Фибронектин — это высокомолекулярный ( ~500–~600 кДа ) [5] гликопротеин внеклеточного матрикса , который связывается с трансмембранными рецепторными белками, называемыми интегринами . [6] Фибронектин также связывается с другими белками внеклеточного матрикса , такими как коллаген , фибрин и гепарансульфатпротеогликаны (например, синдеканы ).
Фибронектин существует в виде белкового димера , состоящего из двух почти идентичных мономеров, связанных парой дисульфидных связей . [6] Белок фибронектин вырабатывается из одного гена, но альтернативный сплайсинг его пре-мРНК приводит к созданию нескольких изоформ .
У позвоночных присутствуют два типа фибронектина : [6]
Фибронектин играет важную роль в адгезии клеток , росте , миграции и дифференциации , а также важен для таких процессов, как заживление ран и эмбриональное развитие . [6] Измененная экспрессия , деградация и организация фибронектина связана с рядом патологий , включая рак, артрит и фиброз . [7] [8]
Фибронектин существует как белковый димер, состоящий из двух почти идентичных полипептидных цепей, связанных парой С-концевых дисульфидных связей . [9] Каждая субъединица фибронектина имеет молекулярную массу ~230–~275 кДа [10] и содержит три типа модулей : тип I, II и III. Все три модуля состоят из двух антипараллельных β-слоев , что приводит к образованию бета-сэндвича ; однако тип I и тип II стабилизированы внутрицепочечными дисульфидными связями, в то время как модули типа III не содержат никаких дисульфидных связей. Отсутствие дисульфидных связей в модулях типа III позволяет им частично разворачиваться под действием приложенной силы. [11]
Три области вариабельного сплайсинга встречаются по длине протомера фибронектина . Один или оба «дополнительных» модуля типа III (EIIIA и EIIIB) могут присутствовать в клеточном фибронектине, но они никогда не присутствуют в плазменном фибронектине. «Изменчивая» V-область существует между III 14–15 (14-й и 15-й модуль типа III). Структура V-области отличается от модулей типа I, II и III, и ее наличие и длина могут варьироваться. V-область содержит сайт связывания для интегринов α4β1 . Он присутствует в большинстве клеточных фибронектинов, но только одна из двух субъединиц в димере плазменного фибронектина содержит последовательность V-области.
Модули организованы в несколько функциональных и связывающих белок доменов по длине мономера фибронектина . Существует четыре связывающих фибронектин домена, позволяющих фибронектину связываться с другими молекулами фибронектина. [9] Один из этих связывающих фибронектин доменов, I 1–5 , называется «доменом сборки» и требуется для инициации сборки матрикса фибронектина. Модули III 9–10 соответствуют «домену связывания клеток» фибронектина. Последовательность RGD (Arg–Gly–Asp) расположена в III 10 и является местом прикрепления клеток через интегрины α5β1 и αVβ3 на поверхности клетки. «Сайд синергии» находится в III 9 и играет роль в модулировании ассоциации фибронектина с интегринами α5β1 . [12] Фибронектин также содержит домены для связывания фибрина (I 1–5 , I 10–12 ), связывания коллагена (I 6–9 ), связывания фибулина-1 (III 13–14 ), связывания гепарина и связывания синдекана (III 12–14 ). [9]
Фибронектин имеет многочисленные функции, которые обеспечивают нормальное функционирование позвоночных организмов. [6] Он участвует в клеточной адгезии , росте , миграции и дифференциации . Клеточный фибронектин собирается во внеклеточный матрикс , нерастворимую сеть, которая разделяет и поддерживает органы и ткани организма.
Фибронектин играет решающую роль в заживлении ран . [13] [14] Наряду с фибрином плазменный фибронектин откладывается в месте повреждения, образуя сгусток крови , который останавливает кровотечение и защищает лежащую под ним ткань . По мере продолжения восстановления поврежденной ткани фибробласты и макрофаги начинают ремоделировать область, разрушая белки, которые образуют временную матрицу сгустка крови , и заменяя их матрицей , которая больше похожа на нормальную окружающую ткань. Фибробласты секретируют протеазы , включая матриксные металлопротеиназы , которые переваривают плазменный фибронектин, а затем фибробласты секретируют клеточный фибронектин и собирают его в нерастворимую матрицу . Было высказано предположение, что фрагментация фибронектина протеазами способствует сокращению раны, что является критическим шагом в заживлении ран . Фрагментация фибронектина дополнительно обнажает его V-область, которая содержит сайт для связывания интегрина α4β1 . Предполагается, что эти фрагменты фибронектина усиливают связывание клеток, экспрессирующих интегрин α4β1, позволяя им прикрепляться к окружающему матриксу и сильно сжимать его.
