Collagen fibrils. Все коллагены состоят из трех полипептидных цепочек и обладают характерными трех-спиральными collagenous (COL) и noncollagenous (NC) доменами, Кстати, 27 типов коллагенов описано у позвоночных; они могут быть сгруппированы в 9 семейств на базе их супрамолекулярных ансамблей и др. признаков (Myllyharju & Kivirikko 2004). Среди них формирующие фибриллы коллагены собираются в длинные, высоко упорядоченные полимеры. которые противостоят высоким силам растяжения. Фибриллярные коллагены синтезируются как протоколлагеновые молекулы, состоящие из длинного COL домена, фланкированного глобулярными пропептидами на N и C концах. После секреции пропептиды обычно отщепляются и коллагеновые мономеры формируют короткие фибриллярные промежуточные образования, которые постепенно вырастают в зрелые фибриллы посредством событий линейных и боковых слияний. Хотя фибриллогенез управляется прежде всего с помощью COL домена, на фибриллярный рост и межфибриллярные пространства влияют различные молекулы DRV? которые и предопределяют финальную архитектуру коллагеновых фибрилл в разных тканях (Canty & Kadler 2005). Семейство фибриллярных коллагенов включает богатые членами типы - I, II и III - и минорные в количественном отношении типы - V и XI. Коллагены типов I, III и V имеют широкое распространение в теле, тогда как коллагены II и XI в основном ограничены хрящами, стекловидным телом и текториальной мембраной внутреннего уха. Структурные и нулевые мутации этих коллагенов вызывают нарушения у людей, такие как osteogenesis imperfecta, familial arterial aneurism, определенные субтипы синдрома Ehlers-Danlos и различные chondrodysplasias, подчеркивая критический вклад коллагеновых фибрилл в функцию тканей (Myllyharju & Kivirikko 2004). Имеются многочисленные мутантные линии мыышей, которые воспроизводят человеческие фенотипы (Aszodi et al. 1998, Myllyharju & Kivirikko 2004, Reginato & Olsen 2002). Здесь мы сфокусируемся на тех мутантных мышах, которые предоставляют информацию о сложном сценарии формирования и стабилизации фибрилл. Гетеротримерные коллагены V (α1₂α2) and XI (α1α2α3) кополимеризуются с коллагенами I и II, соотв., чтобы сформировать гетеротипические фибриллы. In vitro эксперименты по сборке фибрилл показали. что минорные компоненты фибрилл регулируют диаметр фибрилл путем проецирования своих сохранившихся N-пропептидов на поверхность фибрилл, ограничивая тем самым добпвление новых мономеров посредством стерических и/или электростатических помех (Blaschke et al. 2000, Linsenmayer et al. 1993). В согласии с этими находками in vitro мыши, несущие целенаправленные мутации в N-терминальных частях α2(V) цепи {Col5α2^pN/pN) обладают толстыми коллаген I фибриллами в строме роговицы (Andrikopoulos et al. 1995). Кроме того, эти мыши имеют ломкую кожу, содержащую пониженное количество рыхло упакованных фибрилл. Дальнейший анализ кожи выявил, что эти мутации тяжело нарушают внутриклеточную сборку и/или секрецию secretion of αl(V)₂α2(V) гетеротримеров и преимущественно α1(V) гомотримеры откладываются в матриксе (Chanut-Delalande et al. 2004). Эти гомотримеры. однако, не включаются в collagen I-содержащие фибриллы и формируют самостоятельные, тонкие филаменты. Как следствие инициация сборки гетеротипических фибрилл ставится под угрозу, приводя е небольшим количествам, дизорганизованных коллагеновых фибрилл в матриксе кожи. Критическая роль коллагена V в образовании гетеротипических фибрилл



Figure 1
Regulation of fibril formation by type Y collagen, (a) In the normal situation (Col5al^+/+), collagen V and collagen I copolymerize into heterotypic fibrils through a regulated fibril assembly process. Primary fibrils nucleated in the presence of collagen V form short intermediates, which subsequently grow by linear and lateral fusion events. As the retained N-terminal propeptide of collagen V reaches a certain concentration at the fibrillar surface, fibril growth may stop, and new fibril initiation becomes favorable. This mechanism leads to a population of fibrils with relatively consistent diameters, (b) When collagen V is missing owing to ocl(V) chain deficienqT(Col5a1^-/-), fibril initiation is impaired, and only a few morphologically abnormal fibrils can form via unregulated self-assembly of collagen I molecules. In the case of collagen V haploinsufficiency (Col5a1^+/-), fewer fibrils are nucleated and form into either normal or thick, irregular fibrils, depending on the amount of collagen V molecules incorporated into the fibrils. Excess collagen I molecules may self-aggregate to form abnormal fibrils. Adapted from Wenstrup et al. 2004.

