Preview

Нефрология

Расширенный поиск

Ламинины в структуре гломерулярной базальной мембраны

Полный текст:

Аннотация

Ламинины - семейство крупных гликозилированных протеинов, связывающихся друг с другом и формирующих по меньшей мере 15 гетеротримерных макромолекул. Ламинин-521 является одним из основных молекул в гломерулярной базальной мембране и синтезируется подоцитами и эндотелиоцитами. Большинство ламининов формируют крестообразную структуру, короткие глобулярные отростки которой (LN-домены) отвечают за межламининовое взаимодействие во внеклеточной среде. Такое взаимодействие приводит к полимеризации ламинина, лежащей в основе формирования пространства базальной мембраны. Полимеризация ламининов формирует сетчатую структуру, напоминающую кристаллическую. Причем, в естественных условиях этот процесс не происходит в жидкостях, для него необходима связь ламининов с клеточными рецепторами. Домены LG1-3 ламининов связываются преимущественно с интегринами, а LG4-5 - с а-дистрогликаном (a-DG), гепарансульфатом и сульфатированными гликолипидами (сульфатиды). Исследование мутации ламинина в лабораторных условиях позволяет детально изучить его вероятную роль в развитии гломерулопатий и ремоделировании гломерулярной мембраны при патологических процессах.

Для цитирования:


Батюшин М.М., Пасечник Д.Г. Ламинины в структуре гломерулярной базальной мембраны. Нефрология. 2016;20(5):9-15.

For citation:


Batiushin M.M., Pasechnic D.G. Laminines in the structure of glomerular basement membrane. Nephrology (Saint-Petersburg). 2016;20(5):9-15. (In Russ.)

Общее представление о ламининах

Гломерулярный фильтрационный барьер игра­ет важную роль в регуляции водно-электролитного обмена организма и элиминации продуктов обме­на веществ. Из 900 л крови, проходящей через почки за сутки, ежедневно фильтруется 180 пер­вичной мочи. Гломерулярный фильтрационный барьер состоит из трех компонентов: подоцитов, базальной мембраны и эндотелиоцитов, отделяя кровь от пространства капсулы Шумлянского-Боумэна. Базальная мембрана клубочка состоит из ламинина, коллагена IV типа, нидогена, гепаран сульфата и ряда других субстанций [1].

Ламинины - семейство крупных гликозилированных протеинов, связывающихся друг с дру­гом и формирующих по меньшей мере 15 гетеро­тримерных макромолекул. Молекулярная масса ламинина колеблется от 400 до 900 кДа. Номен­клатура названий ламинина строится по номерам цепей, которые его образуют. Например, ламинин, образуемый α5-, β2- и γ1-цепями, называется ламинин-521 [2].

В настоящее время у млекопитающих иденти­фицировано 16 изоформ ламинина (табл. 1).

Ламинины синтезируются различными клет­ками. Ламинин-521 является одним из основных молекул в гломерулярной базальной мембране и синтезируется подоцитами и эндотелиоцитами [3]. Большинство ламининов формируют кре­стообразную структуру, короткие глобулярные отростки которой (LN-домены) отвечают за межламининовое взаимодействие во внеклеточной среде (рис. 1).

Такое взаимодействие приводит к полимериза­ции ламинина, лежащей в основе формирования пространства базальной мембраны.

