Iinauaiee:
Гепаран Сульфат Протеогликаны

Функция

Heparan sulphate proteoglycans fine-tune mammalian physiology
Joseph R. Bishop, Manuela Schuksz & Jeffrey D. Esko
Nature 446, 1030-1037 (26 April 2007) | doi:10.1038/nature05817;

Heparan sulphate proteoglycans reside on the plasma membrane of all animal cells studied so far and are a major component of extracellular matrices. Studies of model organisms and human diseases have demonstrated their importance in development and normal physiology. A recurrent theme is the electrostatic interaction of the heparan sulphate chains with protein ligands, which affects metabolism, transport, information transfer, support and regulation in all organ systems. The importance of these interactions is exemplified by phenotypic studies of mice and humans bearing mutations in the core proteins or the biosynthetic enzymes responsible for assembling the heparan sulphate chains.


Рис.1.  |  Assembly of heparan sulphate and formation of binding sites for ligands.


Рис.2.  |  Heparan sulphate proteoglycans have many roles in cell physiology.

Табл.1 Table 1: Genetic studies of proteoglycans in mammalian physiology

Физиология описывает интеграцию физических и химических активностей в клетках и органах, чтобы поддерживать системный гомеостаз. Heparan sulphate proteoglycans (HSPGs) играет существенную роль во всех системах (Table 1). Написано неколько обзоров по участию proteoglycans в эмбриональном развитии1-3, поэтому они не будут здесь рассматриваться. Вместо этого, основное внимание будет обращено исследованиям, демонстрирующим их роль во взрослой физиологии, в основном на генетических мышиных моделях и патофизиологических состояниях у людей.

