结合物。 核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。 首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）连接到Ser残基上，然后再延长糖链。

左蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚体；右氨基聚糖

HA在软骨组织ECM的蛋白聚糖中的作用 除HA及肝素外，其他GAG均不游离存在。 HA以非共价键连接许多蛋白聚糖单体形成多聚体。 如透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。 在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的抗压性。 HA在软骨组织ECM的蛋白聚糖中的作用

蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络结构，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。

蛋白聚糖的特性与功能 显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖； 软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力； 蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。

五、弹性蛋白 elastin 弹性蛋白(elastin)是弹性纤维的主要成分，外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。 弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大5倍。 弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，亦少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。 老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征: 构象呈无规则卷曲状态； 通过Lys残基相互交连成网状结构。

结构：是一种非糖基化的蛋白质，包含830个aa残基，富含脯氨酸和甘氨酸，但很少羟化。肽链中不含胶原特有的Gly-X-Y重复顺序。 由二类短肽交替排列构成。 一种是疏水短肽，赋予分子以弹性； 另一种为富Ala丙氨酸及Lys赖氨酸残基的α螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构。

第二节 细胞外基质的生物学作用 1．影响细胞的存活、死亡：如上皮细胞脱离ECM则发生anoikis，称定着依赖性。

3．调节细胞的增殖：如定着依赖性生长（anchorage dependent growth）。 4．控制细胞的分化：如，成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。 5．参与细胞的迁移：细胞的迁移依赖于细胞的粘附与细胞骨架的组装。 6． 同一些生长因子和激素结合进行信号转导；