четко продемонстрирована на мышах, лишенных коллагеновой αl(V) цепи (Figure 1) (Wenstrup et al. 2004). Col5αl^-/- животные неспособны продуцировать коллаген V и погибают на 10.5 день эмбриогенеза (El0.5) из-за сердечно-сосудистой недостаточности. Летальный фенотип сопровождается полным отсутствием collagen I-содержащих фибрилл с мезенхиме и присутствие немногих морфологически аномальных фибрилл вблизи эктодермального BM. Напротив, гетерозиготные мыши (Col5αl^+/-) выживают, но обнаруживают как нормальные, так и аномальные популяции дермальных коллагеновых фибрилл, ассоциированных с 50% снижением плотности фибрилл и коллагенового содержимого. На базе этих наблюдений, первичная роль типа V collagen заключается в контроле ранней инициации фибрилл. Коллагеновые фибриллы, инкорпорирующие collagen V, зарождаются (nucleate) и растут благодаря регулируемому процессу сборки фибрилл, тогда как aмолекулы collagen I, не ассоциированные с collagen V могут подвергаться только нерегулируемой само-агрегации, приводящей к образованию ограниченного количества морфологически аномальных фибрилл.

То что минорные коллагены являются критическими регуляторами фибриллогенеза in vivo было подтверждено с помощью collagen Xl-мутантных мышей. Естественно возникшие cho/cbo мыши содержат преждевременный стоп-кодон на N-терминальной области αl(XI) цепи, что отвечает за пониженное количество аномально толстых фибрилл в хрящевом матриксе, это приводит к сильно дизорганизованным ростовым пластинкам и к гибели при рождении с короткими конечностями и расщеплением нёба (Li et al. 1995). Мыши, лишенные Colllαl (Li et al. 2001) могут всё ещё формировать αl(XI)₃ гомотримеры или гетеротримеры. состоящие из αl(XI) и α3(XI) цепей. Такие мыши обнаруживают фенотип более легкий, чем фенотип мышей cho/cho, характеризующийся формированием электрон-плотных пучков в хрящевом матриксе, указывающим на то, что α2(XI) цепь регулирует латеральные ассоциации индивидуальных коллагеновых фибрилл.

Гетеротримерный (αlα2α3) collagen IX и гомотримерный collagen XII являются структурно родственными нефибриллярными коллагенами, ассоциированными с поверхностью типа II и типа I коллагеновыми фибриллами, соотв. Мыши с целенаправленной инактивацией Col9αl гена, дают относительно легкий фенотип, характеризующийся остеоартритами с ранним началом без очевидных морфологических альтераций хрящевых фибрилл (Fassler et al. 1994) и обнаруживают прогрессирующую потерю слуха с дизорганизованной фибриллярной ультраструктурой в текториальной мембране (Asamura et al. 2005). Трансгенные мыши, экспрессирующие укороченные молекулы коллагена XII обнаруживают аномалии фибрилл только в немногих тканях, таких как periodontal ligaments и кожа (Reichenberger et al. 2000). Всё это указывает на то, что collagens IX и XII могут играть роль в организации фибриллярного коллагена и целостности ткани в специфических анатомических местах.

Elastic fibers and microfibrils. Эластические волокна, состоящие из elastin стержня и окружающей микрофибриллярной сети, обеспечивают эластичность и упругость гибких тканей. Во время эластогенеза, растворимый предшественник, молекулы tropoeiastin, откладываются в пред-сформированный микрофибриллярный матрикс и затем поперечно связываются, чтобы сформировать нерастворимые elastin полимеры. Микрофибриллы, которые также присутствуют в некоторых гибких тканях, в которых отсутствует elastin, содержат большие количества интегрированных и ассоциированных компонентов, включая fibrillin-1 и -2, fibulins, латентный transforming growth factor beta (TGF-β)-binding proteins (LTBPs) и emilins (Kielty et al. 2002). Аномалии эластических волокон ассоциируют с некоторыми патологиями, а мышиные модели, которые помогают нам понять болезни эластических тканей у людей, получены в последнее время.

У людей гаплонедостаточность elastin вызывает supravalvular aortic stenosis (SVAS), обструктивное сосудистое нарушение, характеризующееся сужением крупных артерий. Как гетерозиготные мыши, несущие нулевую мутацию гена elastin (Eln^+/-), так и у SVAS пациентов обнаруживается утолщение стенки аорты, связанное с повышенным количеством эластиновых lamellae и сосудистых smooth muscle cells (SMCs), это указывает на то, что понижение уровня elastin индуцирует механизм онтогенетической компенсации, который приводит к образованию множества эластических колец (Li et al. 1998b). Elastin-null мыши {Eln^-/-) обнаруживают нормальное развитие артерий во время эмбриогенеза: однако, они вскоре погибают после рождения из-за закупорки артерий, вызываемой избыточной пролиферацией и субэндотелиальным накоплением сосудистых SMCs (Li et al. 1998a). Следовательно, elastin безусловно важен и для позднего артериального морфогенеза, регулируя пролиферацию, миграцию и организацию сосудистых SMCs (Karnik et al. 2003, Li et al. 1998a).

