что значит дифференцировка клеток
Дифференцировка клеток
Дифференцировка клеток — процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток, отражающего их способность к тем или иным профильным функциям. Иными словами, фенотип клеток есть результат координированной экспрессии (то есть согласованной функциональной активности) определённого набора генов.
В процессе дифференцировки менее специализированная клетка становится более специализированной. Например, моноцит развивается в макрофаг, промиобласт развивается в миобласт, который образуя синцитий, формирует мышечное волокно. Деление, дифференцировка и морфогенез— основные процессы, путём которых одиночная клетка (зигота) развивается в многоклеточный организм, содержащий самые разнообразные виды клеток. Дифференцировка меняет функцию клетки, её размер, форму и метаболическую активность.
Дифференцировка клеток происходит не только в эмбриональном развитии, но и во взрослом организме (при кроветворении, сперматогенезе, регенерации поврежденных тканей).
Содержание
Потентность
Общее название для всех клеток, ещё не достигших окончательного уровня специализации (то есть способных дифференцироваться), — стволовые клетки. Степень дифференцированости клетки (её «потенция к развитию») называется потентностью. Клетки, способные дифференцироваться в любую клетку взрослого организма, называются плюрипотентными. Для обозначения плюрипотентных клеток в организме животных используется также термин «эмбриональные стволовые клетки». Зигота и бластомеры являются тотипотентными, так как они могут дифференцироваться в любую клетку, в том числе и в экстраэмбриональные ткани.
Дифференцировка клеток млекопитающих
Самая первая дифференцировка в процессе развития эмбриона происходит на этапе формирования бластоцисты, когда однородные клетки морулы, разделяются на два клеточных типа: внутренний эмбриобласт и внешний трофобласт. Трофобласт участвует в имплантации эмбриона и дает начало эктодерме хориона (одна из тканей плаценты). Эмбриобласт даёт начало всем прочим тканям эмбриона. По мере развития эмбриона клетки становятся всё более специализированными (мультипотентные, унипотентные), пока не станут окончательно дифференцировавшимися клетками, обладающими конечной функцией, как например, мышечные клетки. В организме человека насчитывается порядка 220 различных типов клеток.
Небольшое количество клеток во взрослом организме сохраняют мультипотентность. Они используются в процессе естественного обновления клеток крови, кожи и др., а также для замещения повреждённых тканей. Так как эти клетки обладают двумя основными функциями стволовых клеток — способностью обновляться, поддерживая мультипотентность, и способностью дифференцироваться — их называют взрослыми стволовыми клетками.
Дедифференцировка
Дедифференцировка — это процесс, обратный дифференцировке. Частично или полностью дифференцировавшаяся клетка возвращается в менее дифференцированное состояние. Обычно является частью регенеративного процесса и чаще наблюдается у низших форм животных, а также у растений. Например, при повреждении части растения клетки, соседствующие с раной, дедифференцируются и интенсивно делятся, формируя каллус. При помещении в определённые условия клетки каллуса дифференцируются в недостающие ткани. Так при погружении черенка в воду из каллуса формируются корни. С некоторыми оговорками к явлению дедифференцировки можно отнести опухолевую трансформацию клеток.
Эпителиально-мезенхимная трансдифференцировка клеток
Исследования в области метастазирования раковых клеток привели к неожиданному открытию того, что в процессе злокачественной трансформации из некоторых здоровых клеток образуются клетки с характеристиками стволовых, которые дают начало опухолевым клеткам. Принцип возникновения таких клеток может найти применение в регенеративной медицине и в терапии рака, если удастся сделать процесс возвращения дифференцированной клетки в недифференцированное состояние контролируемым.
Некоторые раковые клетки приобретают способность к миграции по организму благодаря реактивации генетических программ, задействованных в эмбриональных клетках. Исследователи из лаборатории профессора Роберта Вайнберга (Robert Weinberg) показали, что при искусственной реактивации таких программ в терминально дифференцированных клетках можно получить клетки с характеристиками взрослых стволовых клеток, включая способность к самообновлению популяции.
В статье, опубликованной в мае 2008 года в журнале Cell, описан метод «эпителиально-мезенхимной» трансформации терминально дифференцированных мышиных и человеческих клеток (от «epithelial-to-mesenchymal» (EMT) transition), при применении которого они приобретают некоторые свойства мезенхимных клеток, характерных для соединительной ткани.
EMT приводит к тому, что контакты между эпителиальными клетками, а также между клетками и внеклеточным матриксом разрушаются. Исследователи считают, что именно этот процесс может предшествовать метастазированию некоторых злокачественных опухолей. Клетки, подвергшиеся эпителиально-мезенхимной трансдифференцировке, могут перемещаться по кровотоку и, достигнув места прикрепления, претерпевать обратный процесс, то есть мезенхимно-эпителиальную трансдифференцировку.
Был идентифицирован ген FOXC2, являющийся ключевым в процессах инвазии и метастазирования. В процессе эмбриогенеза экспрессия этого гена ограничивается мезодермой и тканями мезодермального происхождения на уровне их начальной дифференцировки. При реактивации FOXC2 происходит возвращение клеток в недифференцированное состояние. Это было показано также на эпителиальных клетках молочной железы человека. При EMT эти клетки начинали экспрессировать маркеры стволовых клеток и приобретали морфологию мезенхимных клеток. Они активно пролиферировали в культуре и в суспензиях образовывали так называемые «маммосферы», в которых также обнаруживались клетки с характеристиками стволовых.
Ученые уверены, что показанный ими механизм может использоваться для получения стволовых клеток из взрослых эпителиальных клеток в любых требуемых количествах. Также они показали, что именно он ответственен за повышение пролиферативной активности опухолевых клеток при метастазировании. Исследователи планируют далее изучать процесс EMT на эпителиальных клетках молочной железы мышей, чтобы выяснить, насколько эти клетки применимы для восстановления железы после повреждения.
Маммосфера, которую образуют эпителиальные клетки молочной железы, подвергшиеся EMT, в суспензии. Желтым помечены клетки, экспрессирующие маркеры стволовых.
По материалам: Mani S.A. et al. The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells. Cell, online publication May 15, Print Edition, Volume 133 (4).
NAME] => URL исходной статьи [
Ссылка на публикацию: Cbio
Код вставки на сайт
Эпителиально-мезенхимная трансдифференцировка клеток
Исследования в области метастазирования раковых клеток привели к неожиданному открытию того, что в процессе злокачественной трансформации из некоторых здоровых клеток образуются клетки с характеристиками стволовых, которые дают начало опухолевым клеткам. Принцип возникновения таких клеток может найти применение в регенеративной медицине и в терапии рака, если удастся сделать процесс возвращения дифференцированной клетки в недифференцированное состояние контролируемым.
Некоторые раковые клетки приобретают способность к миграции по организму благодаря реактивации генетических программ, задействованных в эмбриональных клетках. Исследователи из лаборатории профессора Роберта Вайнберга (Robert Weinberg) показали, что при искусственной реактивации таких программ в терминально дифференцированных клетках можно получить клетки с характеристиками взрослых стволовых клеток, включая способность к самообновлению популяции.
В статье, опубликованной в мае 2008 года в журнале Cell, описан метод «эпителиально-мезенхимной» трансформации терминально дифференцированных мышиных и человеческих клеток (от «epithelial-to-mesenchymal» (EMT) transition), при применении которого они приобретают некоторые свойства мезенхимных клеток, характерных для соединительной ткани.
EMT приводит к тому, что контакты между эпителиальными клетками, а также между клетками и внеклеточным матриксом разрушаются. Исследователи считают, что именно этот процесс может предшествовать метастазированию некоторых злокачественных опухолей. Клетки, подвергшиеся эпителиально-мезенхимной трансдифференцировке, могут перемещаться по кровотоку и, достигнув места прикрепления, претерпевать обратный процесс, то есть мезенхимно-эпителиальную трансдифференцировку.
Был идентифицирован ген FOXC2, являющийся ключевым в процессах инвазии и метастазирования. В процессе эмбриогенеза экспрессия этого гена ограничивается мезодермой и тканями мезодермального происхождения на уровне их начальной дифференцировки. При реактивации FOXC2 происходит возвращение клеток в недифференцированное состояние. Это было показано также на эпителиальных клетках молочной железы человека. При EMT эти клетки начинали экспрессировать маркеры стволовых клеток и приобретали морфологию мезенхимных клеток. Они активно пролиферировали в культуре и в суспензиях образовывали так называемые «маммосферы», в которых также обнаруживались клетки с характеристиками стволовых.
Ученые уверены, что показанный ими механизм может использоваться для получения стволовых клеток из взрослых эпителиальных клеток в любых требуемых количествах. Также они показали, что именно он ответственен за повышение пролиферативной активности опухолевых клеток при метастазировании. Исследователи планируют далее изучать процесс EMT на эпителиальных клетках молочной железы мышей, чтобы выяснить, насколько эти клетки применимы для восстановления железы после повреждения.
Маммосфера, которую образуют эпителиальные клетки молочной железы, подвергшиеся EMT, в суспензии. Желтым помечены клетки, экспрессирующие маркеры стволовых.
Научная электронная библиотека
5.2.1. Паратгормон-родственный протеин и хондрогенез
Хрящ представляет собой соединительную ткань которая служит нескольким пренатальным и послеродовым функциям. Хрящ обеспечивает структурную поддержку раннего эмбриона, формирует шаблон для развития эндохондральных костей, обеспечивает быстрый постнатальный рост скелета. Жизненный цикл хондроцитов состоит из стадий пролиферации, дифференцировки, созревания и апоптоза. Скорость каждого из этих процессов зависит от временных и пространственных сигналов внутри организма. Идентификация и характеристика этих сигналов составляет молекулярную основу структуры и функции хряща. Терминальная дифференциация хондроцитов приводит к формированию разных типов хряща: гиалиновый, эластичный и волокнистый. Дифференциация хондроцитов определяется спектром морфогенетических сигналов интегрированных в программу развития. Было показано, что ряд молекул участвует в образовании хряща. К ним относятся классы внеклеточных лигандов и их родственные рецепторы и цитоплазматические преобразователи (Hill D.J., Logan A., 1992), ядерные рецепторы (Underhill T.M., 2001), транскрипционные факторы или ДНК-связывающие белки (Mundlos S., Olsen B.R., 1997a), матричные белки (Mundlos S., Olsen B.R. 1997b), матричные модификаторы, включая матриксные металлопротеиназы (Wu W., et al., 2001), молекулы адгезии (De Lise A.M., et al., 2000) и цитоскелет (Daniels K., Solursh M., 1991). Кроме того, рост и развитие скелета особенно чувствительны к влиянию биомеханических сил (Hasler E.M., et al., 1999). Механическая нагрузка регулирует форму, регенерацию и старение скелета. Механические сигналы трансдуцируются через внеклеточные матрицы, модифицируют клеточно-матричные и клеточные клеточные взаимодействия и влияют на реакции транскрипции. Таким образом, взаимодействие между генетическими и биомеханическими детерминантами контролирует целостность хряща, продуцируемого как in vivo, так и in vitro (Reddi A.H., 2000).
