Интегрины — это трансмембранные рецепторы , которые способствуют адгезии клетка-клетка и клетка- внеклеточный матрикс (ВКМ). [3] При связывании лиганда интегрины активируют пути передачи сигнала , которые опосредуют клеточные сигналы, такие как регуляция клеточного цикла , организация внутриклеточного цитоскелета и перемещение новых рецепторов к клеточной мембране. [4] Присутствие интегринов обеспечивает быструю и гибкую реакцию на события на поверхности клетки ( например , сигнал тромбоцитам инициировать взаимодействие с факторами коагуляции ).
Существует несколько типов интегринов, и одна клетка обычно имеет несколько различных типов на своей поверхности. Интегрины встречаются у всех животных, тогда как рецепторы, подобные интегринам, встречаются в растительных клетках. [3]
Интегрины работают вместе с другими белками, такими как кадгерины , молекулы клеточной адгезии суперсемейства иммуноглобулинов , селектины и синдеканы , опосредуя взаимодействие клетка-клетка и клетка-матрикс. Лиганды для интегринов включают фибронектин , витронектин , коллаген и ламинин .
Интегрины являются облигатными гетеродимерами, состоящими из субъединиц α и β . Несколько генов кодируют несколько изоформ этих субъединиц, что приводит к появлению множества уникальных интегринов с различной активностью. У млекопитающих интегрины собираются из восемнадцати субъединиц α и восьми субъединиц β, [5] у Drosophila — из пяти субъединиц α и двух субъединиц β, а у нематод Caenorhabditis — из двух субъединиц α и одной субъединицы β. [6] Субъединицы α и β являются трансмембранными белками класса I, поэтому каждая из них проникает через плазматическую мембрану один раз и может обладать несколькими цитоплазматическими доменами. [7]
Варианты некоторых субъединиц образуются путем дифференциального сплайсинга РНК ; например, существует четыре варианта субъединицы бета-1. Благодаря различным комбинациям субъединиц α и β, генерируются 24 уникальных интегрина млекопитающих, за исключением вариантов сплайсинга и гликозилирования. [8]
Субъединицы интегрина охватывают клеточную мембрану и имеют короткие цитоплазматические домены из 40–70 аминокислот. Исключением является субъединица бета-4, которая имеет цитоплазматический домен из 1088 аминокислот, один из самых больших среди всех мембранных белков. За пределами клеточной мембраны цепи α и β лежат близко друг к другу на длине около 23 нм ; последние 5 нм N-концы каждой цепи образуют область связывания лиганда для ECM. Их сравнивают с клешнями лобстера , хотя они на самом деле не «зажимают» свой лиганд, они химически взаимодействуют с ним на внутренней стороне «кончиков» своих «клещей».
Молекулярная масса субъединиц интегрина может варьироваться от 90 кДа до 160 кДа. Бета-субъединицы имеют четыре повторяющиеся последовательности, богатые цистеином . Как α-, так и β-субъединицы связывают несколько двухвалентных катионов . Роль двухвалентных катионов в α-субъединице неизвестна, но они могут стабилизировать складки белка. Катионы в β -субъединицах более интересны: они напрямую участвуют в координации по крайней мере некоторых лигандов , которые связывают интегрины.
Интегрины можно классифицировать несколькими способами. Например, некоторые α-цепи имеют дополнительный структурный элемент (или «домен»), вставленный в сторону N-конца , домен альфа-А (названный так потому, что он имеет структуру, похожую на A-домены, обнаруженные в белке фактора фон Виллебранда ; его также называют доменом α-I). Интегрины, несущие этот домен, либо связываются с коллагенами (например, интегрины α1 β1 и α2 β1), либо действуют как молекулы межклеточной адгезии (интегрины семейства β2). Этот домен α-I является сайтом связывания для лигандов таких интегринов. Те интегрины, которые не несут этот вставленный домен, также имеют A-домен в своем сайте связывания лиганда, но этот A-домен находится на субъединице β.
В обоих случаях A-домены несут до трех сайтов связывания двухвалентных катионов. Один постоянно занят в физиологических концентрациях двухвалентных катионов и несет либо ион кальция, либо ион магния, основные двухвалентные катионы в крови при медианных концентрациях 1,4 мМ (кальций) и 0,8 мМ (магний). Два других сайта становятся занятыми катионами, когда лиганды связываются — по крайней мере, для тех лигандов, которые включают кислую аминокислоту в своих сайтах взаимодействия. Кислая аминокислота присутствует в сайте взаимодействия интегрина многих белков ECM, например, как часть аминокислотной последовательности аргинин-глицин-аспарагиновая кислота («RGD» в однобуквенном коде аминокислоты).