Fibrillin-1 и -2 являются cysteine-богатыми гликопротеинами, которые полимеризуются в структуры, напоминающие бусинки на тесемке, а после латеральной ассоциации индивидуальных полимеров, создаётся структурная основа микрофибриллярной решетки (Ramirez et al. 2004). У людей мутации fibrillin-1 приводят к синдрому Marfan (MFS), плейотропному нарушению сердечно-сосудистыми, глазными и скелетными аномалиями. Сердечно-сосудистые осложнения являются основным источником смертности и болезненности при MFS, включая аневризмы аорты и рассечения, а также пролапс митрального клапана (Milewicz et al. 2000). Мутации в гене fibrillin-2 человека вызывают врожденную контрактурную arachnodactyly, MFS-родственное нарушение с преимущественно проявлениями в скелетных мышцах (Milewicz et al. 2000). Мышиные модели, несущие hypomorphic (т.e., вызывающие пониженную экспрессию белка) или доминантно-негативные мутации fibrillin-1, вызывают разрывы аорты на разных стадиях постнатального развития и воспроизводят ранние и поздние летальные формы MFS, указывая тем самым, что дозовые эффекты или природа мутаций fibrillin-1 влияет на тяжесть MFS (Pereira et al. 1997, 1999; Judge et al. 2004). Неожиданно эти мыши обнаруживают нормальную морфологию эластичных волокон в неповрежденных областях аорты и в незатронутых тканях, указывая, что первичная роль fibrillin-1 заключается в поддержании целостности ткани (Ramirez et al. 2004). Однако, это мнение было поставлено под сомнение, т.к. мыши, лишенные fibrillin-1 (Fbn1^-/-)? обнаруживают нарушенное созревание неонатальной стенки аорты и погибают приблизительно спустя 14 дней после рождения от разрыва подверженных механическим стрессам эластических тканей (Carta et al. 2006). Мыши, лишенные fibrillin-2 {Fbn2^-/-) жизнеспособны и без каких-либо признаков сосудистых дефектов, но обнаруживают синдактилию из-за дефектной передачи сигналов bone morphogenetic protein (BMP) (Arteaga-Solis et al. 2001). С др. стороны, fibrillin-1/fibrillin-2 двойные нехватки вызывают эмбриональную летальность, ассоциированную с задержкой/нарушением эластогенеза (Carta et al. 2006). Следовательно, fibrillin-1 и -2 выполняют перекрывающиеся функции в ранней сборке эластичных волокон; более того, fibrillin-1 выполняет двойную роль в регуляции развития стенки аорты и в поддержке структурной целостности force-bearing эластических тканей.

Fibulin-5 (Fbl-5) является модулярным гликопротеином, который связывает эластичные волокна с клетками путем связывания как tropoelastin, так и integrins (Nakamura et al. 2002, Yanagisawa et al. 2002). Функция образования таких мостиков предсказывает роль Fbl-5 в эластогенезе. В самом деле, Fbl5^-/- мыши, обладающие дизорганизованными и фрагментированными эластичными волокнами, получают эмфизему легких, дряблую кожу и сосудистые аномалии (Nakamura et al. 2002, Yanagisawa et al. 2002). Такой фенотип напоминает клинические проявления тяжелой аутосомно-рецессивной формы cutis laxa, нарушения, которое характеризуется дряблой кожей и легочной эмфиземой и вызывается гомозиготными missense мутациями в гене FBL5 (Loeys et al. 2002).

LTBPs 1-4 являются родственными fibrillin молекулами с двумя предполагаемыми функциями: в качестве структурных компонентов ECM и в качестве модуляторов доступности TGF-β (Hyytiainen et al. 2004). Среди мышиных моделей для LTBPs, только LTBP-4 гипоморфные мыши обладают четким структурным дефектом. Эти мыши характеризуются легочной эмфиземой и ректальным prolapse, ассоциированными с фрагментированными эластическими волокнами (Sterner-Kock et al. 2002), подтверждая, что LTBP-4 играет роль в развитии эластичных волокон посредством взаимодействия с микрофибриллами в специфических тканях.

Emilin-1, который принадлежит к семейству emilin/multimerin белков ECM, локализуется на интерфейсе эластинового стержня и микрофибрилл. Elastin, fibulin-5 (Zanetti et al. 2004) и β1 integrin (Spessotto et al. 2003) соединяются с emilin-1, указывая тем самым, что emilin-1выполняет множественные роли в эластогенезе, в поддержании собственно организации эластичных волокон и в зависимых от закрепления клеточных функциях. Emilin-1 нокаутные мыши имеют нормальную продолжительность жизни, но обнаруживают некоторые средней тяжести альтерации в коже и аорте, включая аномальные эластичные волокна, уменьшение соединений клетка-эластичные ламеллы и морфологические дефекты клеток (Zanetti et al. 2004).