Structure and properties of heparan sulphate proteoglycans


HSPGs состоят из стержневого белка и одной или более heparan sulphate (HS) glycosaminoglycan (GAG) цепей - линейных полисахаридов, состоящих из чередующихся N-acetylated или N-sulphated glucosamine единиц (N-acetylglucosamine, GlcNAc, или N-sulphoglucosamine, GlcNS) и uronic acids (glucuronic acid, GlcA, или iduronic acid, IdoA). Существуют три подсемейства HSPGs: пронизывающие мембрану proteoglycans (а именно, syndecans, betaglycan и CD44v3), glycophosphatidylinositol (GPI)-сцепленные протеогликаны (а именно, glypicans) и секретируемые extracellular matrix (ECM) протеогликаны (а именно, agrin, collagen XVIII и perlecan). Гематопоэтические клетки также содержат секреторные пузырьки протеогликанов, известные как serglycin. Некоторые HSPGs содержат chondroitin sulphate/dermatan sulphate, GAG цепочка которых отличается от HS по его компонентам сахарам (N-acetylgalactosamine (GalNAc) и GlcA/IdoA) и характеру модификаций и др. типам glycan (N-linked и O-linked mucin-типа цепочки).
Цепочки HS собираются на стержневых белках с помощью энзимов в Golgi, используя нуклеотиды сахаров, импортируемые из цитоплазмы. Во время их сборки, они подвергаются серии реакций превращений, вовлекающих GlcNAc N-deacetylation и N-sulphation, epimerization GlcA в IdoA, и O-sulphation, которая генерирует соотв. короткие сегменты модифицированных сахаров, перемешанных варьирующими треками не модифицированных сахаров4 (Fig. 1). Существвует значительная структурная гетерогенность в терминах дл ины и размеров цепочек, пространственного расположения модифицированных треков и степени sulphation и epimerization внутри модифицированных сегментов. Процессинг также может осуществляться с помощью связанных с плазматической мембраной endosulphatases (SULF1 и SULF2), которые удаляют специфические сульфатные группы из цепочек5,6. HSPGs на клеточной поверхности могут быть установлены с помощью протеолитического расщепления стержневого белка (Fig. 2e) и с помощью endoglycosidic расщепления HS цепочек внеклеточной heparanase7 (HPA; Fig. 2f). Таким образом, связанные лиганда могут быть высвобождены и способны к диффузии прочь от клетки. Некоторые данные указывают на то, что HS может локализоваться в ядре (Fig. 2n), но наскоелько это достоверно, пока неясно8.
Благодаря своему высокому негативному заряду HS цепочки соединяются с множеством белков, включая членов семейства fibroblast growth factor (FGF) и их рецепторных тирозин киназ, transforming growth factors (TGFs), bone morphogenetic proteins (BMPs), Wnt белки, хемокины и интерлейкины, а также энзимы и ингибиторы энзимов, липазы и apolipoproteins и белки ECM и плазмы. Большинство хорошо изученных примеров является активация serpin протеазного ингибитора antithrombin с помощью специфического pentasaccharide внутри heparin (трансформированная, высоко сульфатированная форма HS), который взаимодействует с положительно заряженными остатками аминокислот, расположенными вдоль двух α -спиралей в белке. Связывание приводит к конформационному изменению, которое увеличивает скорость инактивации протеаз, участвующих в коагуляции (напр., факторы IIa и Xa)9.
Взаимодействие heparin и HS с FGFs и их рецепторами также было охарактеризовано детально10. В этом случае цепочка GAG действует как матрица, которая связывает FGF и FGF receptor (FGFR; Fig. 2a), подобно взаимодействию heparin с antithrombin и фактором IIa. Формирование комплекса эффективно снижает концентрацию FGF, необходимую для инициации передачи сигналов через рецепторы и увеличивает продолжительность реакции11. В отличие от соединения heparin-antithrombin формирование и функция FGF-FGFR комплексов может больше зависеть от пространственного распределения негативно заряженных групп в HS, чем от специфической последовательности сульфатированных сахаров12. Др. взаимодействия ростовой фактор/рецептор могут следовать сходному процессу связывания и активации.
Многие функции HSPGs зависят от взаимодействий стержневого белка. Напр., HSPGs на плазматической мембране могут переносить пространственную информацию о клеточном окружении и или активировать механизмы адгезии или усиливать подвижность клеток. Цитоплазматические домены syndecans взаимодействуют с цитоскелетными белками, а также с киназами (Src и calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase, CASK) и phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PtdIns(4,5)P2)13 (Fig. 2j). Часто передача сигналов через HSPGs в этом контексте происходит в сотрудничестве с др. рецепторами клеточной поверхности (такими как integrins), чтобы облегчить прикрепление, распластывание и подвижность клеток. Напр., ECM белок fibronectin содержит домены, которые одновременно связываются с HS цепочками syndecans и с одним или более integrins, чтобы индуцировать распластывание клеток и формирование фокальных адгезий14. Фактически, почти каждая ECM молекула содержит сайты связывания для HS (Fig. 2i), указывая тем самым, что баланс между адгезией и подвижностью зависит от интеграции сигналов, обеспечиваемых посредством связывания proteoglycan и базирующихся на integrin механизмах адгезии. Недавние исследования показали, что внеклеточные домены proteoglycans могут соединяться непосредственно с белковыми лигандами независимо от HS цепочек15. Как клетки координируют эти вариации активностей остается открытым вопросом.

Heparan sulphate proteoglycans in mammalian physiology


В физиологии млекопитающих взаимодействия белок-HSPG способствуют активностям, специфичным для каждой системы органов. Исследования этих систем in vivo, с генерацией многочисленных нокаутных и трансгенных мышей, часто приводили к неожиданным фенотипам (Table 1). Хотя репертуар линий не включает мутантов во всех рассматриваемых генах, доступные линии обнаруживают, что HSPGs дирижируют метаболизмом, транспортом, переносом информации, поддержкой и регуляцией системного уровня, а также клеточного уровня. Следующие примеры иллюстрируют эти принципы.

