細(xì)胞連接與細(xì)胞外基質(zhì)

1、細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞連接,梅柱中病理生理學(xué)教研室,Extracellular matrix and cell junction,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究是 當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域的一個核心,全世界自然科學(xué)研究中論文發(fā)表最集中的三個領(lǐng)域之一: 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo);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(zhǔn)上市的藥物中有超過三分之一的作用靶點(diǎn)是受體，其中絕大部分是GPCR。,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo),細(xì)胞不是孤立存在的；多細(xì)胞生物的存活依賴于細(xì)胞間復(fù)雜的信息交流網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)不同組織與器官中細(xì)胞的生長、分化與代謝；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)決定了細(xì)胞的種屬、定位與功能；細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的障礙將導(dǎo)致諸多的疾病，如腫瘤、自身免疫性疾病以及糖尿病等。對細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究將使我們更為有效地治療。,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對細(xì)胞生命活動的調(diào)控,細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）是指由細(xì)胞分泌的，位于上皮或內(nèi)皮細(xì)

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

5、白質(zhì)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(jīng)氨酸(NeuAc)；糖鏈的連接形式有：N-連接與O-連接兩種；分布細(xì)胞膜、溶酶體、細(xì)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(zhì)功能的影響,糖鏈

6、可影響糖蛋白生物活性：保護(hù)糖蛋白不受蛋白酶的水解，延長其半衰期；蛋白質(zhì)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(zhì)中抗原決定簇被免疫系統(tǒng)識別而產(chǎn)生抗體。蛋白質(zhì)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(zhì)的正確的空間構(gòu)象；糖蛋白的糖基化與肽鏈的折疊及分揀密切相關(guān)。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(gòu)象。,糖基化修飾對蛋白質(zhì)

7、功能的影響,糖鏈參與蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分揀、投送和分泌：有些蛋白質(zhì)的投送信號存在于肽鏈內(nèi)，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(chǔ)；某些受體與配體識別和結(jié)合需要糖鏈的參與；細(xì)胞表面糖復(fù)合物的糖鏈還能介導(dǎo)細(xì)胞-細(xì)胞的結(jié)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(xué)功能 主要是支持和抗拉力。,膠原 (collagen),5型膠原蛋白的結(jié)構(gòu)及組織分布,膠原 (collagen),膠原與疾病,纖維化疾?。‵ibrotic 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(xué)功能參與細(xì)胞的黏附與遷移細(xì)胞的黏附與遷移是細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行特異性識別、結(jié)合與作用的結(jié)果，這在胚胎發(fā)育、組織形成、損傷修復(fù)和腫瘤細(xì)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(jī)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(lián)系。纖連蛋白與結(jié)締組織衰老性疾病結(jié)締組織衰老性疾病以動脈粥樣硬化、骨質(zhì)疏松以及骨關(guān)節(jié)炎等最為常見。這些結(jié)締組織的變化主要影響蛋白多糖和膠原網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)N的質(zhì)和量的改變也與之有關(guān)。纖連蛋白與腫瘤轉(zhuǎn)移,層粘連蛋白（laminin ）,層粘連蛋白的生物學(xué)功能基底膜的主要組成成分；細(xì)胞黏附功能；促進(jìn)大多數(shù)類型細(xì)胞的生長；在形態(tài)學(xué)發(fā)生中有重要作用；對腫瘤的浸潤與轉(zhuǎn)移有促進(jìn)作用。,彈性蛋白（

11、elastin）,彈性蛋白的生物學(xué)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(jìn)細(xì)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(zhì)。蛋白聚糖（proteoglycan）由一個核心蛋白分子與多個糖氨多糖側(cè)鏈結(jié)合而成的大分子復(fù)合物。通過其分子篩形成基質(zhì)防御屏障。,細(xì)胞外基質(zhì)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(fù)合物化合物；糖占比例大，約一半以上，具有多糖性質(zhì)；分布于軟骨、結(jié)締組織、角膜基質(zhì)、關(guān)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(gòu)成基本的重復(fù)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(diǎn)上發(fā)生廣泛的硫酸化修飾。 硫酸角質(zhì)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(zhì)酸（hyaluronan） 數(shù)量不定的多聚體葡糖酸與N-乙酰葡糖胺通過?-1,3連接構(gòu)成。,,,

14、蛋白聚糖（proteoglycan）,蛋白聚糖的加工,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成核心蛋白多肽鏈，同時在高爾基體內(nèi)進(jìn)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(xì)胞外基質(zhì)重要成分,構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)在基質(zhì)中蛋白聚糖和彈性蛋白、膠原蛋白以特殊方式連接，構(gòu)成基質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)。這與

15、細(xì)胞的黏附、遷移、增殖和分化等有關(guān)。其它功能：抗凝血（肝素）；參與細(xì)胞識別結(jié)合與分化；維持軟骨機(jī)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(jié)構(gòu)被細(xì)胞用來編碼若干重要信息，諸如糖蛋白的胞內(nèi)定向轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用、組織與器官發(fā)育以及細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。每一聚糖都有一個獨(dú)特的能被蛋白質(zhì)閱讀，并與蛋白質(zhì)相結(jié)合的三維空間構(gòu)象，即糖密碼(sugar code)。,是細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞骨架之間連接的紐帶,整合素 (in