Proteoglycans in tissue stability. PGs состоят из стержневого белка, ковалентно связанного с боковыми цепочками glycosaminoglycan (GAG). Gly-cosaminoglycans являются сульфатированными олигосахаридами, состоящими из повторящихся дисахаридных единиц из dermatan sulfate (DS), heparan sulfate (HS)/heparin, chondroitin sulfate (CS) или keratan sulfate (KS). PGs играют важную роль в гидратационных и осмотических свойствах матрикса, но как предполагается обладают некоторыми дополнительными функциями благодаря взаимодействиям с различными компонентами матрикса, факторами роста и рецепторами клеточной поверхности.

Hyalectans являются крупными CS-содержащими PGs, которые образуют агрегаты с hyaluronan, не сульфатированным GAG полимером, дают повторяющиеся дисахаридные единицы. Семейство состоит из 4-х членов с разными тканевыми распредениями: Versican является наиболее широко распространенным hyalectan, a aggrecan находится преимущественно в хрящах, тогда как neurocan и brevican ограничены головным мозгом, хотя все hyalectans, как полагают, являются важными дл организации DRV? эксперименты с нокаутами подтверждают эжту гипотезу только для aggrecan и versican. Мыши, гомозиготные по инсерционной мутации в гене Gspg2, кодирующем versican, погибают приблизительно на El0.5 из-за тяжелых проблем с сегментацией сердца, связанных с несоответствующим разбухание матрикса эндокардиальных подушек и из-за неспособности клеточной миграции (Aljaatvedt et al. 1998). Мыши, лишенные hyaluronan synthase 2, дают сходный фенотип (Camenisch et al. 2000), указывая тем самым, что взаимодействие versican-hyaluronan является существенным для генерации условий в DRV? пригодных для клеточной миграции во время развития сердца. В хрящах hydrated природа aggrecan-hyaluronan агрегатов предоставляет ткани упругость и резистентность против сил сжатия. Отсутствие aggrecan у спонтанных мутантов audi и у линий мышей ведет к перинатальной летальности⁷ благодаря расщеплению нёба и тяжелым нарушениям образования эндохондральных костей; такие нарушения характеризуются компрессией хрящевого ВКМ, дизорганизацией ростовых пластинок и альтерациями в паттерне экспрессии специфичных для хрящей генов (Wai et al. 19,98, Watanabe et al. 1994). По сравнению с aggrecan- и versican-нулевыми мутаций, мыши, лишенные как neurocan, так и brevican жизнеспособны и не обнаруживают морфологическийх алтераций в ЦНС (Rauch et al. 2005). Однако, нехватка neurocan или brevican нарушает долговременную потенциацию гиппокампа, указывая на роль этих hyalectans в синаптической пластичности (Brakebusch et al. 2002, Zhou et al. 2001).

Семейство small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) как полагают сегодня состоит из 13 членов. SLRPs характеризуются относительно небольшим стрежневым белком, содержащим варьирующие количества leucine-rich repeat (LRR) единиц, которые фланкированы связанными дисульфидными мостиками, богатыми цистеином доменами на N и C концах (Ameye & Young 2002). SLRPs, такие как decorin, biglycan и fibro-modulin широко распределены в теле, тогда как др. подобно lumican, keratocan или mimecan обнаруживают более ограниченный паттерн экспрессии. Некоторые SLRPs соединяются с фибриллярными коллагенами посредством LRR домена и регулируют сборку коллагеновых фибрилл in vitro. Decorin, наиболее изученный SLRP, соединяется посредством своих LLRs вблизи С конца индивидуальных коллагеновых фибрилл, регулируя боковое слияние и поддерживает также межфибриллярные пространства посредством своей DS боковой цепи (Reed & Iozzo 2002). Распределение SLRPs на коллагеновых фибриллах, их GAG половинка⁷, их дисульфидные петли и их потенциал мультимеризации также считаются важными для боковой сборки, ориентации и стабильности фибрилл (Waddington et al. 2003). Мыши, лишенные членов этого семейства имеют типа I collagen-содержащие фибриллы с нерегулярным диаметром и/или организацией и имеют широкий круг болезней (e.g., osteoporosis, osteoarthritis, Ehlers-Danlos syndrome и различные болезни роговицы) благодаря измененной механике или структуре ткани (Ameye & Young 2002, Kao & Liu 2002). Хотя in vivo фенотипы разных SLRP нокаутов подтверждают значение этих PGs в коллагеновом фибриллогенезе, понимание механизмов еще далеко от завершения.

Perlecan является heparan sulfate proteoglycan (HSPG) с широким паттерном экспрессии. Стержневой белок perlecan состоит из 5 самостоятельных доменов: трех HS цепей, прикрепленных к N-терминальному домену I и дополнительная цепочка потенциально локализуемая в домене V. Perlecan-нулевые (Hspg2^-/-) мыши погибают на двух стадиях: на E10.5-12.5 из-за BM дефектов и перинатально из-за респираторной неспособности (Arikawa-Hirasawa et al. 1999, Costell et al. 1999). Мутанты, которые погибают при рождении являются карликовыми и обнаруживают тяжелые дефекты хрящей. Ростовая пластинка дизорганизована, а пролиферация и дифференцировка хондроцитов, а также последующее образование эндохондральной кости нарушены (Arikawa-Hirasawa et al. 1999, Costell et al. 1999). Эти дефекты могут возникать из-за структурно измененного ВКМ, т.к. мутантные хрящи содержат меньше и более короткие коллагеновые фибриллы (Costell et al. 1999). Механизм. лежащий в основе снижения плотности коллагена⁷, неясен, но perlecan может помочь защитить коллагеновую сеть от деградации путем связывания и регулирования активности matrix metalloproteinases (ALMPs) (Costell et al. 1999). Хрящевые аномалии у Hspg2^-/- мышей напоминают те, что наблюдаются при Silver-Handmaker type dyssegmental dysplasia, летальном аутосомнощрецессивном синдроме у людей, вызываемом нулевыми мутациями в гене perlecan (Arikawa-Hirasawa et al. 2001).



Рис.2.
 |  The role of laminins in peri-implantation development. The fully expanded, zona-free blastocyst contains two distinct components: the inner cell mass (ICM) and the trophectoderm shell. Prior to implantation, ICM cells lining the blastocoelic cavity differentiate into hypoblast (or primitive endoderm) cells, which deposit a basement membrane (BM) between them and the remaining undifferentiated ICM. This BM is continuous with the BM deposited by the trophectoderm. After implantation at E4.5, the hypoblast gives rise to two extraembryonic cell lineages: visceral endoderm cells that differentiate from hypoblast cells in contact with the BM and parietal endoderm cells that migrate along the trophectodermal BM. ICM cells adjacent to the BM become polarized and develop into columnar epiblast epithelium (CEE), whereas interior ICM cells undergo apoptosis. By E5.5-E6, the proamniotic cavity forms, and the visceral endoderm and the epiblast (or embryonic ectoderm) are separated by the embryonic BM. Parietal endoderm cells secrete BM components, which incorporate into Reichert's membrane (RM). During peri-implantation, laminin-111 (αlβlγl) and laminin-511 (α5βlγl) are expressed; the consequences of chain-specific gene mutations in mice are described {bottom).

BMs состоят преимущественно из collagen IV, laminins, nidogens и perlecan. Дополнительными компонентами из зон BM являются agrin, fibulins, fibronectin (Fn) и различные нефибриллярные коллагены. Тонкая структурная архитектура и репертуар взаимодействий среди структурных белков и молекул клеточной поверхности в BM зонах может варьировать для выполнения ткане-специфических потребностей (Miner et al. 2004 and Yurchenco et al. 2004).

Collagens modulate the integrity and function of basement membrane zones. Наиболее богатым коллагенозным компонентом BMs является сеть, формируемая коллагеном типа IV, который состоит из гетеротримерной комбинации 6 самостоятельных полипептидных цепочек. Хотя главная изоформа эмбрионального collagen IV, α1₂α2(IV), экспрессируется уже на ст. бластоциста, мыши с целенаправленной инактивацией локуса Col4al/Col4a2 (Poschl et al. 2004) продолжают развиваться вплоть до E9.5 и откладывают BM-подобные слои в отсутствие какой-либо из изоформ collagen IV. После E9.5 дефицит αl₂α2(IV) ведет к нестабильности BM, приводящей к разрыву подверженных механическим стрессам BMs и Reichert's membrane (RM)- специализированной BM, которая отделяет эмбрион от материнских тканей - это приводит к гибели между E10.5-E11.5. Мыши, несущие доминантно-негативную мутацию в гене Col4al, которая предупреждает секрецию гетеротримеров collagen IV, также формируют рвущиеся BMs и погибают в средине беременности (Gould et al.2005). Гетерозиготные мыши, имеют пониженную перинатальную жизнеспособность и церебральные кровотечения, а некоторые выживающие бладают porencephaly-подобным фенотипом. Porencephaly редкое нейрологическое заболевание, характеризующееся церебральными повреждениями и дегенеративными полостями, возникающими из-за кровотечений, что приводит к недееспособности и гибели в некоторых случаях. Collagen IV может находиться среди факторов предрасположенности для porencephaly, т.к. мутации в гене COL4A1, были найдены в двух затронутых семьях (Gould et al. 2005). Всё это указывает на то, что сеть collagen IV не существенна для сборки BM, но необходима для поддержания её целостности в условиях механических нагрузок.

Мыши. несущие мутации в др. коллагенах BM-зоны, дают фенотипические отклонения в разных анатомических местах, указывая на специализированные роли эти х коллагенов (rev. Gustafsson & Fassler 2000). Напр., мыши, лишенные в количественном отношении минорного α3 или α3/α4 цепочек collagen IV, обнаруживают glomerulonephritis, recapitulating autosomal forms of Alport syndrome, в то время как дефицит collagen VII ведет к кожным волдырям, напоминающим dystrophic epidermolysis bullosa у людей.

Такой анали з различных трансгенных линий мышей выявил особенно важную роль коллагенов BM-зоны в развитии мышц и глаз. Collagen VI похож на филаменты-формирующий коллаген, состоящий из трех самостоятельных цепочек. Было предположено, что он играет роль в прикреплении BM неэпителиальных клеток к подлежащему матриксу, закрепляя сеть collagen IV на компонентах интерстициума. interstitium. Col6al-нулевые мыши обнаруживают мышечные аномалии, такие как нерегулярный диаметр волокон, некроз волокон и снижение контрактильной силы мышц (Bonaldo et al. 1998, Irwin et al. 2003). Фенотип, напоминающий Bethlem myopathy, мышечное нарушение с ранним началом и с аутосомно-доминантным наследованием, ассоциирует с мутациями в генах, кодирующих collagen VI (Lampe & Bushby, 2005).

Collagen types XV и XVIII являются примерами почти везде экспрессирующихся, высокогликозилированных коллагенов BM-зоны с ткане-ограничивающей функцией. Мыши, лишенные коллагена XV, жизнеспособны, но страдают от прогрессирующей скелетной миопатии и сердечно-сосцдистых дефектов (Eklund et al. 2001). BMs выглядят нормальными у мутантов, указывая тем самым, что collagen XV не нужен для сборки BM, но он необходим для осуществления сцепления между клетками и окружающим ВКМ для поддержания механической стабильности мышц и капилляров. Дефицит коллагена XVIII у мышей ведет к различным дефектам глаз, сопровождающих аномалии BM (rev. Marneros & Olsen 2005). Дефекты включают снижение прикрепления коллагеновых фибрилл стекловидного тела к BМ, покрывающей поверхность сетчатки; разрывы радужки; атрофию цилиарных тел: зависимая от возраста потеря зрения с нарушениями функции пигментного эпителия сетчатки. Большинство из этих аномалий обнаруживается у пациентов с синдромом Knobloch, аутосомно-рецессивным нарушением, вызываемым инактивирующими мутациями в гене COL18A1 человека (Suzuki et al. 2002). Дефектные BMs у Coll8al^-/- мышей, однако, не ограничены глазами: утолщенные BMs обнаруживаются в хороидном сплетении, что ведет к дилятации мозговых желудочков и к увеличению зависимой от генетического фона чувствительности к гидроцефалии (Utriainen et al. 2004). Т.о., коллаген XVIII действительно играет роль в структуре BM и затрагивает некоторые эпителиальные функции, регулируя взаимодействия между клетками и матриксом.

Basement membrane glycoproteins: the laminin networks. Laminins являются семейством из 16 гетеротрехмерных (αβγ) гликопротеинов, генерируемых комбинацией из 5α, 4β и 3γ wtgtq. Полимерные ламининовые сети само-ассоциируют, чтобы взаимодействовать с ВКМ и молекулами клеточной поверхности, такими как nidogen, perlecan, integrins и α-dystroglycan. Dct BMs содержат laminins, но распределение изоформ регулируется онтогенетическим и ткане-специфическим образом (Miner & Yurchenco 2004, Yurchenco et al. 2004). Здесь мы будем обозначать ламинины согласно новой упрощенной номенклатуре, в которой численное обозначение ламининов арабскими цифрами соответствует α β и γ цепям. соотв. (Aumailley et al. 2005).

Laminin-111 и laminin-511 являются двумя изоформами ламинина, присутствующми в синтезируемых BMs из пери-имплантационных эмбрионов (Figure 2). Мыши, дефицитные по β1 или γl субхединицам, погибают вскоре после имплантации (на ст. E5.5), не обнаруживая ламининовых тримеров и лишенные как эмбриональной BM (которая отделяет эпибласт от висцеральной энтодермы), так и Reichert's мембраны, подтверждая тем самым, что ламинины являются ключевыми молекулярными компонентами, инициирующими сборку BM (Miner et al. 2004, Smyth et al. 1999). Отсутствие эмбриональных, исходящих из BM сигналов нарушает дифференцировку энтодермы, поляризацию эпибласта и образование проамниотической полости. Напротив, αl- или α5-нулевые мыши доживают вплоть до E7 и E13.5-E17, соотв., указывая тем самым. что laminin-111 и laminin-511 могут частично компенсировать др. др. во время раннего развития (Miner & Li 2000; Miner et al. 1998, 2004). Напр., у αl-дефицитных мышей эмбриональная BM и проамниотическая полось образуются, тогда как RM отсутствует (Miner et al. 2004). Более того, хотя избыточная экспрессия трансгенной α5 субъединицы у αl-нулевых мышей удлиняет жизнеспособность до E7.5 и делает возможной инициацию гаструляции, она не поддерживает образование RM (Miner et al. 2004). Эти исследования показали критическую роль laminin-111 в образовании Reichert's мембраны, но остается вопрос, может ли эмбриональная BM, содержащая только laminin-511 поддерживать развитие, если RM оказывается незатронутой. Интересно, что мыши, экспрессирующие структурные мутации αl цепи, лишенной последних двух C-терминальных laminin globular (LG4-5) доменов - которые обеспечивают взаимодействия с dystroglycan, heparin и sufatides - погибают на полдня раньше, чем αl-нулевые животные (Scheele et al. 2005). Несмотря на сборку эмбриональной BM, цилиндрический эпителий эпибласта и проамниотическая полость не образуются у α1LG4-5^-/- мышей, указывая, что αl цепь индуцирует дифференцировку эпибласта посредством своих LG4-5 доменов. Т.к. эпибласт является поляризованным у αl-нулевых мышей, то эти данные также указывают на то, что экспрессия укороченной αl цепи предупреждать компенсаторную позитивную регуляцию α5 цепи в эмбриональной BM. Более того RM собирается, но фрагментирована у большинства αlLG4-5^-/- мышей, демонстрируя, что всяα1 цепь необходима для полной структурной стабильности RM.

После раннего эмбриогенеза BMs экспрессируют различные субнаборы изоформ laminin ткане-специфическим способом, чтобы выполнить функциональное предназначение в развивающемся органе. Важность ламининов для функции BM во время позднего эмбрионального и постэмбрионального развития продемонстрирована при анализе линий м sitq с естественно возникшими и целенаправленно индуцированными мутациями в генах, кодирующих субъединицы ламининов (rev. Miner & Yurchenco 2004, Yurchenco et al. 2004). Напр., дефицит laminin α2 вызывает тяжелую мышечную дистрофию и дефекты периферических нервов; устранение гена, кодирующего laminin α3 вызывает кожную пузырчатку; отсутствие α4 цепи ведет к мягкой мышечной дистрофии и нарушению созревания микрососудов; а отсутствие laminin α5 приводит к аномалиям конечностей, почек, плацентарных сосудов и нервной трубки, а также к дефектам дифференцировки интерстициальных гладких мышц. Хотя в некоторых случаях описывается компенсаторная позитивная регуляция др. ламининов, это обычно не восстанавливает фенотипа полностью.

Члены nidogen семейства гликопротеинов, nidogen-1 и -2, являются повсеместно экспрессируемыми компонентами эмбриональных BMs с широким кругом партнеров по связыванию. Они, как полагают, являются центральными организаторами BMs, связывающими ламининовую и колагеновую сети и включающие др. молекулы ВКМ в базовый каркас (Yurchenco et al 2004). В противоположность предполагаемой роли nidogens в сборке BM, и nidogen-1- и nidogen-2-нулевые мыши (Nidl^-/- и Nid2^-/-) здоровы и не имеют явных дефектов BM defects (Murshed et al. 2000, Schymeinsky et al. 2002), хотя некоторые разрывы BM капилляров головного мозга сопровождаются легкими нейрологическими нарушениями у Nidl^-/- мышей (Dong et al. 2002). Неожиданно даже у Nid1^-/-/Nid2^-/--двойных нокаутных мышей (Bader et al. 2005) и мышей, лишенных nidogen-связывающего сайта в γ1 цепи ламинина (Willem et al. 2002), имеются BMs, указывающие на то, что ни nidogens, ни nidogen-laminin взаимодействия per se не являются критическими для сборки BM. Однако, эти мыши погибают вскоре после рождения от респираторного distress из-за задержанного созревания легких. Nidogen-1 и nidogen-2 двойная недостаточность также приводит к к ультраструктурным аномалиям кардиальных BMs, указывая тем самым, что nidogens специфически необходимы для поддержания определенных BMs и для определенных процессов органогенеза.