Хондрогенез представляет собой сложный и жестко регулируемый процесс, основные молекулярные механизмы которого еще не полностью поняты. Хондропрогениторные клетки разного эмбрионального происхождения (Quintana L. et al., 2008) начинают регулировать экспрессию трансформирующего фактора роста бета (TGF-β), фибронектина, N-CAM и N-кадгерина, который инициирует клеточную конденсацию и дифференцировку хряща (Hall B.K., Miyake T., 2000). Координация ряда сигнальных молекул является критическим для процесса хондрогенеза. Семейства TGF-β, BMP, Ihh и ПТГрП в настоящее время наиболее изучены. Семейство TGF-β является наиболее известным компонентом суперсемейства секретируемых белков, который содержит ингредиенты ингинов, активинов, ингибиторного вещества Mullerian, BMP, факторы дифференциации роста и глиальные нейротрофические факторы (Kingsley D.M., 1994). В основном существуют три подтипа (TGF-β1, TGF-β2 и TGF-β3) у людей и они участвуют в регуляции нескольких клеточных процессов таких как пролиферация, дифференцировка и апоптоз. BMP являются важными членами среди надсемейств секретируемых белков, известных как регуляторы на самых ранних стадиях хондрогенеза (мезенхимная конденсация, определение хондропрогениторов и дифференциация клеток). Кроме того, BMP играют роль на поздних стадиях созревания хондроцитов и их окончательной дифференцировки в гипертрофический фенотип (Keller B., et al., 2011). Во время раннего хондрогенеза клетки-предшественники конденсируются и дифференцируются в покоящиеся хондроциты, производя агрегацию протеогликанов и коллагена II, IX и XI типов. Этот фенотип стабильно сохраняется в гиалиновом хряще суставов, тогда как дальнейшая дифференциация происходит при эндохондральной оссификации в развитии и росте костей. ПТГрП является критическим аутокринным регулятором эндохондральной оссификации в пластине роста, что подтверждается серьезным нарушением структуры и функции ростовой пластины у ПТГрП-дефицитных трансгенных мышей (Kronenberg H.M., 2006). ПТГрП замедляет скорость созревания хондроцитов и поддерживает их в пролиферирующем состоянии. Роль ПТГрП в модулировании пролиферации хондроцитов пластины роста была доказана исследованиями in vitro в 1993 году. (Loveys L.S., et al., 1993).
Хотя ПТГрП был идентифицирован как ключевой регулятор дифференциации хондроцитов в пластине роста, факторы, непосредственно регулирующие экспрессию ПТГрП, не полностью установлены. Клетки из эпифиза считаются физиологическим источником ПТГрП, однако относительная экспрессия ПТГрП в эпифизарных хондроцитах и хондроцитах в хрящевой ростовой пластине не определена. Pateder D.B., et al. (2000) установили, что экспрессия мРНК ПТГрП была в 10 раз выше в эпифизарных хондроцитах по сравнению с клетками из пластины роста. Экспрессия была самой высокой в наименее зрелых клетках и постепенно снижалась с началом созревания. Регуляция экспрессии ПТГрП была дополнительно исследована в эпифизарных хондроцитах. Как стимуляция TGF-бета1, так и цис-ретиноевая кислота заметно повышали уровни мРНК ПТГрП, тогда как стимуляция BMP-2 и ПТГрП уменьшала экспрессию этого транскрипта. Эффекты TGF-β1 и TGF-β3 (8-9-кратная стимуляция) были несколько больше, чем эффекты TGF-β2 (стимуляция в 4,9 раза). Эффект TGF-бета был дозозависимым. Чтобы проанализировать паракринный эффект эпифизарных хондроцитов и хондроцитов из ростовой пластины друг на друга, эти клетки были помещены в кокультуру, а мРНК из каждой популяции собирали отдельно через 24 часа. После культивирования уровни мРНК ПТГрП повышались в эпифизарных клетках, в то время как в хондроцитах растовых пластин уменьшалась экспрессия коллагена X типа и транскриптов гена Ihh (Indian Hedgehog). Результаты демонстрируют потенциально важные паракринные взаимодействия между этими клеточными популяциями, возможно, опосредованными TGF-бета и ПТГрП.
ПТГрП экспрессируется в круглых пролиферативных хондроцитах эмбриональной зоны роста (хондроэпифиз) мыши уже в эмбриональном дне 12,5 (E 12,5) (Kronenberg H.M., 2003; Vortkamp A., et al., 1996). ПТГрП продуцируется в различных хрящевых структурах, таких как надхрящница, которая окружает реберный хрящ и гиалиновый хрящ суставных поверхностей, где ПТГрП предотвращает гипертрофическую дифференцировку хондроцитов и вторжение костной ткани в эти структуры, а также способствует моделированию связок и сухожилий во время их роста (Macica C., et al., 2011; 24 Chen X., et al., 2007). Во время развития ПТГрП секретируется периартикулярными хондроцитами эпифизарной пластинки роста (Kobayashi T., et al., 2005; Kronenberg H.M., 2006). Установлено, что ПТГрП может изменять рост и дифференцировку клеток хрящевой эпифизарной пластины (Amizuka N., et al., 2010). ПТГрП секретируется хрящевой тканью суставов в ответ на нагрузки и участвует в регуляции состояния суставного хряща (Macica C., et al., 2011). После закрытия растительных пластин взрослые человеческие суставные хондроциты все еще продуцируют ПТГрП, что указывает на возможную роль этого фактора в постоянном суставном хряще. Однако регуляция экспрессии и функция ПТГрП в постоянном суставном хряще малоизучены. Функции ПТГрП в поддержании суставного хряща и моделирования связочного и сухожильного аппарата позволили предположить, что этот протеин может быть задействован в патофизиологических механизмах остеоартрита (Wysolmerski J.J., 2012).
Во время эндохондральной оссификации ПТГрП продуцируется в околосуставных областях хряща плода (также именуемого пластиной роста) и в перихондрии. Пластина роста кости состоит из колонн пролиферирующих и дифференциирующихся хондроцитов, которые постепенно увеличиваются до прегипертрофированных, а затем и гипертрофированных хондроцитов. Рецептор ПТГ/ПТГрП содержится в основном в прегипертрофических хондроцитах и значительно меньше в столбчатых пролиферирующих хондроцитах. Активация ПТГ/ПТГрП рецепторов расположенных на пролиферирующих и прегипертрофированных клетках обеспечивает поддержание их пролиферации и замедление скорости их дифференцировки в гипертрофированные клетки. Считается, что ПТГрП принадлежит ключевая роль в контроле темпов созревания хондроцитов в хрящевой ростовой пластине посредством предотвращения преждевременной дифференциации хондроцитов в прегипертрофированные и в гипертрофированные хондроциты (Lanske B., et al., 1999), а также путем увеличения скорости пролиферации хондроцитов и подавления их терминальной дифференцировки.
Основной регуляторной клеткой как в хондроэпифизе, так и в пластине роста является прегипертрофированный хондроцит и его основной продукт Ihh, который не только контролирует пролиферацию и раннюю дифференциацию круглых хондроцитов в плоскопролиферативные хондроциты и продуцирование ПТГрП, но и индукцию остеобластов в смежных структурах (Vortkamp A., et al., 1996; Niswander L., 2002; Long F., Kobasyashi T., 2005). ПТГрП служит в этой системе в качестве инструмента посредством которого Ihh регулирует поток дифференцированных хондроцитов через каскад их дифференцировки. Существенными особенностями этого регулирования развития являются то, что ПТГрП и Ihh, по-видимому, являются конститутивными секреторными мессенджерами, которые, вероятно, действуют через противоположные градиенты клеток с высоким содержанием лиганда и рецептора, находящихся на двух концах рассматриваемых структур роста. Поскольку развитие сжимает эти градиенты, регуляторные эффекты этих двух молекул становятся все более мощными. Примером могут служить индуцированная Ihh пролиферация прегипертрофированных хондроцитов в хондроэпифизах и в эмбриональном суставном хряще.
Что значит дифференцировка клеток
Анатомия и физиология кожи
Кожа – наш самый большой орган, составляющий 15% от общей массы тела. Она выполняет множество функций, прежде всего защищает организм от воздействия внешних факторов физической, химической и биологической природы, от потери воды, участвует в терморегуляции. Последние научные данные подтверждают, что кожа не только обладает собственной иммунной системой, но и сама является периферическим иммунном органом.
Структура кожи
Кожа состоит из 3 слоев: эпидермиса, дермы и подкожной жировой клетчатки (ПЖК) (рис. 1). Эпидермис – самый тонкий из них, представляет собой многослойный ороговевающий эпителий. Дерма – средний слой кожи. Главным образом состоит из фибрилл структурного белка коллагена. ПЖК содержит жировые клетки – адипоциты. Толщина этих слоев может значительно варьировать в зависимости от анатомического места расположения.
Рис.1. Структура кожи
Эпидермис
Кератинизация. По мере дифференцировки кератиноцитов и продвижения от базального слоя до рогового происходит их кератинизация (ороговевание) – процесс, начинающийся с фазы синтеза кератина кератиноцитами и заканчивающийся их клеточной деградацией. Кератин служит строительным блоком для промежуточных филаментов. Пучки из этих филаментов, достигая цитоплазматический мембраны, формируют десмосомы, необходимые для образования прочных контактов между соседними клетками. Далее, по мере процесса эпителиальной дифференцировки, клетки эпидермиса вступают в фазу деградации. Ядра и цитоплазматические органеллы разрушаются и исчезают, обмен веществ прекращается, и наступаетапоптозклетки, когда она полностью кератинизируется (превращается в роговую чешуйку).
Базальный слой эпидермиса состоит из одного ряда митотически активных кератиноцитов, которые делятся в среднем каждые 24 часа и дают начало новым клеткам новым клеткам вышележащих эпидермальных слоев. Они активируются только в особых случаях, например при возникновении раны. Далее новая клетка, кератиноцит, выталкивается в шиповатый слой, в котором она проводит до 2 недель, постепенно приближаясь к гранулярному слою. Движение клетки до рогового слоя занимает еще 14 дней. Таким образом, время жизни кератиноцита составляет около 28 дней.
Надо заметить, что не все клетки базального слоя делятся с такой скоростью, как кератиноциты. Эпидермальные стволовые клетки в нормальных условиях образуют долгоживущую популяцию с медленным циклом пролиферации.
Шиповатый слой эпидермиса состоит из 5-10 слоев кератиноцитов, различающихся формой, структурой и внутриклеточным содержимым, что определяется положением клетки. Так, ближе к базальному слою, клетки имеют полиэдрическую форму и круглое ядро, но по мере приближения клеток к гранулярному слою они становятся крупнее, приобретают более плоскую форму, в них появляются ламеллярные гранулы, в избытке содержащие различные гидролитические ферменты. Клетки интенсивно синтезируют кератиновые нити, которые, собираясь в промежуточные филаменты, остаются не связанными со стороны ядра, но участвуют в образовании множественных десмосом со стороны мембраны, формируя связи с соседними клетками. Присутствие большого количества десмосом придает этому слою колючий вид, за что он и получил название «шиповатый».
Зернистый слой эпидермиса составляют еще живые кератиноциты, отличающиеся своей уплощенной формой и большим количеством кератогиалиновых гранул. Последние отвечают за синтез и модификацию белков, участвующих в кератинизации. Гранулярный слой является самым кератогенным слоем эпидермиса. Кроме кератогиалиновых гранул кератиноциты этого слоя содержат в большом количестве лизосомальные гранулы. Их ферменты расщепляют клеточные органеллы в процессе перехода кератиноцита в фазу терминальной дифференцировки и последующего апоптоза. Толщина гранулярного слоя может варьировать, ее величина, пропорциональная толщине вышележащего рогового слоя, максимальна в коже ладоней и подошв стоп.
Блестящий слой эпидермиса (назван так за особый блеск при просмотре препаратов кожи на световом микроскопе) тонкий, состоит из плоских кератиноцитов, в которых полностью разрушены ядра и органеллы. Клетки наполнены элейдином – промежуточной формой кератина. Хорошо развит лишь на некоторых участках тела – на ладонях и подошвах.
Роговой слой эпидермиса представлен корнеоцитами (мертвыми, терминально-дифференцированными кератиноцитами) с высоким содержанием белка. Клетки окружены водонепроницаемым липидным матриксом, компоненты которого содержат соединения, необходимые для отшелушивания рогового слоя (рис. 3). Физические и биохимические свойства клеток в роговом слое различаются в зависимости от положения клетки внутри слоя, направляя процесс отшелушивания наружу. Например, клетки в средних слоях рогового слоя обладают более сильными водосвязывающими свойствами за счет высокой концентрации свободных аминокислот в их цитоплазме.
Рис. 3. Схематичное изображение рогового слоя с нижележащим зернистым слоем эпидермиса.
Дерма
Дерма представляет собой сложноорганизованную рыхлую соединительную ткань, состоящую из отдельных волокон, клеток, сети сосудов и нервных окончаний, а также эпидермальных выростов, окружающих волосяные фолликулы и сальные железы. Клеточные элементы дермы представлены фибробластами, макрофагами и тучными клетками. Лимфоциты, лейкоциты и другие клетки способны мигрировать в дерму в ответ на различные стимулы.
Дерма, составляя основной объем кожи, выполняет преимущественно трофическую и опорную функции, обеспечивая коже такие механические свойства, как пластичность, эластичность и прочность, необходимые ей для защиты внутренних органов тела от механических повреждений. Также дерма удерживает воду, участвует в терморегуляции и содержит механорецепторы. И, наконец, ее взаимодействие с эпидермисом поддерживает нормальное функционирование этих слоев кожи.
В дерме нет такого направленного и структурированного процесса клеточной дифференцировки, как в эпидермисе, тем не менее в ней также прослеживается четкая структурная организация элементов в зависимости от глубины их залегания. И клетки, и внеклеточный матрикс дермы также подвергаются постоянному обновлению и ремоделированию.
Коллаген – один из главных компонентов ВКМ дермы. Синтезируется фибробластами. Процесс его биосинтеза сложный и многоступенчатый, в результате которого фибробласт секретирует в экстрацеллюлярное пространство проколлаген, состоящий из трех полипептидных α-цепей, свернутых в одну тройную спираль. Затем мономеры проколлагена ферментивным путем собираются в протяженные фибриллярные структуры различного типа. Всего в коже не менее 15 типов коллагена, в дерме больше всего I, III и V типов этого белка: 88, 10 и 2% соответственно. Коллаген IV типа локализуется в зоне базальной мембраны, а коллаген VII типа, секретируемый кератиноцитами, играет роль адаптерного белка для закрепления фибрилл ВКМ на базальной мембране (рис. 4). Волокна структурных коллагенов I, III и V типов служат каркасом, к которому присоединяются другие белки ВКМ, в частности коллагены XII и XIV типов. Считается, что эти минорные коллагены, а также небольшие протеогликаны (декорин, фибромодулин и люмикан) регулируют формирование структурных коллагеновых волокон, их диаметр и плотность образуемой сети. Взаимодействие олигомерных и полимерных комплексов коллагена с другими белками, полисахаридами ВКМ, разнообразными факторами роста и цитокинами приводит к образованию особой сети, обладающей определенной биологической активностью, стабильностью и биофизическими характеристиками, важными для нормального функционирования кожи. В папиллярном слое дермы волокна коллагена располагаются рыхло и более свободно, тогда как ее ретикулярный слой содержит более крупные тяжи коллагеновых волокон.
Рис. 4. Схематичное представление слоев кожи и распределения коллагенов разных типов.
Коллаген постоянно обновляется, деградируя под действием протеолитических ферментов коллагеназ и замещаясь вновь синтезированными волокнами. Этот белок составляет 70% сухого веса кожи. Именно коллагеновые волокна «держат удар» при механическом воздействии на нее.
Эластин формирует еще одну сеть волокон в дерме, наделяя кожу такими качествами, как упругость и эластичность. По сравнению с коллагеном эластиновые волокна менее жесткие, они скручиваются вокруг коллагеновых волокон. Именно с эластиновыми волокнами связываются такие белки, как фибулины и фибриллины, с которыми, в свою очередь, связывается латентный TGF-β-связывающий белок (LTBP). Диссоциация этого комплекса приводит к высвобождению и к активации TGF-β, самого мощного из всех факторов роста. Он контролирует экспрессию, отложение и распределение коллагенов и других матриксных белков кожи. Таким образом, интактная сеть из волокон эластина служит депо для TGF-β.
ГК с легкостью образует вторичные водородные связи и внутри одной молекулы, и между соседними молекулами. В первом случае они обеспечивают формирование относительно жестких спиральных структур. Во втором – происходит ассоциация с другими молекулами ГК и неспецифическое взаимодействие с клеточными мембранами, что приводит к образованию сети из полимеров полисахаридов с включенными в нее фибробластами. На длинную молекулу ГК, как на нить, «усаживаются» более короткие молекулы протеогликанов (версикана, люмикана, декорина и др.), формируя агрегаты огромных размеров. Протяженные во всех направлениях, они создают каркас, внося вклад в стабилизацию белковой сети ВКМ и фиксируя фибробласты в определенном окружении матрикса. В совокупности все эти свойства ГК наделяют матрикс определенными химическими характеристиками – вязкостью, плотностью «ячеек» и стабильностью. Однако сеть ВКМ является динамической структурой, зависящей от состояния организма. Например, в условиях воспаления агрегаты ГК с протеогликанами диссоциируют, а образование новых агрегатов между вновь синтезированными молекулами ГК (обновляющимися каждые 3 дня) и протеогликанами блокируется. Это приводит к изменению пространственной структуры матрикса: увеличивается размер его ячеек, меняется распределение всех волокон, структура становится более рыхлой, клетки меняют свою форму и функциональную активность. Все это сказывается на состоянии кожи, приводя к снижению ее тонуса.
Помимо регуляции водного баланса и стабилизации ВКМ, ГК выполняет важную регуляторную роль в поддержании эпидермального и дермального гомеостаза. ГК активно регулирует динамические процессы в эпидермисе, включая пролиферацию и дифференцировку кератиноцитов, окислительный стресс и воспалительный ответ, поддержание эпидермального барьера и заживление раны. В дерме ГК также регулирует активность фибробластов и синтез коллагена. Ремоделируя матрикс, ГК управляет функционированием клеток в матриксе, влияя на их доступность для различных факторов роста и изменяя их функциональную активности. От действия ГК зависит миграция клеток и иммунный ответ в ткани. Таким образом, изменения в распределении, организации, молекулярном весе и метаболизме ГК имеют значимые физиологические последствия.
Фибробласты представляют собой основной тип клеточных элементов дермы. Именно эти клетки отвечают за продукцию ГК, коллагена, эластина, фибронектина и многих других белков межклеточного матрикса, необходимых для формирования соединительной ткани. Фибробласты в различных слоях дермы различаются и морфологически, и функционально. От глубины их залегания в дерме зависит не только количество синтезируемого ими коллагена, но и соотношение типов этого коллагена, например I и III типов, а также синтез коллагеназы: фибробласты более глубоких слоев дермы производят меньшее ее количество. Вообще, фибробласты – очень пластичные клетки, способные менять свои функции и физиологический ответ и даже дифференцироваться в другой тип клеток в зависимости от полученного стимула. В роли последнего могут выступать и сигнальные молекулы, синтезированные соседними клетками, и перестройка окружающего ВКМ.