Фибронектин необходим для эмбриогенеза , а инактивация гена фибронектина приводит к ранней эмбриональной летальности. [15] Фибронектин важен для управления прикреплением и миграцией клеток во время эмбрионального развития . В развитии млекопитающих отсутствие фибронектина приводит к дефектам в мезодермальном , нервной трубке и развитии сосудов . Аналогичным образом, отсутствие нормального матрикса фибронектина у развивающихся амфибий вызывает дефекты в мезодермальном паттерне и подавляет гаструляцию . [16]
Фибронектин также содержится в нормальной человеческой слюне, что помогает предотвратить колонизацию полости рта и глотки патогенными бактериями . [17]
Клеточный фибронектин собирается в нерастворимую фибриллярную матрицу в сложном клеточно-опосредованном процессе. [18] Сборка матрицы фибронектина начинается, когда растворимые, компактные димеры фибронектина секретируются клетками, часто фибробластами . Эти растворимые димеры связываются с рецепторами интегрина α5β1 на поверхности клетки и способствуют кластеризации интегринов. Локальная концентрация связанного с интегрином фибронектина увеличивается, что позволяет связанным молекулам фибронектина легче взаимодействовать друг с другом. Затем между соседними клетками начинают формироваться короткие фибриллы фибронектина . По мере продолжения сборки матрицы растворимые фибриллы преобразуются в более крупные нерастворимые фибриллы, которые составляют внеклеточный матрикс .
Переход фибронектина из растворимых в нерастворимые фибриллы происходит, когда скрытые сайты связывания фибронектина обнажаются по всей длине связанной молекулы фибронектина. Считается, что клетки растягивают фибронектин, натягивая свои интегриновые рецепторы, связанные с фибронектином. Эта сила частично разворачивает лиганд фибронектина , раскрывая скрытые сайты связывания фибронектина и позволяя близлежащим молекулам фибронектина ассоциироваться. Это взаимодействие фибронектина с фибронектином позволяет растворимым, связанным с клеткой фибриллам разветвляться и стабилизироваться в нерастворимую матрицу фибронектина .
Было показано, что трансмембранный белок CD93 необходим для сборки фибронектинового матрикса (фибриллогенеза) в эндотелиальных клетках дермальной крови человека. [19] Как следствие, нокдаун CD93 в этих клетках привел к нарушению фибриллогенеза фибронектина. Более того, сетчатка мышей с нокаутом CD93 показала нарушенный фибронектиновый матрикс на фронте прорастания сетчатки. [19]
В опухолях и клеточных линиях, полученных из опухолей, наблюдалось несколько морфологических изменений, которые объяснялись снижением экспрессии фибронектина , повышением деградации фибронектина и/или снижением экспрессии рецепторов , связывающих фибронектин , таких как интегрины α5β1 . [20]
Фибронектин участвует в развитии карциномы . [21] При карциноме легких экспрессия фибронектина увеличивается, особенно при немелкоклеточной карциноме легких . Адгезия клеток карциномы легких к фибронектину усиливает туморогенность и придает устойчивость к химиотерапевтическим агентам , вызывающим апоптоз . Было показано, что фибронектин стимулирует гонадные стероиды , которые взаимодействуют с рецепторами андрогенов позвоночных , которые способны контролировать экспрессию циклина D и связанных с ним генов, участвующих в контроле клеточного цикла . Эти наблюдения предполагают, что фибронектин может способствовать росту/выживанию опухоли легких и устойчивости к терапии, и он может представлять собой новую цель для разработки новых противораковых препаратов .