The roles of perlecan and agrin. В BMs, наиболее многочисленным PG является perlecan, который соединяется с широким кругом молекул, включая белки BM-зоны (напр., laminin, collagen IV, entactin/nidogen, fibulin, collagen XVIII/endostatin), рецепторы клеточной поверхности (напр., integrins, α-dystroglycan) и ростовые факторы [напр., fibroblast growth factors (FGFs), vascular endothelial growth factor (VEGF), and platelet-derived growth factor (PDGF)] (rev. Iozzo 2005). Хотя репертуар этих взаимодействий подтверждает, что perlecan является важным для сборки BM, Hspg2^-/- мыши формируют эмбриональные BMs. Однако, разрушения BMs в областях с повышенными механическими нагрузками, в таких как сокращающийся миокард, ведут к тканевым повреждениям и кровотечениям в перикардиальную полость и к гибели большинства мутантов между E10-E12.5 (Costell et al. 1999). Эти находки демонстрируют, что perlecan несущественнен для образования BM, но он критически необходим подобно collagen IV для поддержания целостности BM под воздействием механических усилий. Интересно, что Hspg2^-/- мыши, которые доживают вплоть до рождения, имеют пониженные количества богатых fibrillin микрофибрилл в эпидермально-дермальных соединениях кожи, указывая тем самым, что perlecan является важным для биогенеза микрофибрилл и/или прикрепления этих структур к BM (Tiedemann et al. 2005).

В neuromuscular junctions (NMJs), perlecan образует кластеры в постсинаптической BM с уникальным набором молекул, включая acetylcholinesterase (AChE), acetylcholine (ACh) receptors (AChRs), agrin, и dystroglycans (Bezakova & Ruegg 2003). У Hspg2^-/- мышей, AChE синтезируется, но полностью исключен из but completely excluded from NMJs, показывая, что perlecan является важным для локализации AChE в синаптической BM (Arikawa-Hirasawa ct al. 2002). Это согласуется с пониженными количествами кластеров AChE у пациентов с синдромом Schwartz-Jampel, легкой chondrodystrophies myotonia, вызываемой мутациями в гене perlecan, дающими укороченные белковые формы (Arikawa-Hirasawa et al. 2002).

Мыши, экспрессирующие perlecan, который лишен мест прикрепления к трем HS цепочкам домена I (Hspg2^δ3/δ3), не обнаруживают крупных дефектов, указывая тем самым, что эти HS цнпочки не важны для целостности большинства BMs и хряща. Однако, Hspg2^δ3/δ3 мыши имеют маленькие глаза и у них дегенерируют хрусталики в течение 3-х недель после рождения из-за структурных аномалий капсулы хрусталика (Rossi et al. 2003).

В то время как эксперименты с трансгенами указывают на широкий круг in vivo функций perlecan, agrin в основном известен как критический игрок в постсинаптической дифференцировке NMJs. Альтернативный сплайсинг дает ряд ткане-специфичных agrins: так наз. - z⁺-agrin экспрессируется нейрональными клетками и дает кластеры AChRs, тогда как z^--agrin экспрессинуется не-рнейрональными клетками и неэффективно индуцирует аггрегаты AChR (rev. Bezakova & Ruegg 2003). Мыши, лишенные agrin (agrn^-/-) or z+-agrin, погибают при рождении из-за респираторного distress, обнаруживают заметное снижение кластеров AChR и неспособность формировать функциональные постсинаптические структуры (Burgess et al. 1999, Gautam et al. 1996). Дальнейшие генетические исследования показали, что agrin участвует в росте и стабилизации постсинаптических структур, но не нужен для инициации образования кластеров AChR (Lin et al. 2001, Yang et al. 2001). Интересно, что делеция гена, кодирующего Ach-synthesizing enzyme choline acetyltransferase (chat^-/-), на agrin-нулевом фоне почти полностью устраняет дефекты образования кластеров AChR и созревания NMJ (Alisgeld et al. 2005). In vitro эксперименты с культивируемыми миобластами показали, что ACh действует в качестве AChR-declustering фактора, в то время как agrin действует как antideclustering молекула, защищающая кластеры от индуцируемой ACh дестабилизации. Т.о., in vivo agrin не только играет роль в образовании кластеров AChR, но и также важен для противодействия диспергирующему эффекту ACh. Роль agrin вне или в NMJs менее ясна. Agrin-дефицитные эмбрионы обнаруживают менее дифференцированные, межнейрональные симпатические синапсы и дефектную синаптическую передачу в верхнем цервикальном ганглии, указывая, что нейрональный agrin координирует синаптогенез по всей нервной системе (Gingras et al. 2002).

Недавно изоформа z^--agrin была клинически увязана с коренным улучшением при laminin oil-deficient congenital muscular dystrophy (MDCA1). MDCA1 является болезнью мышечной атрофии, которая часто ведет к гибели в раннем детском возрасте из-за отсутствия BM компонента laminin-211, который соединяет мышечную BM с плазматической мембраной посредством dystroglvcans и integrins. У больных индивидов вместо него откладывается laminin-411; однако, он не может связывать dystroglycan. Избыточная экспрессия миниатюрной формы z^--agrin, которая может поперечно связывать laminin α4 цепь с dystroglycan, восстанавливает целостность BM и улучшает функцию мышц в этой животной модели (Bentzinger et al. 2005, Moll et al. 2001, Qiao et al. 2005).