Несмотря на многолетние усилия, обнаружение структуры интегринов с высоким разрешением оказалось сложной задачей, поскольку мембранные белки классически трудно очищать, а интегрины являются большими, сложными и высокогликозилированными со множеством сахарных «деревьев», прикрепленных к ним. Изображения с низким разрешением детергентных экстрактов интактного интегрина GPIIbIIIa, полученные с помощью электронной микроскопии , и даже данные косвенных методов, которые исследуют свойства раствора интегринов с использованием ультрацентрифугирования и рассеяния света, были объединены с фрагментарными кристаллографическими данными с высоким разрешением или данными ЯМР из отдельных или парных доменов отдельных цепей интегрина и молекулярными моделями, постулированными для остальных цепей.
Рентгеновская кристаллическая структура , полученная для полной внеклеточной области одного интегрина, αvβ3, [1] показывает, что молекула свернута в перевернутую V-образную форму, которая потенциально приближает лиганд-связывающие сайты к клеточной мембране. Возможно, что еще важнее, кристаллическая структура была также получена для того же интегрина, связанного с небольшим лигандом, содержащим RGD-последовательность, препаратом циленгитид . [9] Как подробно описано выше, это наконец показало, почему двухвалентные катионы (в A-доменах) имеют решающее значение для связывания RGD-лиганда с интегринами. Взаимодействие таких последовательностей с интегринами, как полагают, является первичным переключателем, посредством которого ECM оказывает свое влияние на поведение клеток.
Структура ставит много вопросов, особенно в отношении связывания лиганда и передачи сигнала. Сайт связывания лиганда направлен к C-концу интегрина, области, где молекула выходит из клеточной мембраны. Если он выходит ортогонально из мембраны, сайт связывания лиганда, по-видимому, будет заблокирован, особенно потому, что лиганды интегрина, как правило, являются массивными и хорошо сшитыми компонентами ECM. Фактически, мало что известно об угле, который мембранные белки образуют с плоскостью мембраны; это проблема, которую трудно решить с помощью имеющихся технологий. По умолчанию предполагается, что они выходят скорее как маленькие леденцы, но доказательств этому мало. Структура интегрина привлекла внимание к этой проблеме, которая может иметь общие последствия для того, как работают мембранные белки. Похоже, что трансмембранные спирали интегрина наклонены (см. «Активация» ниже), что намекает на то, что внеклеточные цепи также могут быть не ортогональны по отношению к поверхности мембраны.
Хотя кристаллическая структура на удивление мало изменилась после связывания с циленгитидом, текущая гипотеза заключается в том, что функция интегрина включает изменения формы для перемещения сайта связывания лиганда в более доступное положение, подальше от поверхности клетки, и это изменение формы также запускает внутриклеточную сигнализацию. Существует обширная клеточно-биологическая и биохимическая литература, которая поддерживает эту точку зрения. Возможно, наиболее убедительные доказательства связаны с использованием антител , которые распознают интегрины только тогда, когда они связаны со своими лигандами или активированы. Поскольку «след», который антитело оставляет на своей связывающей цели, составляет примерно круг диаметром около 3 нм, разрешение этой методики низкое. Тем не менее, эти так называемые антитела LIBS (Ligand-Induced-Binding-Sites) однозначно показывают, что существенные изменения формы интегрина происходят регулярно. Однако то, как изменения, обнаруженные с помощью антител, выглядят в структуре, до сих пор неизвестно.
Предполагается, что при высвобождении в клеточную мембрану вновь синтезированные димеры интегрина находятся в той же «изогнутой» конформации, которая была выявлена в структурных исследованиях, описанных выше. Одна школа мысли утверждает, что эта изогнутая форма не позволяет им взаимодействовать со своими лигандами, хотя изогнутые формы могут преобладать в структурах интегрина с высоким разрешением, связанных с лигандом ECM. Поэтому, по крайней мере в биохимических экспериментах, димеры интегрина, по-видимому, не должны быть «разогнутыми», чтобы их можно было запитать и позволить им связаться с ECM . В клетках запитка осуществляется белком талином, который связывается с β-хвостом димера интегрина и изменяет его конформацию. [10] [11] Цепи интегрина α и β являются трансмембранными белками класса I: они проходят через плазматическую мембрану как отдельные трансмембранные альфа-спирали. К сожалению, спирали слишком длинные, и недавние исследования показывают, что для интегрина gpIIbIIIa они наклонены как по отношению друг к другу, так и к плоскости мембраны. Связывание талина изменяет угол наклона трансмембранной спирали цепи β3 в модельных системах, и это может отражать стадию в процессе сигнализации изнутри наружу, которая запускает интегрины. [12] Более того, белки талина способны димеризоваться [13] и, таким образом, как полагают, вмешиваются в кластеризацию димеров интегрина, что приводит к образованию фокальной адгезии . Недавно было обнаружено, что белки Kindlin-1 и Kindlin-2 также взаимодействуют с интегрином и активируют его. [14]
Интегрины выполняют две основные функции: прикрепление клеток к ECM и передача сигнала от ECM к клеткам. [15] Они также участвуют в широком спектре других биологических активностей, включая экстравазацию, межклеточную адгезию, миграцию клеток и в качестве рецепторов для определенных вирусов, таких как аденовирус , эховирус , хантавирус , ящур , вирус полиомиелита и другие вирусы. В последнее время важность интегринов в развитии аутоиммунных заболеваний также привлекает внимание ученых. Эти механорецепторы, по-видимому, регулируют аутоиммунитет, диктуя различные внутриклеточные пути для контроля адгезии иммунных клеток к слоям эндотелиальных клеток с последующей их трансмиграцией. Этот процесс может зависеть или не зависеть от чистой силы, с которой сталкиваются внеклеточные части различных интегринов. [16]
Известная функция интегринов наблюдается в молекуле GpIIb/IIIa , интегрине на поверхности тромбоцитов ( тромбоцитов), ответственном за присоединение к фибрину в формирующемся сгустке крови. Эта молекула резко увеличивает свою связывающую способность с фибрином/фибриногеном посредством ассоциации тромбоцитов с открытыми коллагенами в месте раны. После ассоциации тромбоцитов с коллагеном GPIIb/IIIa изменяет форму, что позволяет ему связываться с фибрином и другими компонентами крови, чтобы сформировать матрицу сгустка и остановить потерю крови.
Интегрины связывают внеклеточный матрикс (ECM) снаружи клетки с цитоскелетом (в частности, микрофиламентами ) внутри клетки. То, с каким лигандом в ECM может связываться интегрин, определяется тем, из каких α- и β-субъединиц состоит интегрин. Среди лигандов интегринов — фибронектин , витронектин , коллаген и ламинин . Связь между клеткой и ECM может помочь клетке выдерживать тянущие силы, не вырываясь из ECM. Способность клетки создавать этот тип связи также имеет жизненно важное значение в онтогенезе .
Прикрепление клетки к ECM является основным требованием для построения многоклеточного организма. Интегрины не просто крючки, они дают клетке критические сигналы о природе ее окружения. Вместе с сигналами, возникающими от рецепторов растворимых факторов роста, таких как VEGF , EGF и многих других, они обеспечивают принятие клеткой решения о том, какое биологическое действие предпринять, будь то прикрепление, движение, смерть или дифференциация. Таким образом, интегрины лежат в основе многих клеточных биологических процессов. Прикрепление клетки происходит посредством образования комплексов клеточной адгезии , которые состоят из интегринов и многих цитоплазматических белков, таких как талин , винкулин , паксиллин и альфа- актинин . Они действуют, регулируя киназы , такие как FAK ( киназа фокальной адгезии ) и члены семейства киназ Src, для фосфорилирования субстратов, таких как p130CAS, тем самым привлекая сигнальные адаптеры, такие как CRK . Эти комплексы адгезии прикрепляются к актиновому цитоскелету. Таким образом, интегрины служат для связи двух сетей через плазматическую мембрану: внеклеточного ECM и внутриклеточной актиновой филаментной системы. Интегрин α6β4 является исключением: он связывается с кератиновой промежуточной филаментной системой в эпителиальных клетках. [17]
Фокальные адгезии представляют собой крупные молекулярные комплексы, которые образуются в результате взаимодействия интегринов с ВКМ, а затем их кластеризации. Кластеры, вероятно, обеспечивают достаточное количество внутриклеточных участков связывания, чтобы обеспечить образование стабильных сигнальных комплексов на цитоплазматической стороне клеточной мембраны. Таким образом, фокальные адгезии содержат лиганд интегрина, молекулу интегрина и ассоциированные белки бляшек. Связывание стимулируется изменениями свободной энергии. [18] Как уже говорилось ранее, эти комплексы соединяют внеклеточный матрикс с пучками актина. Криоэлектронная томография показывает, что адгезия содержит частицы на клеточной мембране диаметром 25 +/- 5 нм, расположенные на расстоянии примерно 45 нм. [19] Обработка ингибитором Rho-киназы Y-27632 уменьшает размер частицы, и она чрезвычайно механочувствительна. [20]
Одной из важных функций интегринов на клетках в культуре тканей является их роль в миграции клеток . Клетки прикрепляются к субстрату посредством своих интегринов. Во время движения клетка образует новые присоединения к субстрату спереди и одновременно освобождает те, что сзади. При освобождении от субстрата молекулы интегрина возвращаются в клетку путем эндоцитоза ; они транспортируются через клетку к ее передней части с помощью эндоцитарного цикла , где они добавляются обратно на поверхность. Таким образом, они циклически используются повторно, что позволяет клетке создавать новые присоединения на ее переднем фронте. [21] Цикл эндоцитоза интегрина и рециркуляции обратно на поверхность клетки важен также для не мигрирующих клеток и во время развития животных. [22]
Интегрины играют важную роль в клеточной сигнализации, модулируя клеточные сигнальные пути трансмембранных протеинкиназ, таких как рецепторные тирозинкиназы (RTK). Хотя взаимодействие между интегрином и рецепторными тирозинкиназами изначально считалось однонаправленным и поддерживающим, недавние исследования показывают, что интегрины играют дополнительные, многогранные роли в клеточной сигнализации. Интегрины могут регулировать сигнализацию рецепторной тирозинкиназы, привлекая специфические адаптеры к плазматической мембране. Например, интегрин β1c привлекает Gab1/Shp2 и представляет Shp2 IGF1R, что приводит к дефосфорилированию рецептора. [23] В обратном направлении, когда активируется рецепторная тирозинкиназа, интегрины локализуются в фокальной адгезии с рецепторными тирозинкиназами и связанными с ними сигнальными молекулами.
Репертуар интегринов, экспрессируемых на определенной клетке, может определять сигнальный путь из-за дифференциальной аффинности связывания лигандов ECM для интегринов. Жесткость ткани и состав матрикса могут инициировать специфические сигнальные пути, регулирующие поведение клеток. Кластеризация и активация комплексов интегринов/актина усиливают взаимодействие фокальной адгезии и инициируют структуру для клеточной сигнализации посредством сборки адгезисом. [24]
В зависимости от регуляторного воздействия интегрина на специфические рецепторные тирозинкиназы клетка может испытывать:
Знание взаимосвязи между интегринами и рецепторной тирозинкиназой заложило основу для новых подходов к терапии рака. В частности, нацеливание на интегрины, связанные с RTK, является новым подходом к ингибированию ангиогенеза. [26]
Интегрины играют важную роль в нейрорегенерации после повреждения периферической нервной системы (ПНС). [27] Интегрины присутствуют в конусе роста поврежденных нейронов ПНС и прикрепляются к лигандам в ВКМ, способствуя регенерации аксонов. Неясно, могут ли интегрины способствовать регенерации аксонов в центральной нервной системе (ЦНС) взрослых. Существует два препятствия, которые мешают регенерации, опосредованной интегринами, в ЦНС: 1) интегрины не локализуются в аксоне большинства нейронов ЦНС взрослых и 2) интегрины инактивируются молекулами в рубцовой ткани после повреждения. [27]
Ниже приведены 16 из ~24 интегринов, обнаруженных у позвоночных:
Бета-1 интегрины взаимодействуют со многими альфа-интегриновыми цепями. Нокауты генов интегринов у мышей не всегда летальны, что предполагает, что во время эмбрионального развития один интегрин может заменять свою функцию другим, чтобы обеспечить выживание. Некоторые интегрины находятся на поверхности клетки в неактивном состоянии и могут быть быстро активированы или переведены в состояние, способное связывать их лиганды, цитокинами. Интегрины могут принимать несколько различных четко определенных форм или «конформационных состояний». После активации конформационное состояние изменяется, стимулируя связывание лиганда, что затем активирует рецепторы — также вызывая изменение формы — для запуска передачи сигнала снаружи внутрь.
Медиа, связанные с Integrins на Wikimedia Commons