Фибронектин 1 действует как потенциальный биомаркер радиорезистентности [22] и панракового прогноза. [23]
Слияние FN1-FGFR1 часто встречается в фосфатурических мезенхимальных опухолях. [24] [25]
Фибронектин оказывает глубокое воздействие на заживление ран , включая формирование надлежащего субстрата для миграции и роста клеток во время развития и организации грануляционной ткани , а также ремоделирования и ресинтеза матрикса соединительной ткани. [26] Биологическое значение фибронектина in vivo изучалось в ходе изучения механизма заживления ран. [26] Уровни фибронектина в плазме снижаются при остром воспалении или после хирургической травмы, а также у пациентов с диссеминированным внутрисосудистым свертыванием . [27]
Фибронектин находится во внеклеточном матриксе эмбриональных и взрослых тканей (не в базальных мембранах взрослых тканей), но может быть более широко распространен в воспалительных поражениях. Во время свертывания крови фибронектин остается связанным со сгустком, ковалентно связанным с фибрином с помощью фактора XIII (фактора, стабилизирующего фибрин). [28] [29] Фибробласты играют важную роль в заживлении ран, прилипая к фибрину. Адгезия фибробластов к фибрину требует фибронектина и была наиболее сильной, когда фибронектин был связан с фибрином. У пациентов с дефицитом фактора XIII наблюдается нарушение заживления ран, поскольку фибробласты плохо растут в фибрине, лишенном фактора XIII. Фибронектин способствует фагоцитозу частиц как макрофагами , так и фибробластами. Отложение коллагена в месте раны фибробластами происходит с помощью фибронектина. Также было обнаружено, что фибронектин тесно связан с вновь отложенными коллагеновыми фибриллами. На основании размера и гистологических характеристик окрашивания фибрилл, вероятно, что по крайней мере частично они состоят из коллагена типа III ( ретикулина ). Исследование in vitro с нативным коллагеном показало, что фибронектин связывается с коллагеном типа III, а не с другими типами. [30]
Плазменный фибронектин, синтезируемый гепатоцитами [31], и фибронектин, синтезируемый культивируемыми фибробластами, похожи, но не идентичны; сообщалось об иммунологических, структурных и функциональных различиях [32] . Вероятно, эти различия являются результатом дифференциальной обработки одной зарождающейся мРНК. Тем не менее, плазменный фибронектин может быть переведен в нерастворимую форму во внеклеточном матриксе ткани in vitro и in vivo . Как плазменный, так и клеточный фибронектин в матриксе образуют высокомолекулярные мультимеры с дисульфидными связями . Механизм образования этих мультимеров в настоящее время неизвестен. Было показано, что плазменный фибронектин содержит два свободных сульфгидрила на субъединицу (X), а клеточный фибронектин содержит по крайней мере один. Эти сульфгидрилы, вероятно, скрыты внутри третичной структуры , поскольку сульфгидрилы обнажаются при денатурации фибронектина. Такая денатурация приводит к окислению свободных сульфгидрилов и образованию дисульфидно-связанных мультимеров фибронектина. Это привело к предположению, что свободные сульфгидрилы могут быть вовлечены в образование дисульфидно-связанных мультимеров фибронектина во внеклеточном матриксе. В соответствии с этим, сульфгидрильная модификация фибронектина с N-этилмалеимидом предотвращает связывание с клеточными слоями. Триптические паттерны расщепления мультимерного фибронектина не выявляют дисульфидно-связанных фрагментов, которые можно было бы ожидать, если бы мультимеризация включала один или оба свободных сульфгидрила. Свободные сульфгидрилы фибронектина не требуются для связывания фибронектина со слоем клеток или для его последующего включения во внеклеточный матрикс. Дисульфидно-связанная мультимеризация фибронектина в клеточном слое происходит путем обмена дисульфидными связями в богатой дисульфидами аминоконцевой трети молекулы. [32]
В многоцентровом, многоэтническом генетическом эпидемиологическом и функциональном геномном исследовании было показано, что специфическая генетическая вариация в гене фибронектина снижает риск развития болезни Альцгеймера. Считается, что этот эффект достигается за счет повышения способности мозга очищать гематоэнцефалический барьер от токсичных отходов и накопления белка. [33]
Помимо интегрина, фибронектин связывается со многими другими молекулами хозяина и не хозяина. Например, было показано, что он взаимодействует с такими белками, как фибрин , тенасцин , TNF-α, BMP-1, ротавирус NSP-4 и многими связывающими фибронектин белками бактерий (например, FBP-A; FBP-B на N-концевом домене), а также гликозаминогликаном , гепарансульфатом .
Было показано, что фибронектин взаимодействует с: