Belangrijkste ECM-elementen
Het “kernmatrisoom” 3 omvat ongeveer 300 eiwitten. De belangrijkste componenten zijn collagenen, proteoglycanen, elastine en celbindende glycoproteïnen, elk met verschillende fysische en biochemische eigenschappen.
Collageen is samengesteld uit 3 polypeptide α-ketens die een drievoudige helixstructuur vormen. Bij vertebraten worden 46 verschillende collageenketens samengevoegd tot 28 collageentypes2,4 die zijn onderverdeeld in fibrilvormende collagenen (bijv. types I, II, III), netwerkvormende collagenen (bijv. het basale membraan collageen type IV), fibril-geassocieerde collagenen met onderbrekingen in hun drievoudige helices, of FACIT’s (bijv. typen IX, XII) en andere (bijv. type VI). De fibrilvormende collagenen bevatten continue drievoudige helixvormende domeinen geflankeerd door amino- en carboxylterminale niet-collagene domeinen. Deze niet-collagene domeinen worden proteolytisch verwijderd en drievoudige helixen worden gevormd bijbehorende la teraal in fibrillen. Niet-fibreuze supramoleculaire structuren, zoals de netwerken van collageen IV in basale membranen en kralenfilamenten, worden gevormd door niet-fibrillaire collagenen. De FACIT’s assembleren zichzelf niet tot fibrillen, maar worden geassocieerd met collageenfibrillen.
Specifieke prolineresiduen in collagenen worden gehydroxyleerd door prolyl-4-hydroxylase en prolyl 3-hydroxylase. Geselecteerde lysineresiduen worden ook gehydroxyleerd door lysylhydroxylase. De fibrillaire procollagenen worden na verwerking uitgescheiden in de extracellulaire ruimte waar hun propeptiden worden verwijderd. De resulterende collagenen assembleren vervolgens tot fibrillen via covalente verknopingen gevormd tussen lysineresiduen van twee collageenketens door een proces dat wordt gekatalyseerd door extracellulaire enzymlysyloxidasen (LOX). De collagene ruggengraat bepaalt de weefselarchitectuur, vorm en organisatie.
Proteoglycanen bestaan uit een kerneiwit waaraan glycosaminoglycaan (GAG) zijketens zijn bevestigd. GAG’s zijn lineaire, anionische polysacchariden die zijn opgebouwd uit zich herhalende disaccharide-eenheden. Er zijn vier groepen GAG’s: hyaluronzuur, keratansulfaat; chondroïtine / dermataansulfaat; en heparansulfaat, inclusief heparine. Alle behalve hyaluronzuur zijn gesulfateerd. De zeer negatief geladen GAG-ketens zorgen ervoor dat de proteoglycanen water en tweewaardige kationen kunnen sekwestreren, waardoor ruimtevullende en smerende functies worden verleend. Afgescheiden proteoglycanen omvatten grote proteoglycanen, zoals aggrecan en versican, kleine leucinerijke proteoglycanen, zoals decorine en lumican, en basale membraan proteoglycanen, zoals perlecan. Syndecanen zijn geassocieerd met het celoppervlak, terwijl serglycine een intracellulair proteoglycaan is. De moleculaire diversiteit van proteoglycanen vormt een structurele basis voor een groot aantal biologische functies. Aggrecan in kraakbeen zorgt bijvoorbeeld voor elasticiteit en een hoge biomechanische weerstand tegen druk. Decorin en lumican spelen een regulerende rol bij de assemblage van collageenvezels. Proteoglycanen hebben ook een wisselwerking met groeifactoren en groeifactorreceptoren, en zijn betrokken bij celsignalering5 en biologische processen, waaronder angiogenese.
De lamininefamilie omvat ongeveer 20 glycoproteïnen die zijn samengevoegd tot een verknoopt web, verweven met het type IV collageennetwerk in keldermembranen. Het zijn heterotrimeren (400–800 kDa) die bestaan uit één α-, één β- en één γ-keten. Bij gewervelde dieren zijn vijf α-, drie β- en drie γ-ketens geïdentificeerd. Veel laminines assembleren zichzelf om netwerken te vormen die nauw verbonden blijven met cellen door interacties met receptoren op het celoppervlak. Laminines zijn essentieel voor de vroege embryonale ontwikkeling en organogenese.6
Fibronectine is cruciaal voor de aanhechting en migratie van cellen en functioneert als “biologische lijm”. Het fibronectine monomeer (~ 250 kDa) is gemaakt van subeenheden die bestaan uit drie soorten herhalingen: I, II en III. Fibronectine wordt uitgescheiden als dimeren gekoppeld door disulfidebindingen en heeft bindingsplaatsen aan andere fibronectine-dimeren, collageen, heparine en celoppervlakreceptoren. In de FNIII10-herhaling is er een belangrijke Arg- Gly-Asp-celbindingsplaats. De fibronectine-dimeren kunnen multimeren vormen. Bij voortdurende afzetting worden de fibrillen verlengd en verdikt en kunnen de fibronectinefibrillen verder worden verwerkt tot een deoxycholaat-onoplosbare matrix.7
Elastine verleent elasticiteit van weefsel dat aan herhaalde rek wordt onderworpen, zoals vaatvaten en de longen. Het wordt gecodeerd door een enkel gen bij zoogdieren en wordt uitgescheiden als een tropoelastinemonomeer van 60-70 kDa. Tropoelastine, met de hulp van fibulines, associeert met h microfibrillen om elastische vezels te vormen. Alle tropoelastines delen een karakteristieke domeinrangschikking van hydrofobe sequenties die worden afgewisseld met lysine-bevattende verknopingsmotieven. Microfibrillaire eiwitten, fibrillines en met microfibril geassocieerd glycoproteïne-1, werken rechtstreeks samen met elastine en zijn belangrijk voor de kiemvorming en assemblage.2 Een cruciaal kenmerk van de elastische vezel, cruciaal voor de goede werking ervan, is de uitgebreide verknoping van tropoelastine gemedieerd door LOX, dat selectieve lysineresiduen in peptidebinding oxideert met allysine. Er zijn twee belangrijke bifunctionele verknopingen in elastine: dehydrolysinonorleucine, gevormd door de condensatie van een residu van allysine en een van lysine, en allysine-aldol, gevormd door de associatie van twee allysineresiduen. Deze twee verknopingen kunnen verder condenseren met elkaar of met andere tussenproducten om desmosine of isodesmosine te vormen. Elektronenmicroscopie en beeldvormende onderzoeken tonen aan dat tropoelastine wordt geassembleerd tot kleine bolvormige aggregaten op het celoppervlak (microassemblage). De verknoping begint, wat resulteert in een verlies van positieve ladingen op het molecuul, waardoor tropoelastine uit de cel vrijkomt en globulaire fusie wordt ondersteund in de aanwezigheid van microfibrillen (macroassemblage). Fibulin-4 speelt een rol in de vroege stadia van de elastinesamenstelling en fibulin-5 werkt om elastine tussen de matrix en de cellen te overbruggen.8