 

Таблица 1

Изоформы ламинина и композиции цепей (Aumailley M. et al., 2005 с сокращениями)

Изоформа

 

 

 

Участки экспрессии

Предполагаемая функция

Фенотипы нокау­тированных мышей

Ассоциированные болезни че­ловека

Ламинин-1

1

1

1

Эпителий в раннем эмбриоге­незе, репродуктивные органы, почки, печень взрослых

Ранний эмбриогенез

Делеция α1-цепи

Не изучено

Ламинин-2

2

1

1

Мышечные клетки (экстрасинаптически)

Структурная целостность мышечных клеток

Делеция α2-цепи

Врожденная мы­шечная дистро­фия А1

Ламинин-3

1

2

1

Плацента

Не изучена

Делеция α1-цепи

Не изучено

Ламинин-4

2

2

1

Мышечные клетки (нейромы- шечное соединение)

Структурная целостность мышечных клеток

Делеция α2-цепи

Врожденная мы­шечная дистро­фия А1

Ламинин-5

ЗА

3

2

Кожа, плацента, молочные же­лезы

Формирование гемидесмосом, клеточная мигра­ция

Делеция α3-цепи

Контактный

epidermolysis

bullosa

Ламинин-5В

3

2

Кожа, матка, легкое

Не изучена

Не изучен

Не изучено

Ламинин-6

ЗА

1

1

Кожа, амнион

В ассоциации с ламинином 5 сборка ЭЦМ

Делеция α3-цепи

Не изучено

Ламинин-7

ЗА

2

1

Кожа, амнион

В ассоциации с ламинином 5 сборка ЭЦМ

Делеция α3-цепи

Не изучено

Ламинин-8

4

1

1

Клетки эндотелия сосудов, периферические нервы, мышеч­ные волокна, развивающаяся почка, скелетная мускулатура, тромбоциты, лейкоциты

Нейтрофильная миграция/ экстравазация, развитие эндотелия

Делеция α4-цепи

Не изучено

Ламинин-9

4

2

1

Клетки эндотелия сосудов, периферические нервы, мышеч­ные волокна, развивающаяся почка, скелетная мускулатура

Не изучена

Не изучен

Не изучено

Ламинин-10

5

1

1

Клетки эндотелия сосудов, пла­цента, эмбрион

Эмбриогенез, структур­ный каркас, развитие во­лоса

Делеция α5-цепи

Не изучено

Ламинин-11

5

2

1

Плацента, нейромышечное соединение, почечные клубочки

Не изучена

Не изучен

Не изучено

Ламинин-12

2

1

3

Почечные капилляры/артериолы, клетки Лейдига в яичках

Не изучена

Не изучен

Не изучено

Ламинин-13

3

2

3

Гиппокамп

Синаптическая организа­ция ЦНС

Не изучен

Не изучено

Ламинин-14

4

2

3

Сетчатка/ЦНС, гиппокамп

Синаптическая организа­ция ЦНС

Не изучен

Не изучено

Ламинин-15

5

2

3

Сетчатка/ЦНС

Синаптическая организа­ция ЦНС

Не изучен

Не изучено

Примечание. ЭЦМ - экстрацеллюлярный матрикс.

В зависимости от длины и состава доменов ко­роткой LN терминальной части молекулы выделя­ют несколько подсемейств ламининов [4]:

  • классические - ламинины 1-4 и ламинин-12;
  • длинные - ламинин-10,11;
  • усечённые - ламинин-5;
  • обнаженные - ламинины 6-9.

Ламинин проходит несколько посттрансляционных модификаций, прежде чем достигнуть окончательной формы (рис. 2).

Связи и функциональные взаимодействия ламинина

Гломерулярный наконечник длинного отрост­ка (LG) отвечает за связь с интегриновыми и неинтегрировыми рецепторами на поверхности клеток. Известно по меньшей мере девять таких интегринов: α1 β1 , α2 β1 , α5 ρ1 , α3 β1 , α6 β1 , α6 β4 , αvβ3 , αvβ5 , α7 β1 [5]. Каждый интегрин распознает осо­бые последовательности в α-цепи ла­минина и соответственно связывается только с конкретным ламинином. Также описано связывание интегринов с β- и γ-цепью [6].

 

Рис. 1. Гетеротример ламинин-521.

 

Связывание ламинина с интегрином приводит к активизации цитоплазма­тического участка последнего, что со­провождается активизацией локальных адгезивных киназ (focal adhesion kinases - FAK), малых rho GTP и МАРК-пути [7].

