Базальная мембрана

Базальная мембрана — структура на границе между эпидермисом и дермой кожи, которую часто незаслуженно обходят вниманием. Эпидермис, дерма, жировая ткань — эти слои кожи могут по памяти назвать очень многие. Тонкая пленка между двумя верхними слоями интересует разве что специалистов в области гистологии и врачей-дерматологов, которым приходится иметь дело с определенными заболеваниями. А между тем, даже эта «пленка» довольно сложно устроена, выполняет важные функции, имеет отношение к некоторым патологиям и старению кожи.

Строение и функции базальной мембраны

Не только эпидермис кожи, но и другие эпителии расположены на базальных мембранах. Эти мембраны еще называют базальными пластинками, а в случае с кожей — дермо-эпидермальным соединением. Собственно, эта мембрана состоит из веществ, которые вырабатывают клетки эпидермиса и подлежащая дерма. В ней самой клеток нет, она имеет толщину 50−90 нм [1] и состоит из двух слоев:

Lamina lucida — светлая прозрачная пластинка толщиной 20−40 нм. Она состоит из аморфного вещества, в котором содержится мало белков, но много ионов кальция.
Lamina densa — темная пластинка толщиной 20−60 нм. Она также включает аморфное вещество, и в ней много белков, в том числе многочисленных нитей коллагена IV типа. Именно за счет этого в первую очередь обеспечивается прочность базальной мембраны [2, 3].

В целом же зона базальной мембраны, вместе с десмосомами (структурами, которые соединяют мембрану с клетками эпителия) и якорными филаментами, отходящими в дерму, составляет 0,5−1 мкм [4, 5].

Основу темной пластинки базальной мембраны составляют четыре типа белков:

ламинины,
коллаген IV типа,
нидоген,
перлекан.

Основной каркас образуют ламинин и коллаген, так как их молекулы способны объединяться в полимеры. Молекулы ламинина обладают способностью к самосборке и образованию больших плоских «листов». Впрочем, связи между ними не очень прочные, и при необходимости они разрушаются — этот эффект полезен для ремоделирования тканей. Молекулы коллагена IV, напротив, образуют очень стойкие дисульфидные связи и придают мембране прочность. Нидоген и перлекан не полимеризуются самостоятельно, но соединяются с молекулами коллагена и ламинина наподобие распорок в конструкции здания (рис. 1). Все эти соединения встречаются в разных изоформах, которые очень похожи между собой и выполняют практически одни и те же функции. Кроме того, в построении каркаса базальной мембраны могут быть задействованы такие соединения, как фибриллин, коллаген V типа (важный компонент сухожилий и некоторых других тканей), коллаген XV и XVIII типов и белок внеклеточного матрикса 1/ECM1 [6, 7].

Рисунок 1. Четыре основные молекулы, образующие базальную мембрану (1), и схема каркаса, который из них образуется (2) [8].

Коллаген IV типа

Коллаген IV типа относится к большому суперсемейству коллагенов, которое у позвоночных животных включает 28 типов этих белков. В организме человека различные виды коллагенов составляют примерно треть от всех белков. Они входят в состав костей, сухожилий, ногтей и волос, стенок кровеносных сосудов. Но коллаген IV уникален, он встречается только в базальных мембранах.
Молекулы коллагена IV состоят из аминокислотных цепочек — α-цепей. Причем существует шесть разновидностей этих цепей, кодируемых шестью разными генами. Они обозначаются, соответственно, цифрами от α1(IV) до α6(IV). Причем, каждая разновидность встречается преимущественно в определенных тканях. Например, цепи α3(IV), α4(IV) и α5(IV) представлены в базальных мембранах легких, глаз, мужских половых желез и в почечных клубочках. В коже, почках и гладких мышцах обнаруживаются цепи α5(IV) и α6(IV). Активность генов и синтеза этих молекул также неодинакова на разных этапах развития организма. А мутации в генах коллагена IV приводят к гибели или различным заболеваниям, которые затрагивают не только кожу, но и другие органы. Разные α-цепи соединяются между собой по трое — в итоге образуется соединение, называемое гетеротримером. Причем, в настоящее время известно только три разновидности таких гетеротримеров: α1α1α2, α3α4α5 и α5α5α6 (рис. 2) [9, 10, 11, 12].

Рисунок 2. Строение коллагена IV. A — гены, кодирующие разные типы α-цепей. B — отдельные α-цепи. C — сборка α-цепей в гетеротримеры α1α1α2 и α3α4α5. D — гетеротримеры, которые объединились в более сложные структуры [13].

Название коллагена происходит от греческого слова kolla — оно буквально переводится как «клей». И такая этимология как нельзя лучше отражает основную функцию этого белка. В данном отношении молекулы коллагена IV типа обладают некоторыми уникальными свойствами.
Начать стоит с того, что гетеротример имеет длину около 400 нм и состоит из трех частей (рис. 3):

Короткий N-концевой неколлагеновый домен 7S. Он образует «хвост» и необходим для соединения гетеротримеров между собой. Длина его составляет около 28 нм.
Срединный тройной спиральный коллагеновый домен — самая длинная часть (120 нм). Его особенность в том, что он прерывается примерно двадцатью короткими неколлагеновыми вставками. За счет этого каждая отдельная молекула и вся базальная мембрана в целом приобретает гибкость [14].
С-концевой глобулярный неколлагеновый домен длиной около 52 нм. Его особенность в коллагене IV типа в том, что домен C4 на C-конце не удаляется из готового белка после того, как он синтезируется при считывании генетической информации с РНК (в ходе посттрансляционной модификации). За счет этого отдельные молекулы более прочно сшиваются между собой [15, 16, 17].

Рисунок 3. Строение гетеротримера коллагена IV [18].

Сборка полимеров начинается с того, что NCI-домены трех α-цепей соединяются между собой. Далее цепи «застегиваются» по всей длине наподобие застежки-молнии. Получившийся гетеротример называется протомером. Затем отдельные протомеры с помощью всё тех же NCI-доменов объединяются между собой (рис. 4) [19].

Рисунок 4. Схема сборки гетеротримеров коллагена IV в надмолекулярные структуры. После выхода из клетки два протомера, каждый из которых состоит из трех α-цепей, взаимодействуют с помощью NCI-домена и образуют димер. Четыре димера соединяются с помощью 7S-доменов и образуют тетрамер. Таким образом, формируется структура, напоминающая сетку-рабицу [20].

Ламинин

Ламинины — это гликопротеины, белки, к которым присоединены молекулы сахаров. Как и коллаген IV, ламинины представляют собой гетеротримеры. Они состоят из трех видов цепей (α, β и γ), связанных дисульфидными мостиками. Причем, есть несколько разновидностей этих цепей, которые кодируются одиннадцатью разными генами, расположенными в хромосомах № 1, 3, 6, 7, 9, 18 и 20. Существует 5 вариантов генов, кодирующих цепь α, 3 гена — β, и 3 гена — γ. Они, соответственно, обозначаются цифрами: α1- α5, β1- β3 и γ1- γ3. Каждый гетеротример обозначают тремя цифрами. Например, если объединились цепи α1, β1 и γ1, то обозначение будет «111».

Теоретически, общее число гетеротримерных сочетаний составляет 50, но считается, что в реальности существует только 16, а полностью выделено и изучено еще меньше. Внешне гетеротример напоминает крест, у которого есть три коротких плеча, образованных, соответственно, цепями α, β и γ, и одно длинное, образованное всеми тремя объединенными молекулами (рис. 5, 6) [21].

Рисунок 5. Типичная структура гетеротримера ламинина на примере ламинина-111 мышей [22].

Рисунок 6. Различные виды ламининов, которые были выделены и существование которых было предсказано в ходе экспериментов [23].

На коротких плечах гетеротримера находятся N-концы цепей, то есть аминогруппы (NH2), с которых начинаются белковые молекулы. Длинное плечо заканчивается C-концами — карбоксильными группами (COOH) последних аминокислот. С помощью N-концов отдельные гетеротримеры соединяются между собой и образуют надмолекулярную структуру. На C-конце -цепи присутствуют LG-домены, предназначенные для связи с интегринами и другими компонентами межклеточного матрикса (рис. 7). Кроме того, на цепях ламинина есть активные центры, способные связываться с другими веществами: коллагеном IV типа, нидогеном, перлеканом, фибронектином, глобулином, половыми гормонами и др. [24, 25, 26, 27, 28]

Рисунок 7. Надмолекулярная структура ламинина. На схеме видно, что отдельные гетеротримеры соединяются между собой короткими плечами цепей α, β и γ по три. Длинные плечи в формировании этих структур не участвуют [29].

За счет того, что гетеротримеры связываются между собой и образуют сложные структуры, они участвуют в построении базальных мембран кожи и других органов. Но это не единственная их функция. На ламининах есть участки для связывания с большим количеством веществ, и они активно участвуют в построении тканей, передаче различных молекулярных сигналов, регуляции функционирования клеток (рис. 8). А точнее:

участвуют в регуляции дифференцировки клеток, морфогенезе (развитии) и регенерации тканей;
участвуют в регуляции клеточной адгезии («прилипания» клеток к базальной мембране и друг другу), миграции, роста, пролиферации, клеточной смерти;
участвуют в передаче сигналов между клетками и межклеточным веществом за счет того, что могут прикрепляться своими C-концами к белкам (например, интегриновым рецепторам), встроенным в клеточные мембраны;
взаимодействуют с факторами роста и другими малыми молекулами, обеспечивая их хранение, регулируют их активацию, распределение и обеспечивают к ним доступ клеток, когда это необходимо;
закрепляют клетки эпидермиса на базальной мембране, помогают им противостоять трению, обеспечивают их правильную поляризацию [30, 31, 32].

Рисунок 8. Участки гетеротримера ламинина, позволяющие ему связываться с различными молекулами [33].

Распределение разных видов ламининов в теле человека зависит от типа тканей и этапа развития организма. Меняется оно и при различных заболеваниях. Так, цепь α1 синтезируется уже на этапе эмбриона, состоящего всего из двух клеток. У эмбрионов она соединяется с цепями β1 и γ1 и образует ламинин-111, а у взрослого этот гликопротеин практически исчезает, зато широко представлены другие. У взрослых чаще всего встречаются ламинины с цепью α5, в частности, ламинин-511 и ламинин-521. В базальных мембранах сердечной и скелетных мышц широко представлены ламинины 211 и 221. В базальных мембранах эндотелия (внутренней выстилки стенок кровеносных сосудов) в большом количестве обнаруживаются ламинины 411 и 421 [34]. Кератиноциты эпидермиса кожи синтезируют разные типы ламининов. Пожалуй, отдельно стоит остановиться на ламинине-5 (ламинине-332). Он интересен тем, что выполняет специфические функции и играет важную роль в связях между эпидермисом и дермой [35].

Полудесмосомы и ламинин-332

Клетки базального слоя эпидермиса прикрепляются к базальной мембране с помощью особых структур — полудесмосом. Их строение рассматривается в главе, посвященной эпидермису. Один из компонентов полудесмосомы — ламинин-5. Он связывается с интегринами α6β1, α6β4 и α3β1 — гликопротеинами, встроенными в мембраны клеток базального слоя. Причем, считается, что для связи между клетками и базальной мембраной наиболее важна связь между ламинином-332 и интегрином α6β4 (см. рис. 5 в главе «эпидермис кожи»). Когда у мышей во время экспериментов отключают ген субъединицы интегрина α6 или β4, у новорожденных животных на коже образуются пузыри, которые приводят к их смерти [36]. К таким же последствиям у мышей приводят повреждения гена lama3, необходимого для синтеза ламинина-332 [37].
Особенность ламинина-332 в том, что он не образует полимеров и не связывается с молекулами нидогена (о нем пойдет речь ниже). Однако, он связывается с коллагеном VII типа. Последний синтезируется как кератиноцитами эпидермиса, так и фибробластами дермы. Коллаген VII образует так называемые якорные фибриллы. Такая фибрилла начинается в области десмосомы, затем спускается в дерму, изгибается в виде дуги и снова подходит к базальной мембране. Получается U-образная структура, через которую проходят коллагеновые волокна. Это придает дополнительную прочность дермо-эпидермальному соединению (рис. 9) [38, 39, 40].

Рисунок 9. Базальная мембрана и якорные фибриллы, состоящие из коллагена VII [41].

Таким образом, ламинин-332 удерживает клетки базального слоя эпидермиса на месте. Впрочем, при определенных обстоятельствах он может способствовать миграции клеток, и это играет негативную роль при злокачественных опухолях. В процессе ремоделирования ткани субъединица γ2 способна расщепляться. В результате высвобождается EGF-подобный (напоминающий эпидермальный фактор роста) фрагмент субъединицы γ2. Он взаимодействует с EGFR (рецептором эпидермального фактора роста) на поверхности клеток и делает их более подвижными. Кроме того, расщепление субъединицы γ2 приводит к тому, что на молекуле ламинина-5 обнажается некий неизвестный участок, который тем самым активируется и способствует миграции клеток [42]. В норме это нужно для заживления ран. При повреждении базальной мембраны синтез ламинина-332 усиливается. Он активирует миграцию клеток, восстанавливает участок мембраны и инициирует образование новых полудесмосом [43].

В 2000 году были опубликованы результаты исследования, которое показало, что ламинин-332 активируется при некоторых онкологических заболеваниях, и уровень его активности напрямую отражает инвазивность опухоли, то есть ее способность вторгаться в окружающие ткани [44]. Авторы другого исследования, опубликованного в 2007 году, обнаружили, что высокая активность ламинина-332 указывает на плохой прогноз при плоскоклеточном раке [45]. Во время некоторых исследований удалось обнаружить непосредственно усиление расщепления цепи γ2 ламинина-332 при злокачественных опухолях кожи. Таким образом, фрагменты ламинина γ2 можно использовать в качестве онкомаркеров, а их способность усиливать миграцию клеток теоретически можно блокировать в терапевтических целях при онкопатологиях [46, 47].

Мутации в генах ламинина-332, при которых он перестает выполнять свои функции, приводят к редкому тяжелому заболеванию — пограничному буллезному эпидермолизу Херлитца. Симптомы возникают сразу после рождения. На коже и слизистых оболочках появляются пузыри, незаживающие эрозии, разрастания соединительной ткани — грануляции. Прогноз при этой болезни всегда неблагоприятный. Обычно дети с такой генетической поломкой погибают в первые годы жизни. Причиной смерти становятся истощение, пневмония, дыхательная недостаточность и сепсис. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу: даже если оба родителя-носителя дефектного гена, здоровы, у них может родиться больной ребенок [48, 49, 50].

Нидоген

Нидоген — гликопротеин. Его другое название — энтактин. Согласно некоторым данным, в коже это соединение главным образом синтезируют клетки-фибробласты, но ключевую роль в регуляции его продукции и сборки в базальной мембране играет эпидермис [51, 52]. Молекула нидогена имеет форму асимметричной «гантели» длиной 30−40 нм. Схематически ее можно изобразить в виде палочки, на которую нанизаны три «бусины» — глобулярные домены G1, G2 и G3. Домен G3 связывается с центральной частью молекулы ламинина, а домен G2 — с тройным спиральным доменом коллагена IV и перлеканом (рис. 10). В этом и состоит главная функция нидогена: он объединяет ламининовый и коллагеновый каркасы, делает базальную мембрану более стабильной. Кроме того, есть предположение, что он регулирует взаимодействие ламинина с интегринами [53, 54, 55].

Рисунок 10. Схематическая структура молекулы нидогена и места его связывания с другими компонентами базальной мембраны [56].

В организме беспозвоночных животных обнаружен только один тип нидогена, а у позвоночных — две изоформы, Nid1 и Nid2. Их структура высококонсервативна у позвоночных животных, и это указывает на важную биологическую роль. Тем не менее, когда во время экспериментов у животных искусственно отключают один из генов — Nid1 или Nid2 — это не приводит к нарушению формирования базальных мембран и развития внутренних органов. Такие животные вполне здоровы, оставляют потомство, и у них нормальная продолжительность жизни. Но если отключить гены обеих изоформ, то это ведет к нарушению развития легких, сердца, конечностей и гибели еще до рождения или вскоре после него [57]. Ученые считают, что нидогены, хотя и играют важную роль в формировании базальных мембран, не критически необходимы. Возможно, у позвоночных животных в ходе эволюции они приобрели какие-то дополнительные функции или постепенно просто утрачивают свою роль. В этом помогут разобраться будущие исследования [58].

