細胞連接與細胞外基質

1、細胞外基質與細胞連接,梅柱中病理生理學教研室,Extracellular matrix and cell junction,細胞信號轉導研究是 當前生命科學領域的一個核心,全世界自然科學研究中論文發(fā)表最集中的三個領域之一: 細胞信號轉導;目前全球藥物開發(fā)四分之一集中在：信號通路上的蛋白激酶，而已被批準上市的藥物中有超過三分之一的作用靶點是受體，其中絕大部分是GPCR。,細胞信號轉導研究的歷史,Receptor an

2、d EGF (1920~1950s);cAMP（Nobel prize, 1971);Growth factors (1986);Protein phosphorylation (1992);G protein (1994);NO (1998);Signal transduction in nervous system (2000);CDKs and cyclins (2001);Programmed cell deat

3、h (2002) ……,細胞信號轉導,細胞不是孤立存在的；多細胞生物的存活依賴于細胞間復雜的信息交流網絡以協(xié)調不同組織與器官中細胞的生長、分化與代謝；信號轉導決定了細胞的種屬、定位與功能；細胞信號轉導的障礙將導致諸多的疾病，如腫瘤、自身免疫性疾病以及糖尿病等。對細胞信號轉導的研究將使我們更為有效地治療。,信號轉導對細胞生命活動的調控,細胞外基質（extracellular matrix，ECM）是指由細胞分泌的，位于上皮或內皮細

4、胞下層和結締組織細胞周圍，為組織、器官提供力學支持和物理強度，并對細胞的黏附、遷移、增殖和分化等活動以及胚胎發(fā)生等產生影響的物質。,一、細胞外基質,,細胞外基質,,糖蛋白（glycoprotein）一種或多種糖以共價鍵連接到肽鏈上的蛋白質。蛋白聚糖（proteoglycan）由一個核心蛋白分子與多個糖氨多糖側鏈結合而成的大分子復合物。通過其分子篩形成基質防御屏障。,細胞外基質主要組成成分,蛋白質含量較多，糖所占比例變動大，表現為蛋

5、白質的特性；糖鏈中單糖的種類有：葡萄糖(Glu)、半乳糖(Gal)、甘露糖(Man)、N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)、巖藻糖(Fuc)、N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)、N-乙酰神經氨酸(NeuAc)；糖鏈的連接形式有：N-連接與O-連接兩種；分布細胞膜、溶酶體、細胞外液。,糖蛋白 (glycoprotein),糖蛋白糖鏈的N-連接型和O-連接型,連接方式,糖蛋白 (glycoprotein),糖基化修飾對蛋白質功能的影響,糖鏈

6、可影響糖蛋白生物活性：保護糖蛋白不受蛋白酶的水解，延長其半衰期；蛋白質的聚糖也可起屏障作用，影響糖蛋白的作用；聚糖還可以避免蛋白質中抗原決定簇被免疫系統(tǒng)識別而產生抗體。蛋白質糖基化修飾參與新生肽鏈的折疊：參與新生肽鏈的折疊并維持蛋白質的正確的空間構象；糖蛋白的糖基化與肽鏈的折疊及分揀密切相關。糖蛋白糖鏈可參與維系亞基聚合：具有功能的糖蛋白的二聚體，往往依靠糖-蛋白或糖-糖相互作用維系亞基的聚合和構象。,糖基化修飾對蛋白質

7、功能的影響,糖鏈參與蛋白質在細胞內的分揀、投送和分泌：有些蛋白質的投送信號存在于肽鏈內，但其功能的發(fā)揮依賴于糖鏈的存在。糖蛋白的糖鏈具有分子間的識別作用：糖鏈中單糖分子連接的多樣性是聚糖起到分子識別作用的基礎；某些受體與配體識別和結合需要糖鏈的參與；細胞表面糖復合物的糖鏈還能介導細胞-細胞的結合。,,膠原 (collagen),Collagen fibers Cells wrapped in collagen

8、 fibers,膠原 (collagen),膠原生物合成的特殊性 翻譯后加工和修飾：　　Pro、Lys－－羥基化　　羥賴氨酸－－糖基化　　Tyr－－硫酸化　　二硫鍵的形成　　鏈間組合等　膠原的生物學功能 主要是支持和抗拉力。,膠原 (collagen),5型膠原蛋白的結構及組織分布,膠原 (collagen),膠原與疾病,纖維化疾病（Fibrotic diseases ）；硬皮?。⊿cleroderma）；動

9、脈粥樣硬化（Atherosclerosis）；瘢痕疙瘩（Keloid）；成骨不全癥（Osteogenesis imperfecta ）……,纖連蛋白（fibronectin）,纖連蛋白的生物學功能參與細胞的黏附與遷移細胞的黏附與遷移是細胞與細胞外基質進行特異性識別、結合與作用的結果，這在胚胎發(fā)育、組織形成、損傷修復和腫瘤細胞的浸潤中起重要作用。纖連蛋白與心血管系統(tǒng)FN在心血管系統(tǒng)的正常發(fā)育、正常生理機能的維持中起重要作用，并