Из числа неинтегриновых клеточных ре­цепторов ламинины связываются также с дистрогликановым рецептором, эластиновым рецептором, галактозит-связывающим лектином, галактозилтрансферазой, гепарин сульфатными протеогликанами и Ig-связанными базальными клеточными молекулами адгезии [6] (табл. 2).

Ламинин, в особенности α- и γ-цепи ламинина-332, участвуют в процессах миграции клеток [9]. В частности, α3-цепь связывается с помощью доменов LG2-3 с интегринами 31 и 61, которые посылают клеткам миграционные сигналы.

На ранних стадиях эмбрионального развития в период гломерулогенеза базальная мембрана представлена в основном ламинином-111 и ламинином-511 [10]. Но по мере созревания капилля­ров подоциты и эндотелиоциты начинают актив­но продуцировать лиминин-521, а ламинин-111 и ламинин-511 постепенно элиминируются.

 

Рис. 2. Схема процессинга ламинина. mTLD - mammalian tolloid-like 1 - толлоид-1 млекопитающих; ММР - матриксные металлопротеиназы.

 

В гломерулярной мембране взрослого чело­века обнаруживается, как правило, только лами- нин-521 (рис. 3). Вместе с тем, в мезангиуме в норме у человека могут обнаруживаться α2-, α4-, β1- и γ1-цепи, а цепи α1, α2 и β1 в норме практи­чески не встречаются [1]. Таким образом, в мезангиуме в физиологических условиях присут­ствуют ламинин-211 и ламинин-411. В разные периоды развития ламинин и коллаген IV типа связаны друг с другом, и молекулярная транс­формация одного происходит в тесной связи с трансформацией другого. В то время как в ан­тенатальном периоде α1- и α2-цепи коллагена IV типа связываются с β1-цепью ламинина, в постнатальном периоде α3-, α5-цепи связываются с β2- цепью ламинина [1].

Полимеризация ламининов

Базальная мембрана состоит из двух классов молекулярных связей. Первый класс формирует гетерополимерную структуру, образующую соб­ственно матрикс мембраны, и второй класс обе­спечивает рецепторную связь матрикса мембраны и поверхностных рецепторов клеток. Эти рецеп­торы играют не только структурную роль, обеспе­чивая адгезию клеток к внеклеточному матриксу, но имеют и функциональное значение. Измене­ние их структуры и конформации может менять структуру белков цитоскелета клетки, активность внутриклеточных сигнальных систем [4].

 

Рис. 3. Позитивная реакция с поликлональными антителами к ламинину (DAKO) в базальных мембранах клубочков, из­витых канальцев и собирательных протоков.

 

Ламинины одновременно относятся к этим двум классам молекул, обеспечивая структурную целостность базальной мембраны и связь с ре­цепторами клеток. При этом показана уникальная связь между структурой молекулы ламинина, кле­точными рецепторами и фенотипом клеток. Воз­можно, этот класс молекул является ключевыми для образования уникальных тканевых структур в эмбриогенезе. Ламинины выступают как иниции­рующие молекулы, запускающие процесс форми­рования базальной мембраны, обеспечивая связь рецепторного аппарата клеток и молекул вне­клеточного матрикса. Неламининовые молекулы потенциально могут связываться с рецепторами клеток, однако без ламинина они не могут аккуму­лироваться и формировать структуры, связанные с клетками [11].

Полимеризация ламининов формирует сетча­тую структуру, напоминающую кристаллическую [12], схематично представленную на рис. 4. При­чем, полимеризация ламининов в естественных условиях не происходит в жидкостях, для этого процесса необходима связь ламининов с клеточ­ными рецепторами.

 

Таблица 2

Изоформы ламинина и их рецепторы [8]

Домены LG1-3 ламининов связываются преимущественно с интегринами, а LG4-5 - с α-дистрогликаном (α-DG), гепарансульфатом и сульфатированными гликолипидами (сульфатиды) (рис. 5) [13, 14].