Перлекан

Перлекан (протеогликан гепарансульфата 2, HSPG2) — протеогликан, сложное высокомолекулярное соединение, состоящее из белка и углеводных остатков. Свое название перлекан получил за то, что структура его молекул напоминает жемчужины, нанизанные на нить. Эти «жемчужины» — домены, которых всего насчитывается пять. Как и нидоген, перлекан способен связываться с ламинином и коллагеном. Он участвует в формировании каркаса базальной мембраны, но это не единственная его функция [59, 60].
Вообще, перлекан — довольно загадочное соединение. Ученых до сих пор волнует вопрос: почему природа в ходе эволюции сохранила этот древний большой белок с различными функциями, не разделив их между отдельными, более мелкими, белками? Перлекан регулирует в организме самые разные процессы на клеточном уровне, включая формирование костей, воспаление, развитие сердца, рост кровеносных сосудов. В базальной мембране кожи он служит резервуаром для факторов роста, регулирует клеточную адгезию, миграцию. Он вносит вклад в формирование отрицательного заряда базальной мембраны, за счет чего она избирательно пропускает разные вещества, и играет важную роль в формировании эпидермиса [61, 62, 63, 64].

Базальная мембрана и старение кожи

По мере старения организма базальная мембрана кожи становится более толстой и плотной, и это сопровождается многочисленными изменениями в ней на биохимическом уровне. Исследования показывают, что в коже пожилых людей значительно снижается уровень синтеза ламинина-332, интегрина β4, коллагена IV, VII, XVII и XVIII типа, перлекана [65, 66].

Таблица 1. Некоторые биохимические изменения в базальной мембране в процессе старения и их влияние на состояние кожи [67, 68].

Снижение синтеза коллагена IV типа связано со снижением экспрессии рецептора TGF-β в стареющих фибробластах дермы. Таким образом, потеря основного компонента базальной мембраны делает ее менее прочной. Также снижение экспрессии TGF-β приводит к снижению синтеза коллагена VII типа, и это приводит к ослаблению якорных фибрилл [69].
В старении кожи играет роль активность семейства ферментов, которые называются матриксными металлопротеиназами (MMP). Так, MMP-10 (стромелизин-2) и MMP-7 (матрилизин) с возрастом начинают активно разрушать коллаген IV типа. При длительном воздействии на кожу солнечных лучей усиливается активность MMP-8 (нейтрофильная коллагеназа), которая разрушает коллаген VII типа. Также ультрафиолетовые лучи активируют ферменты MMP-1 (интерстициальная коллагеназа), MMP-3 (стромелизин-1), MMP-9 (желатиназа В). Это приводит к разрушению ламинина, коллагена IV, VII и XVIII, нидогена, перлекана. В норме между синтезом и разрушением белков, которые входят в состав базальной мембраны, присутствует баланс. В процессе старания он нарушается, и важную роль в этом играет повышение активности MMP. Кроме того, ферменты из этого семейства способны регулировать активность сигнальных молекул, таких как цитокины, хемокины, факторы роста. Это влияет на функции стволовых клеток кожи [70, 71].
Определенную роль в старении кожи играет гликирование компонентов базальной мембраны. Этим термином называют реакцию присоединения сахаров к белкам, в результате чего меняется функция последних. Например, эксперименты in vitro («в пробирке») показывают, что гликирование коллагена IV типа и ламинина приводит к изменению их структуры, способности к полимеризации, они хуже помогают клеткам «прилипать» к базальной мембране [72].
Физиологические возрастные изменения в базальной мембране и в коже в целом (так называемое внутреннее старение) усугубляются действием различных внешних факторов, и в первую очередь ультрафиолетовым излучением. На участках кожи, которые постоянно подвержены воздействию солнечных лучей (например, на лице), можно обнаружить удвоения темной пластинки базальной мембраны, нарушается дермо-эпидермальное соединение, кожа становится более уязвима к сдвиговым усилиям. На участках кожи, которые обычно постоянно закрыты одеждой, эти изменения выражены намного слабее [73].
Таким образом, базальная мембрана — не просто пленка между эпидермисом и дермой, которая нужна, чтобы кожа была прочной. Она взаимодействует с клетками на биохимическом уровне, регулирует их поведение. Поэтому и процессы старения в ней отражаются на всей коже. Когда речь идет об организме человека, то даже у самой на первый взгляд невзрачной и простой структуры при подробном рассмотрении можно обнаружить сложную организацию и множество функций, не всегда очевидных. И если мы хотим успешно бороться с различными заболеваниями или затормозить старение, нужно учитывать многие нюансы.