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

17、將細(xì)胞外基質(zhì)的信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)；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(dǎo)致血小板無力。,,機(jī)械支持功能 細(xì)胞外基質(zhì)是構(gòu)成基膜和結(jié)締組織及各種器官被膜的主要成分，具有維持機(jī)體結(jié)構(gòu)的完整性和為機(jī)體提供支架結(jié)構(gòu)的作用。參與細(xì)胞黏附與遷移 細(xì)胞外基質(zhì)分子中的細(xì)胞黏附位點(diǎn)與細(xì)胞膜上的相應(yīng)的受體特異性結(jié)合，觸發(fā)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，對細(xì)胞的基因表達(dá)及細(xì)胞表型和功能產(chǎn)生影響。 　參與細(xì)胞增殖與分化

18、 某些類型的細(xì)胞外基質(zhì)如成纖維細(xì)胞生長因子具有促有絲分裂原的功能，通過促進(jìn)層粘連蛋白的合成與釋放，進(jìn)一步刺激細(xì)胞的增殖與分化。,細(xì)胞外基質(zhì)的生物學(xué)功能,多細(xì)胞有機(jī)體中，相鄰細(xì)胞之間通過形成各種連接結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)細(xì)胞的機(jī)械聯(lián)系和組織的牢固性，同時協(xié)調(diào)細(xì)胞間的代謝活動，這種連接結(jié)構(gòu)稱為細(xì)胞連接（cell junction）。包括細(xì)胞間或細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu)。,二、細(xì)胞連接,細(xì)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(xì)胞側(cè)面頂端。緊密連接的結(jié)構(gòu),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(zhì)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(xì)胞的骨架系統(tǒng)或?qū)⒓?xì)胞與基質(zhì)相連形成一個堅固、有序的細(xì)胞群體；構(gòu)成錨定連接的蛋白可分成兩類:細(xì)胞內(nèi)附著蛋白(attachment proteins)，將特定的細(xì)胞骨架成分（中間纖維或肌動蛋白）同連接復(fù)合體結(jié)合在一起；跨膜連接的糖蛋白，其細(xì)胞內(nèi)的部分與附著蛋白相連，細(xì)胞外的部分與相鄰細(xì)胞的跨膜連接糖蛋白相互作用或與胞外基質(zhì)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(jié)構(gòu)與功能,與中間纖維相連的錨定連接橋粒(desmosome)：鉚接相鄰細(xì)胞，提供細(xì)胞內(nèi)中間纖維的錨定位點(diǎn)，形成整體網(wǎng)絡(luò)，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(xì)胞質(zhì)膜上的膜蛋白整合素(integrin)將上皮細(xì)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(xì)胞間形成一個連續(xù)

22、的帶狀結(jié)構(gòu)，間隙約15-20nm；黏著斑(adhesion plaque):細(xì)胞通過肌動蛋白纖維和整合素與細(xì)胞外基質(zhì)之間的連接方式。,橋粒 (desmosome),cadherins,,,integrins,,橋粒 (desmosome),錨定連接的類型、結(jié)構(gòu)與功能,與中間纖維相連的錨定連接橋粒(desmosome)：鉚接相鄰細(xì)胞，提供細(xì)胞內(nèi)中間纖維的錨定位點(diǎn)，形成整體網(wǎng)絡(luò)，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(xì)胞質(zhì)膜上的膜蛋白整合素(integrin)將上皮細(xì)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(xì)胞間形成一個連續(xù)的帶狀結(jié)構(gòu)，間隙約15-20nm；黏著斑(adhesion plaque):細(xì)胞通過肌動蛋白纖維和整合素與細(xì)胞外基質(zhì)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(xué)突觸：存在于可興奮細(xì)胞之間的細(xì)胞連接方式，它通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)來傳導(dǎo)神經(jīng)沖動；胞間連絲：高等植物細(xì)胞之間通過其相互聯(lián)接，完成細(xì)胞的通訊聯(lián)絡(luò)。,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(gòu)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(xì)胞質(zhì)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(lián),化學(xué)突觸,間隙連接通透性的調(diào)節(jié),降低胞質(zhì)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(cè)電壓梯度的調(diào)控及細(xì)胞外化學(xué)信號的調(diào)控；這可能是避免由于個別細(xì)胞死亡或損傷而導(dǎo)致整片組

26、織受害的一種保護(hù)性措施。,1. 間隙連接在代謝偶聯(lián)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(xì)胞間代謝偶聯(lián)的基礎(chǔ)；代謝偶聯(lián)作用在協(xié)調(diào)細(xì)胞群體的生物學(xué)功能方面起重要作用。2. 間隙連接在神經(jīng)沖動信息傳遞過程中的作用電偶聯(lián)實現(xiàn)細(xì)胞間的快速通訊； 間隙連接調(diào)節(jié)和修飾相互獨(dú)立的神經(jīng)元群的行為；協(xié)調(diào)心肌細(xì)胞、小腸平滑肌的收縮。3. 間隙連接在早期胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化過程中的作用胚胎發(fā)育中細(xì)胞間的偶聯(lián)提供信號物質(zhì)的通路, 從而