Среди интегринов, связывающих ламинины, также есть дифференциация - с определенными ламининами связываются определенные интегрины. К ламинин-связывающим интегринам отно­сятся в частности α3β1, α6β1, α7β1 и α6β4 [15].

Ламинин-нидоген/энтактин комплексы обе­спечивают связь ламининовых молекул с молеку­лами коллагена-4 и стабилизацию структуры ба­зальной мембраны. Молекулы агрина и перлекана стабилизируют связи ламинина с интегринами и дистрогликанами.

По мнению одних исследователей, сети ламинина и коллагена IV типа регулируются все же не­зависимо друг от друга. В частности, у мутантных мышей с отсутствием β2-цепи ламинина наблюда­ется формирование нормальной сети коллагена IV типа [16]. По мнению других - такая зависимость существует. В качестве примера можно привести данные синдрома Альпорта на мышах с мутацией Соl3а4, при котором продемонстрировано измене­ние соотношения изоформ ламинина в структуре мембраны [17].

Генетические исследования ламинина

Ламинин обеспечивает стабильность гломеру­лярной базальной мембране, а также оказывает влияние на рост, дифференциацию и прикрепле­ние клеток.

Рис. 5. Схема связи ламининов с клеточной мембраной и коллагеном IV типа в структуре базальной мембраны.

 

Таблица 3

Локализация в хромосоме генов ламинина человека и размеры соответствующих им пептидов [18]

Название гена

Локализация хромосомы

Название цепи

Количество аминокислот

Молекулярная масса (кД)

LAMA1

18p11.31

α1

3,075

337,084

LAMA2

6q22-q23

α2

3,122

343,905

LAMA3

18q11.2

a3A

1,713

189,335

a3B

3,333

366,649

LAMA4

6q21

α4

1,823

202,524

LAMA5

20q13.2-q13.3

α5

3,695

399,737

LAMB1

7q22

β1

1,786

198,038

LAMB2

3p21

β2

1,798

195,981

LAMB3

1q32

β3

1,172

129,572

LAMB4

7q22-q31.2

β4

1,161

193,540

LAMC1

1q31

γ1

1,609

177,603

LAMC2

1q25.31

γ2

1,193

130,976

LAMC3

9q31-q34

γ3

1,575

171,227

Идентифицированы гены, кодирующие боль­шинство изоформ ламининов (табл. 3).

Исследование мутации ламинина в лабора­торных условиях позволяет детально изучить его вероятную роль в развитии гломерулопатий и ремоделировании гломерулярной мембраны при этих патологических процессах. В частности, аутосомно-рецессивная мутация гена LAMB2, кодирующего синтез Р2-цепи ламинина, сопрово­ждается развитием врожденного нефротического синдрома с офтальмологическими и неврологи­ческими расстройствами, известного как синдром Пирсона. Интересно, что у нокаутированных Lamb2-/- мышей (экспериментальная модель син­дрома Пирсона) наблюдается накопление в мем­бране аномальных форм - лиминина-511, -332, -211 и -111. Предположительно это обусловлено попытками компенсировать недостаток ламинина-521 [19]. Ламинин-511 является лучшим из перечисленных претендентом для замены ламинина-521 в случае мутации гена, поскольку он имеет аналогичные ламинину-521 α5- и γ1-цепи, а P1- и Р2-цепи структурно похожи. Кроме того, LG- домен а5-цепи ламинина-511 взаимодействует с интегрином α3β1 и другими рецепторами подоцитов и мезангиальных клеток, демонстрируя функ­циональное сходство с ламинином-521. Однако гломерулярная мембрана все равно функциониру­ет ненормально, вероятно, это обусловлено недо­статочной выработкой ламинина-511 у нокаутиро­ванных мышей [20].

При изучении мышей, нокаутированных по а1- цепи ламинина, наблюдается развитие фокально­сегментарного гломерулосклероза и мезангиальной пролиферации. У них происходит повышение активности TGFβ/Smad сигнального пути в мезангиальных клетках, отвечающего в том числе за развитие почечного фиброза [21]. Также наблюда­ется повышение объема мезангиального матрикса [22].

У Lama4-/- нокаутированных мышей наблюда­ется уменьшение количества перицитов в гломерулах и перитубулярных капиллярах. Это, в свою очередь, приводит к расширению капилляров и повышению активности PDGF, связывающегося с PDGF-Rβ, что стимулирует процессы фиброза и ангиогенеза [19, 23-25]. LNα4 контактирует с эн­дотелиальными клетками, защищая их от апоптоза, и дефект α4-цепи сопровождается формированием ишемии сосудистого генеза [26]. Причем фибротические изменения происходят не только в почках, но и других органах, например в сердце, более того, в сердечной мышце они предположительно развиваются раньше, чем в почечной паренхиме. Возможно также развитие кардиомиопатии.

В исследовании E. Fischer и соавт. (2000) при проведении иммунофлюоресцентных исследова­ний у лиц с разными формами хронических гло- мерулонефритов (фокально-сегментарный гломерулосклероз, мембранозная нефропатия, болезнь минимальных изменений) в случае мембранозной нефропатии обнаруживалось свечение в гломе­рулярной мембране β1-цепи ламинина, которая в норме выявляется у человека только на стадии эмбрионального развития (метанефрос) [27]. По мнению авторов, это обстоятельство связа­но с экспрессией генов и определяет изменения свойств мембран при мембранозной нефропатии, в частности, в отношении «просеивания» белка. Аналогичные данные при протеомном анализе мочи были получены нами [28].

Как известно, в процессе эмбриогенеза про­исходит последовательная смена ламинина-111 на ламинин-511 и потом на ламинин зрелого клубочка ламинин-521. Мутации генов, коди­рующих определённые цепи ламининов, мо­гут нарушать этот переход, что влияет на ин­теграцию компонентов базальной мембраны и состояние клубочкового фильтра в целом. При этом возможно повреждение не только базальной мембраны клубочков, но и каналь­цев. Последнее может приводить к нарушению клеточно-матриксных взаимодействий с раз­витием кистозных поражений [29, 30].

Заключение

Таким образом, ламинины представляют со­бой важный компонент клубочковой базальной мембраны, участвующий в построении функцио­нального фильтрационного барьера. Разнообра­зие структуры ламининов определяет их функ­циональный полиморфизм. Связь ламининов с мембранами клеток обеспечивается посредством интегриновых и неинтегриновых рецепторов. Ге­нетические аномалии ламининов определяют фе­нотипические проявления ряда нефропатий.

Об авторах

М. М. Батюшин
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия


Д. Г. Пасечник
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия


Список литературы

1. Miner JH. Building the glomerulus: a matricentic view. JASN 2005;16:857-861

2. Aumailley M, Bruckner-Tuderman L, Carter WG et al. A simplified laminin nomenclature. Matrix Biol 2005;24:326-332

3. St. John PL, Abrahamson DR. Glomerular endothelial cells and podocytes jointly synthesize laminin-1 and -11 chains. Kidney Int 2001;60:1037-1046

4. Colognato H, Yurchenco PD. Form and Function: The Laminin Family of Heterotrimers. Developmental Dynamics 2000;218:213-234

5. Tzu J, Li J, Marinkovich MP. Basement membrane and extracellular matrix molecules in the skin. In J. H. Miner, ed. In: Extracellular matrix in development and disease. Advances in developmental biology Elsevier, 2005; 129-151

6. Patarroyo M, Tryggvason K, Virtanen I. Laminin isoforms in tumor invasion, angiogenesis and metastasis. Semin. Cancer Biol 2002;12,197-207