10、且與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展之間也有極為密切的聯系。纖連蛋白與結締組織衰老性疾病結締組織衰老性疾病以動脈粥樣硬化、骨質疏松以及骨關節(jié)炎等最為常見。這些結締組織的變化主要影響蛋白多糖和膠原網絡，FN的質和量的改變也與之有關。纖連蛋白與腫瘤轉移,層粘連蛋白（laminin ）,層粘連蛋白的生物學功能基底膜的主要組成成分；細胞黏附功能；促進大多數類型細胞的生長；在形態(tài)學發(fā)生中有重要作用；對腫瘤的浸潤與轉移有促進作用。,彈性蛋白（

11、elastin）,彈性蛋白的生物學功能形成彈性纖維。借助其彈性回縮作用，在維持呼吸和血壓，保持持續(xù)的血液灌注以及皮膚的彈性等方面有重要意義；促進細胞黏附。,,糖蛋白（glycoprotein）一種或多種糖以共價鍵連接到肽鏈上的蛋白質。蛋白聚糖（proteoglycan）由一個核心蛋白分子與多個糖氨多糖側鏈結合而成的大分子復合物。通過其分子篩形成基質防御屏障。,細胞外基質主要組成成分,蛋白聚糖是一條或多條糖胺聚糖以共價鍵與核心蛋

12、白形成的大分子糖復合物化合物；糖占比例大，約一半以上，具有多糖性質；分布于軟骨、結締組織、角膜基質、關節(jié)滑液、黏液、眼玻璃體等組織。,,蛋白聚糖（proteoglycan）,,蛋白聚糖（proteoglycan）,硫酸軟骨素（chondroitin sulfate） 由葡萄糖醛酸與N-乙酰半乳糖胺通過?-1, 3連接構成基本的重復單位。第4或6位硫酸化。硫酸皮膚素（dermatan sulfate） 含有一個或

13、多個艾杜糖酸殘基的硫酸軟骨素鏈。硫酸乙酰肝素（heparan sulfate） 由葡萄糖醛酸與N-乙酰葡糖胺通過?-1,4連接，兩個殘基可在O-或N-位點上發(fā)生廣泛的硫酸化修飾。 硫酸角質素（keratan sulfate） 半乳糖與N-乙酰葡糖胺通過?-1,4連接，每個殘基的第6位上發(fā)生硫酸化修飾。透明質酸（hyaluronan） 數量不定的多聚體葡糖酸與N-乙酰葡糖胺通過?-1,3連接構成。,,,

14、蛋白聚糖（proteoglycan）,蛋白聚糖的加工,在內質網上合成核心蛋白多肽鏈，同時在高爾基體內進行糖鏈延長或加工；多糖鏈的形成是由單糖逐個加上去的，糖醛酸由尿苷二磷酸葡糖醛酸（UDPGA）提供，單糖由UDP活化，硫酸由活性硫酸根（PAPS）提供，糖胺氨基來自于Gln。,,蛋白聚糖（proteoglycan）,蛋白聚糖是細胞外基質重要成分,構成細胞外基質在基質中蛋白聚糖和彈性蛋白、膠原蛋白以特殊方式連接，構成基質的特殊結構。這與

15、細胞的黏附、遷移、增殖和分化等有關。其它功能：抗凝血（肝素）；參與細胞識別結合與分化；維持軟骨機械性能（硫酸軟骨素）等。,聚糖作為信息分子的作用,特異的聚糖結構被細胞用來編碼若干重要信息，諸如糖蛋白的胞內定向轉運、細胞與細胞的相互作用、組織與器官發(fā)育以及細胞外信號轉導等。每一聚糖都有一個獨特的能被蛋白質閱讀，并與蛋白質相結合的三維空間構象，即糖密碼(sugar code)。,是細胞外基質與細胞骨架之間連接的紐帶,整合素 (in

16、tegrins)；細胞膜表達的糖蛋白；細胞膜表面特異性的受體Hyaluronan/CD44Thrombospondin/CD36Elastin-laminin/sGal粘附受體鈣粘素 (cadherins)細胞內粘附分子 (ICAMs),細胞外基質受體,整合素 (integrin),配基：纖連蛋白、層粘連蛋白以及其他細胞外含有RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）基序的蛋白質分子；功能：將細胞與細胞外基質連接起來；同時

17、將細胞外基質的信號傳遞到細胞內；參與血小板的聚集，是血液凝固的重要參與者，其功能缺陷可導致血小板無力。,,機械支持功能 細胞外基質是構成基膜和結締組織及各種器官被膜的主要成分，具有維持機體結構的完整性和為機體提供支架結構的作用。參與細胞黏附與遷移 細胞外基質分子中的細胞黏附位點與細胞膜上的相應的受體特異性結合，觸發(fā)跨膜信號轉導，對細胞的基因表達及細胞表型和功能產生影響。 　參與細胞增殖與分化