Heparan sulphate proteoglycans modulate nutritional metabolism


HSPGs контролируют потребление пищи путем модулирования поведения питания посредством петли обратной связи в гипоталямус. Это впервые было открыто случайно у трансгенных мышей, эктопически экспрессирующих syndecan-1 в гипоталямических ядрах16. Трансгенная экспрессия syndecan-1 воспроизводит увеличение syndecan-3, наблюдаемое в ядрах во время голодания. В согласии с этим наблюдением, мыши, дефицитные по syndecan-3, едят немного и обнаруживают пониженное содержание жира и частичную устойчивость к ожирению, тогда как трансгенные по syndecan-1 мыши обнаруживают начинающееся с созреванием ожирение в результате избыточного потребления пищи17. Цепочки HS скорее, чем стержневой белок, по-видимому, модулируют этот процесс, т.к. трансгенные мыши, которые избыточно экспрессируют heparanase человека, также обнаруживают пониженное потребление пищи и пониженный вес тела18. Фенотип напоминает тот, что у мышей с нарушенным действием системы melanocortin. Возможные механизмы включают секвестрацию антагонистов, таких как, таких как agouti-related белок, или прямое взаимодействие syndecan-3 с рецептором melanotropin-stimulating hormone (MSH).
В системе кровообращения HSPGs модулируют липидный метаболизм, служа в качестве рецепторов для lipases, закрепляя их на поверхности эндотелиальных клеток и путем действия в качестве clearance рецепторов в печени19. Пищевые triglycerides и triglycerides, синтезируемые в печени, поступают в кровообращение в chylomicrons и very-low-density lipoproteins (VLDL), соотв. Т.к. chylomicrons и VLDL циркулируют в крови, то они встречаются с липазами (эндотелиальными, печеночными и липопротеиновыми липазами), которые гидролизуют триглицериды от стержня, генерируя жирные кислоты для энергетического метаболизма в периферических тканях и хранлищах липидов в жировой ткани. Эти липазы обычно не обнаруживаются в плазме, а вместо этого прикреплены к клеткам и модулируются с помощью HSPGs. После гидролиза основы триглицеридов остаточные частицы поступают в печеночные синусоиды. Здесь HSPGs облегчают их секвестрацию и рецепторами обусловленную очистку, путем соединения с apolipoproteins и связанными липазами (Fig. 2g), делая в конечном итого возможной деградацию частиц в лизосомах (Fig. 2h). Недавние исследования на мышах, несущих специфичные для гепатоцитов нокауты по N-deacetylase/N-sulphotransferase (Ndst1), показали, что триглицериды плазмы накапливаются в условиях как быстрого, так и обильного приема пищи. Исследования по взаимным скрещиваниям с мутантами по рецептору low-density lipoprotein (LDL) показали, что HSPGs работают параллельно с LDL рецепторами20. Анализ потребления липопротеина культивируемыми клетками показал, что syndecans и возможно perlecan может обеспечивать потребеление, но относящиеся к делу рецепторы протеогликанов in vivo неизвестны21,22. Существуют доказательства, что связывание лиганда может стимулировать потребление21, указывая тем самым, что HSPGs д. рассматриваться как классические endocytic рецепторы, подобные рецепторам transferrin или LDL, хотя и с более широкой специфичностью.

Heparan sulphate proteoglycans organize basement membrane barriers


эпителиальные клетки сидят на базальной мембране, которая состоит из базальной lamina (содержащей коллагены IV, VI и XVIII, laminins, agrin и perlecan), соединенной с подлежащим ретикулярным матриксом, состоящим из fibronectin, фибриллярных коллагенов и протеогликанов23. Этот матрикс создает поддержку и противостояние механическим стрессам и эти его свойства частично зависят от взаимодействий HS цепочек с др. компонентами базальной мембраны (Fig. 2k). HSPGs также выполняют непосредственную роль в регуляции транспорта расстворов через эти барьеры. В мочевой системе специализированная толстая (100-200 nm) базальная ламина, известная как glomerular basement membrane (GBM), отделяет эндотелиальные клетки, выстилающие капилляры, от врастающих (interdigitated) подоцитов и действует как фильтрационный барьер. Кислые GAG цепочки предупреждают негативно заряженные субстанции, такие как белки крови, от прохождения через GBM и проникновения фильтрата. В согласии с этим потеря HS из GBM приводит к протеинурии в случае диабетической нефропатии24. Более того, перфузия почек крыс бактериальной heparinase25 или трансгенная экспрессия heparanase в почках18 увеличивает уровни белка и creatinine в моче.
Во взрослых почках agrin, perlecan и collagen XVIII присутствуют в GBM26. Т.к. perlecan-нулевые мутанты являются эмбриональными леталями27, поэтому были созданы мыши с делецией в экзоне 3, который кодирует сайт прикрепления HS в N-терминальной части белка28. Такие мыши были жизнеспособны и не обнаруживали изменений в ультраструктуре GBM или протеинурии в нормальных условиях. Однако, они обнаруживали дефекты фильтрации при стрессах белковой нагрузкой, указывая тем самым на важность HS цепочек в делетированном домене29. Мутанты, лишенные коллагена XVIII, характеризуются утолщенной GBM и легким увеличением уровней сывороточного creatinine, это намекает на пониженную способность фильтрации30. Функция agrin в почках неизвестна, т.к. системные нокауты являются эмбриональными летлями31. Двойные и тройные мутанты могут быть необходимы для выяснения относительного вклада каждого из HSPG.
Protein-losing enteropathies (PLE) означают нарушения, при которых происходит потеря плазматических белков в ЖКТ. Это может возникать при болезнях брюшной полости, Crohn's disease и врожденных нарушениях гликозилирования, а также после инфекции или Fontan хирургии (чтобы скорректировать врожденные сердца с одним желудочком). Недавние исследования показали, что пациенты с PLE обнаруживают уменьшение HSPGs, с выраженной потерей syndecan-1 с базолатеральной поверхности эпителиальных клеток кишечника32. Механизм, лежащий в основе исчезновения syndecan (и возможно др. HSPGs) неизвестен, но эффект, по-видимому, коррелирует с воспалительным инсультом, купированным с лежащим в основе нарушением33. Протеогликаны могут действовать двумя путями: как интегральный компонент базальной мембраны и как буффер для воспалительных цитокинов, таких как tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) и interferon-gamma. Интересно, что воздействие heparin может смягчать эту проблему у некоторых пациентов, возможно путем соединения с цитокинами и предупреждения воспаления34.

Heparan sulphate proteoglycans in cell signalling and morphogenesis


Многочисленные исследования на мышах и др. модельных организмах подтвердили роль HSPGs в регуляции градиентов морфогенов и реакций передачи сигналов ростовых факторов во время развития (Fig. 2l). Некоторые из этих процессов продолжаются и у взрослых - напр., формирование эндохондральных костей начинается во время эмбриогенеза и продолжается в пубертатном возрасте пока происходит рост тела. Аксиальный рост костей происходит с помощью ростовых пластинок, в которых хондроциты подвергаются скоординированной программе пролиферации, гипертрофии и оссификации под контролем Indian hedgehog (IHH), FGF18, BMPs, Wnts и возможно др. факторов35, многие из которых соединяются с HS. Гомозиготные мыши, несущие гипоморфные аллели HS-полимеризующего энзима EXT1, обнаруживают скелетные аномалии36. Изучение ростовых пластинок у этих животных показало, что градиент IHH распространяется дальше от своего источника и вызывает расширение пролиферативной зоны. Эффекты на пространственное распределение ростовых факторов могут быть обусловлены защитой против протеолиза или поглощением и очисткой с помощью эндоцитоза37. Специфические протеогликаны, влияющие на диффузию IHH, неизвестны. Perlecan может играть роль, т.к. нулевые мутанты обнаруживают тяжелую дезорганизацию цилиндрических хондроцитов с ростовой пластинке и дефекты эндохондральной оссификации27,38. Интересно, что делеция экзона 3 в perlecan не вызывает эффектов в скелетном развитии, указывая тем самым, что GAGs, прикрепленные к этому месту, безразличны.
У людей, гетерозиготных по нулевым мутациям в EXT1 и EXT2, обнаруживаются множественные наследственные экзостозы, аутосомно доминантное заболевание, характеризующееся образованием содержащих хрящ костных выростов (osteochondromas или exostoses) на ростовых пластинках по всему телу. Гетерозиготные мыши также формируют экзостозы, но по неизвестным причинам разрастания ограничиваются ребрами39. Механизм, лежащий в основе образования экзостозов неизвестен, но по-видимому, связан с потерей связывания ростовых факторов с укороченными HS цепочками в хондроцитах ростовой пластинки.
Молочные железы, развивающиеся постнатально и подвергающиеся регрессии и амплификации под контролем эндокринных гормонов, oestrogen, progesterone, growth hormone и prolactin. Подобно большинству др. эндокринных факторов, эти гормоны не соединяются с HS, а скорее действуют на строму молочных желез, чтобы индуцировать локальную экспрессию растворимых ростовых факторов, многие из которых соединяются с HS40. Генетические доказательства подтверждают роль HS в развитии молочных желез на примере мышей, дефицитных по syndecan-1, которые обладают нормальным образованием первичных протоков молочных желез, но обнаруживают слабую редукцию вторичного и четвертичного ветвления41. Напротив избыточное ветвление обнаруживается в молочном эпителии трансгенных мышей, экспрессирующих heparanase человека18. Эти исследования не позволяют делать отличия между эффектами мутаций или трансгенов на эпителиальные клетки молочных желез непосредственно или путем стромальных взаимодействий. Недавние исследования на мышах показали, что избирательная инактивация Ndst1 в эпителии молочных желез с использованием системы Cre-loxP вызывает специфический блок влобулоальвеолярном развитии во время беременности и лактиции (B. Crawford and J.E., unpublished observations) и что морфогенез ветвления затрагивается в железах, лишенных какh NDST1, так и NDST2 или EXT1 (O. Garner and J.E., unpublished observations). Эти находки указывают на то, что различные взаимодействия HS ростовой фактор оперируют на разных стадиях развития желез, а формирование веточек и лобулоальвеол в молочных железах зависит от HS, генерируемых специфически эпителием молочных желез.

Cellular crosstalk by heparan sulphate proteoglycans


HSPGs может также действовать в пределах клетки или 'in trans' (Fig. 2b). На нейромышечных соединениях высоко специализированная базальная ламина собирается в синаптическом просвете (cleft). Двигательные нейроны секретируют agrin в просвет, где он взаимодействует с мышце-специфичекой киназой (MuSK, трансмембранным тирозин рецепторным комплексом) и вызывает рекрутирование внутриклеточной casein kinase 2 и rapsyn и последующее образование кластеров ацетилхолиновых рецепторов на сарколемме. У мышей, которые лишены agrin, нейромышечные соединения собственно не образуются и ацетилхолиновые рецепторы не образуют кластеров31,42. Интересно, что недостаточная sulphation цепочек у мышей с системным нокаутом Ndst1 не оказывает влияния на формирование кластеров43, но обработка культивируемых мышечных клеток chlorate, общим ингибитором sulphation, или chondroitinase, блокирует их образование44,45. Эти находки подтверждают, что один или более протеогликанов, участвующих в образовании кластеров рецепторов, могут содержать chondroitin sulphate цепочки скорее, чем HS.
Активация протеогликанов в транс-положении впервые была обнаружена во время раннего развития у рыбок данио, где syndecan-2 экспрессируемый эктодермальными клетками, действует на рецепторы, передающие сигналы в мезодерму, детерминируя тем самым образование лево-правосторонней оси46. Он также появляется во время роста кровеносных сосудов (ангиогенез) у мышей. Интрамуральные клеточные протеогликаны могут трансактивировать сигнальные пути на лежащие поверх эндотелиальные клетки47. Это было элегантно продемонстрировано путем приготовления химерных культур мышиных эмбриональных стволовых клеток с дефектной экспрессией Ndst (HS цепочек, лишенных sulphate) или VEGFR2, первичной рецепторной тиозин киназы, которая обеспечивает VEGF-зависимый клеточный рост. Активация программы дифференцировки, которая управляет ангиогенезом. приводит к образованию химерных сосудов, которые содержат гладкомышечные клеткми, экспрессирующие HSPGs, и HSPG-негативные эндотелиальные клетки, экспрессирующие VEGFR2. Трансактивация VEGFR2 с помощью HSPGs на гладкомышечных клетках ведет к усилению передачи сигналов за счет облегчения формирования рецептор-лиганд комплексов и отлавливанию активных VEGFR2 сигнальных комплексов на эндотелиальных клетках. Как HSPGs координируют реакции передачи сигналов ростового фактора в транс-положении с цис клеточно-автономными реакциями, остается неясным.

Heparan sulphate proteoglycans in injury and repair


Повреждение ткани вызывает воспалительные реакции, рекрутирование лейкоцитов в поврежденную область и репаративный процесс, который зависит от клеточных делений и ангиогенеза. Кроме того, стволовые клетки могут быть активированы, чтобы снова заселить ткань соотв. типом клеток.
Непосредственно после повреждения макрофаги и тучные клетки на месте повреждения ткани высвобождают TNF-alpha и interleukin-1, которые активируют эндотелиальные клетки вблизи сосудов. Активация стимулирует экзоцитоз телец Weibel-Palade, в результате на клеточной поверхности появляются тромбоцитарный (P)-selectin, который инициирует вращение (rolling) маргинальных лейкоцитов в микроваскулатуре. Хемокины, присутствующие на эндотелиальной поверхности (Fig. 2d), активируют рецепторы интегринов на лейкоцитах, приводя в первую очередь к адгезии и к последующему выходу из сосудов лейкоцитов через эндотелий в месте повреждения. HSPGs выполняют несколькоролей в этом процессе48. Недавние исследования на мышах, содержащих эндотелий-специфичные нокауты по Ndst1, показали, что снижение сульфатирования приблизительно на 60% снижает инфильтрацию нейтрофилов49. Однако, этот эффект не связан с P-selectin, а обусловлен более слабым связыванием лейкоцитарного (L)-selectin нейтрофилов с недостаточно сульфатированными протеогликанами эндотелиальных клеток, которые усиливают скорость rolling нейтрофилов. Мутация редуцирует также трансцитоз хемокинов в пределах эндотелиальных клеток (Fig. 2c) и презентацию на клеточной поверхности, снижая тем самым адгезию и миграцию нейтрофилов. HSPGs, участвующие в этом процессе, неизвестны. Интересно, что изменение экспрессии Ndst1 в лейкоцитах не оказывает эффекта на рекрутирование нейтрофилов или на Т клетками обусловленные реакции, указывая тем самым, что эндотелиальные HS доминируют в этой системе49.
HSPGs играют также роль в формировании гранул хранения в тучных клетках. Тучные клетки дегранулируют в результате непосредственного повреждения, связывания immunoglobulin (Ig)E-антигенных комплексов с Fc рецепторами или активации рецепторов с помощью определенного набора факторов, ведущих к высвобождению гистамина и протеаз в интерстиций. Эти компоненты обычно хранятся в секреторных гранулах вместе с serglycin proteoglycan, который содержит как heparin-подобные цепи, так и chondroitin sulphate (Fig. 2m). Делеция serglycin тяжело затрагивает хранение специфичных для тучных клеток протеаз50. Тучные клетки также неспособны формироваться собственно у мышей, лишенных Ndst2, а немногие оставшиеся клетки имеют пониженные количества гистамина и специфических протеаз в своих секреторных гранулах51,52. Интересно, что лишь минорные эффекты на др. гематопоэтические клетки были отмечены у этих мутантов, даже если serglycin, по-видимому, является основным протеогликаном гранул хранения53,54.
Многие из процессов, описанных выше, скоординированы во время процесса репарации, при котором поврежденная ткани удаляется и восстанавливается тканевая архитектура. Модели заживления кожных ран были изучены в ряде HSPG нокаутов. В сконструированной коже человека, антисмысловое нарушение экспрессии perlecan в эпидермальных кератиноцитах ведет к образованию тонкого, плохо организованного эпидермиса и к неполной стратификации55. Однако, удаление сайтов прикрепления HS в N-терминальном домене приводит только к незначительной задержке заживления ран кожи in vivo56. Инактивация syndecan-1 или syndecan-4 также вызывает легкую задержку заживления ран57,58, это указывает на то, что компенсация может затемнять вклад индивидуальных протеогликанов. Изменения HSPGs в раневой среде д. затрагивать секвестрацию или активацию ростовых факторов, миграцию клеток и пролиферацию, а также ангиогенез13. Др. гипотеза заключается в том, что syndecan-1 и syndecan-4, удаляются с клеточной поверхности путем активированных матричных metalloproteinases в раневую жидкость, связывают и защищают elastase и cathepsin G от их физиологических ингибиторов, alpha1-antichymotrypsin и alpha1-protease inhibitor, регулжидкости59. Третья возможность в том, что протеогликаны помогают контракции матрикса, важного для репарации ткани60.
Регенеративные процессы, которые происходят во время репарации, зависят от дифференцировки стволовых клеток. HSPGs, как полагают, затрагивают пролиферацию, дифференцировку и поддержание ниш стволовых клеток61. Интересна система по регенерации скелетных мышц, которая нуждается в активации молчащих сателлитных клеток, находящихся в ткани. Стимулированные сателлитные клетки временно экспрессируют perlecan, glypican-1 и syndecan-3 и syndecan-4. Syndecan-3-нулевые мыши обнаруживают гиперплазию мышечных ядер и сателлитных клеток и дефекты в локомоции и дифференцировке сателлитных клеток. Syndecan-4-дефицитные мыши также обнаруживают изменения в пролиферации сателлитных клеток и снижение способности восстанавливать поврежденные мышцы62. Преимущественно HSPGs участвуют в контроле роста в этой системе, действуя как ко-рецепторы, но имеющие к этому отношение ростовые факторы неизвестны. Протеогликаны могут также выполнять роль в клеточной миграции. Исследования регенерации в др. органах (таких как печень, головной мозг, скелетная система и костный мозг) подтверждают, что участие HSPGs здесь очень вероятно, но генетические исследования необходимы для подтверждения этой гипотезы61.

Heparan sulphate proteoglycans are full of surprises


Довольно неожиданный результат избыточной экспрессии heparanase человека у мышей в избыточном росте волос63. Во время цикла волосяного фолликула экспрессия heparanase обнаруживается синхронно с миграцией потомства фолликулярных стволовых клеток в нижнюю часть фолликула, что является обязательным условием для формирования стержня волоса. Т.о., избыточная экспрессия энзима д. высвобождать ростовые факторы, которые облегчают миграцию потомства фолликулярных стволовых клеток. Высвобождение ростовых факторов д. также приводить к повышенной васкуляризации, которая также облегчает более быстрый рост волос. Исследования роста волос у мышей, лишенных специфических протеогликанов и биосинтетических энзимов, еще не описаны.
Гемостаз означает гомеостатический контроль пути каогуляции для гарантии кровотока после повреждения сосудов. Процесс состоит из сосудистой контракции, чтобы ограничить кровоток в поврежденной области, активации и агрегации тромбоцитов, чтобы сформировать затычку на месте повреждения, активации каогуляционного каскада, чтобы сформировать фибриновый сгусток и, наконец, растворение сгустка перед репарацией ткани. Активация аntithrombin зависит от специфической последовательности pentasaccharide, содержащей центральный 3-O-sulphated glucosamine остаток, катализируемый с помощью действия энзима heparan sulphate 3-O-sulphotransferase (HS3ST1; Fig. 1). Приблизительно треть из типичных препаратов heparin, которые очищены и фракционированы из внутренностей свиней, содержит активный pentasaccharide. Эта последовательность обнаруживается также в эндотелиальных HS, в частности на abluminal стороне эндотелия64, хотя и на значительно более низком уровне, чем в терапевтическом гепарине65. Неожиданно мыши, лишенные HS3ST1 не обладают procoagulant фенотипом, указывая тем самым, что эндогенный HS, обладающий высокого сродства antithrombin-связывающей последовательностью, может не играть роли в общем гемостазе66. Имеется и др. HS3ST изоэнзим, которые может формировать места связывания высокого сродства, подтверждая возможность компенсации в этой системе.
Мыши, дефектные по HS3ST1, обнаруживают проблемы с плодовитостью, возможно связанные с дефектами в репарации яичников после прорыва фолликула при овуляции и последующем образовании corpus luteum. После разрыва фолликула и изгнания ооцита активируются протеазы и формируется фибриновый сгусток, который служит в качестве временного матрикса для granulosa, theca и эндотелиальных клеток и образования сильно васкуляризованного желтого тела. Гранулёзные клетки продуцируют антикаогулянтные HSPGs, которые могут соединяться и активировать antithrombin, подтверждая, что дефект плодовитости у Hs3st1-дефицитных мышей может возникать в результате десрегуляции serine proteases67,68. По крайней мере, пять HSPGs (perlecan, syndecan-1, -2 и -4, и glypican-1) синтезируются гранулезными клетками, но какой из них участвует в развитии фолликула и овуляции, еще предстоит установить69.

The dark side of heparan sulphate proteoglycans


Представленные выше примеры показывают, как HSPGs выполняют критические роли в физиологии. Однако, при определенных условиях HSPGs вносят также вклад в патофизиологию. Напр., в раковых опухолях, зависимая от ростовых факторов передача сигналов, обеспечиваемая с помощью HSPGs облегчает первичный опухолевый рост и ангиогенез. Опухолевые HSPGs отличаются по составу от HSPGs в соотв. нормальной ткани, это может влиять на эффективность стимуляции ростовыми факторами опухолевых клеток70. Сходным образом опухолевые микроусловия могут затрагивать поддерживающую сосудистую систему, которая отличается по структуре и целостности от сосудов в нормальной ткани23. Эти находки подтверждают возможность избирательного таргетинга опухолевых клеток и опухолевой микроваскулатуры агентами, которые связывают HS или модифицируют его синтез.
HSPGs способствуют также отложению amyloid путем облегчения формирования нерастворимых фибрилл и стабилизации их против протеолитической деградации. Амилоидные бляшки, обнаруживаемые при нарушениях, таких как болезнь Алцгеймера, содержат HSPGs, что согласуется с находками, что различные амилоидогенные полипептиды соединяются с HS71. Недавние исследования показали, что избыточная экспрессия трансгенной heparanase предупреждает отложение амилоида при ассоциированном с воспалением амилоидозе в печени и почках, где появляются сильно укороченные HS цепочки72. Напротив, др. ткани менее затрагиваются с помощью трансгена, остаются чувствительными к отложению амилоида. Эти находки предоставляют непосредственные in vivo доказательства участия HS в развитии амилоидных болезней и подтверждают возможность лечения амилоидных нарушений путем изменения образования HS или ингибирования HS-амилоид взаимодействий.
Ряд исследований показал, что syndecan-1 экспрессируется альвеолярным эпителием и быстро удаляется в ответ на легочные повреждения, возможно благодаря матричной металлопротеиназе matrilysin73. Патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa используют эту реакцию посредством удаления эктодоемнов для увеличения величины инфекции и вирулентности74. Новорожденные мыши, дейицитные по syndecan-1 резистентны к инфекции P. aeruginosa, но становятся чувствительными, когда бактерии смешиваются с очищенными эктодоменами syndecan-1 или с heparin75. Хотя бактерии эксплуатируют эктодомены для усиления вирулентности, нормальный процесс удаления syndecan, по-видимому, ослабляет легочное воспаление путем ограничения экспрессии chemokine и притока нейтрофилов к месту повреждения и путем ингибирования миграции и накопления Т клеток73,76.
Многие др. организмы (паразиты, бактерии и вирусы), как полагают, используют HSPGs в качестве адгезивных рецепторов lzk осуществления инфекции77. Однако, в большинстве случаев ассоциация базируется на изучении культивируемых клеток, используя энзимы для деградации HS, chlorate для блокирования сульфатации или мутантов для блокирования сборки цепей. Во многих случаях связывание, инвазия и репликация были неотличимы и не имели отличий, наблюдаемых в культуре и подтвержденных in vivo. Недавние исследования на Toxoplasma gondii, которые, как считалось, нуждаются в HSPGs для связывания и инфекции, показали, что связывание и потребление в S-дефицитных клетках не затрагиваются78, но что репликация организма внутри вакуолей снижена79. Однако различия, наблюдаемые в скорости роста не перерастают в изменение величины инфекции in vivo в органах, в которых инактивирован Ndst1. Это открывает возможность того, что HSPGs обеспечивают сигнальные реакции между хозяином и паразитом. Хотя можно предположить, что более крайние изменения в структуре HS могут обеспечивать устойчивость к инфекции, этот пример иллюстрирует трудность в интерпретации результатов, полученных на культивируемых клетках, на функциональные взаимодействия в тканях.

Conclusion


The studies described above and summarized in Table 1 demonstrate the importance of HSPGs in various organ systems. In fact, the data probably underrepresent their significance, because HSPGs interact with so many factors; one would expect few physiological systems to remain unaffected by changes in their composition. Most of these studies have been done in mice, which serve as an excellent model for mammalian physiology and human disease. Many strains bearing systemic mutations are already available, and conditional mutants have been reported for some of the essential enzymes. Thus, we can expect more detailed information about HSPG function in individual organ systems to emerge as investigators from various fields take advantage of these strains.
With a few exceptions, all multicellular organisms produce HSPGs, from ancient cnidarians (Hydra) to modern Mammalia. Although a comprehensive comparative study of HSPGs across phyla has not been done, the overall structure of HS seems largely conserved, whereas the core proteins have undergone expansion in number and diversity. Genetic studies of model organisms such as worms, flies and zebrafish have confirmed that many of the basic functions of HSPGs first described in cell-culture systems are conserved, and new mechanistic insights have been gained through the use of mosaic animals, conditional knockouts and gene-silencing techniques. Encouraged by these findings, we should exploit these powerful genetic systems to understand the role of HSPGs in adult physiology and as models for how their function goes awry in human disease.
Сайт создан в системе uCoz