18、 某些類型的細胞外基質如成纖維細胞生長因子具有促有絲分裂原的功能，通過促進層粘連蛋白的合成與釋放，進一步刺激細胞的增殖與分化。,細胞外基質的生物學功能,多細胞有機體中，相鄰細胞之間通過形成各種連接結構，以加強細胞的機械聯系和組織的牢固性，同時協(xié)調細胞間的代謝活動，這種連接結構稱為細胞連接（cell junction）。包括細胞間或細胞與細胞外基質之間的聯系結構。,二、細胞連接,細胞連接的分類,緊密連接 (tight

19、junction)錨定連接 (anchoring junctions)通訊連接 (communicating junctions),緊密連接 (tight junction),緊密連接（tight junction）是封閉連接的主要形式，存在于上皮細胞側面頂端。緊密連接的結構,緊密連接的功能：形成滲漏屏障，起重要的封閉作用；隔離作用，使游離端與基底面質膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能。,緊密連接 (tight junction

20、),通過錨定連接將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或將細胞與基質相連形成一個堅固、有序的細胞群體；構成錨定連接的蛋白可分成兩類:細胞內附著蛋白(attachment proteins)，將特定的細胞骨架成分（中間纖維或肌動蛋白）同連接復合體結合在一起；跨膜連接的糖蛋白，其細胞內的部分與附著蛋白相連，細胞外的部分與相鄰細胞的跨膜連接糖蛋白相互作用或與胞外基質相互作用。,錨定連接(anchoring junctions),錨定連接(anchorin

21、g junctions),錨定連接的類型、結構與功能,與中間纖維相連的錨定連接橋粒(desmosome)：鉚接相鄰細胞，提供細胞內中間纖維的錨定位點，形成整體網絡，起支持和抵抗外界壓力與張力的作用。半橋粒(hemidesmosome)：半橋粒與橋粒形態(tài)類似，它通過細胞質膜上的膜蛋白整合素(integrin)將上皮細胞固著在基底膜上。中間連接：與肌動蛋白纖維相連的錨定連接黏著帶(adhesion belt)：相鄰細胞間形成一個連續(xù)

22、的帶狀結構，間隙約15-20nm；黏著斑(adhesion plaque):細胞通過肌動蛋白纖維和整合素與細胞外基質之間的連接方式。,橋粒 (desmosome),cadherins,,,integrins,,橋粒 (desmosome),錨定連接的類型、結構與功能,與中間纖維相連的錨定連接橋粒(desmosome)：鉚接相鄰細胞，提供細胞內中間纖維的錨定位點，形成整體網絡，起支持和抵抗外界壓力與張力的作用。半橋粒(hemides

23、mosome)：半橋粒與橋粒形態(tài)類似，它通過細胞質膜上的膜蛋白整合素(integrin)將上皮細胞固著在基底膜上。中間連接：與肌動蛋白纖維相連的錨定連接黏著帶(adhesion belt)：相鄰細胞間形成一個連續(xù)的帶狀結構，間隙約15-20nm；黏著斑(adhesion plaque):細胞通過肌動蛋白纖維和整合素與細胞外基質之間的連接方式。,Cadherin：鈣黏素Catenin：連環(huán)蛋白Actin filament：肌動蛋

24、白纖維,黏著斑,通訊連接 (communicating junctions),間隙連接：分布廣泛，幾乎所有的動物組織中都存在間隙連接；化學突觸：存在于可興奮細胞之間的細胞連接方式，它通過釋放神經遞質來傳導神經沖動；胞間連絲：高等植物細胞之間通過其相互聯接，完成細胞的通訊聯絡。,連接子(connexon) 是間隙連接的基本單位；每個連接子由6個connexin分子組成；連接單位由兩個連接子對接構成；連接子中心形成一個直徑約1.5

25、nm的孔道；間隙連接處相鄰細胞質膜間的間隙為2-3nm。,間隙連接（communication junction ）,左，連接子電鏡照片；右，間隙連接模型,間隙連接（communication junction ）,電偶聯,化學突觸,間隙連接通透性的調節(jié),降低胞質中的pH值和/或提高自由Ca2+的濃度都可以使其通透性降低；間隙連接的通透性受兩側電壓梯度的調控及細胞外化學信號的調控；這可能是避免由于個別細胞死亡或損傷而導致整片組

26、織受害的一種保護性措施。,1. 間隙連接在代謝偶聯中的作用間隙連接允許小分子代謝物和信號分子通過，是細胞間代謝偶聯的基礎；代謝偶聯作用在協(xié)調細胞群體的生物學功能方面起重要作用。2. 間隙連接在神經沖動信息傳遞過程中的作用電偶聯實現細胞間的快速通訊； 間隙連接調節(jié)和修飾相互獨立的神經元群的行為；協(xié)調心肌細胞、小腸平滑肌的收縮。3. 間隙連接在早期胚胎發(fā)育和細胞分化過程中的作用胚胎發(fā)育中細胞間的偶聯提供信號物質的通路, 從而