7. Givant-Horwitz V, Davidson B, Reich R. Laminininduced signaling in tumor cells. Cancer Lett 2005;223,1-10

8. Schéele S, Nyström A, Durbeej M et al. Laminin isoforms in development and disease. J Mol Med 2007;85:825-836

9. Koshikawa N, Minegishi T, Sharabi A et al. Membrane-type matrix metalloproteinase-1 (MT1-MMP) is a processing enzyme for human laminin gamma 2 chain. J Biol Chem 2005;280,88-93

10. Miner JH, Patton BL, Lentz SI et al. The laminin alpha chains: expression, developmental transitions and chromosomal locations of alpha1-5, identification of heterotrimeric laminins 8-11 and cloning of a novel alpha3 isoform. J Cell Biol 1997;137:685-701.

11. Yurchenco PD. Basement Membranes: Cell Scaffoldings and Signaling Platforms. Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:e004911

12. Hohenester E, Yurchenco PD. Laminins in basement membrane assembly. Cell Adhesion & Migration 2013;7:1,56-63

13. Ido H, Nakamura A, Kobayashi R et al. The requirement of the glutamic acid residue at the third position from the carboxyl termini of the laminin y chains in integrin binding by laminins. J Biol Chem 2007;282:11144-11154

14. Smirnov SP, McDearmon EL, Li S et al. Contributions of the LG modules and furin processing to laminin-2 functions. J Biol Chem 2002;277:18928-18937. PMID:11886875

15. Nishiuchi R, Takagi J, Hayashi M et al. Ligand-binding specificities of laminin-binding integrins: a comprehensive survey of laminin-integrin interactions using recombinant a3ß1, a6ß1, a7ß1 and a6ß4 integrins. Matrix Biol 2006;25:189-197. PMID:16413178

16. Noakes PG, Miner JH, Gautam M et al. The renal glomerulus of mice lacking s-laminin/laminin beta 2: nephrosis despite molecular compensation by laminin beta 1. Nat Genet 1995;10:400-406

17. Abrahamson DR, Prettyman AC, Robert B, John PLSt. Laminin-1 reexpression in Alport mouse glomerular basement membranes. Kidney Int 2003;63:826-834

18. Aumailley М. The laminin family. Cell Adhesion & Migration 2013;7:1:48-55

19. Abrass CK, Hansen KM, Patton BL. Laminin _4-Null Mutant Mice Develop Chronic Kidney Disease with Persistent Overexpression of Platelet-Derived Growth Factor The Am J of Pathology 2010;176(2):839-849

20. Suh JH, Jarad G, VanDeVoorde RG, Miner JH. Forced expression of laminin ß 1 in podocytes prevents nephrotic syndrome in mice lacking laminin ß2, a model for Pierson syndrome. PNAS 2011;108(37):15348-15353

21. Lan HY, Chung AC. TGF-beta/Smad signaling in kidney disease. Semin Nephrol 2012;32:236-243

22. Ning L, Kurihara H, de Vega Laminin S et al. Regulates Age-Related Mesangial Cell Proliferation and Mesangial Matrix Accumulation through the TGF-b Pathway. The Am J of Pathology 2014;184(6):1683-1694

23. Hansen KM, Abrass CK. Laminin-8/9 is synthesized by rat glomerular mesangial cells and is required for PDGF-induced mesangial cell migration. Kidney Int 2003;64:110-118

24. Hibino S, Shibuya M, Engbring JA et al. Identification of an active site on the laminin _5 chain globular domain that binds to CD44 and inhibits malignancy. Cancer Res 2004;64:4810-4816

25. Zhou Z, Doi M, Wang J et al. Deletion of laminin-8 results in increased tumor neovascularization and metastasis in mice. Cancer Res 2004;64:4059-4063

26. DeHahn KC, Gonzales M, Gonzalez AM et al. The _4 laminin subunit regulates endothelial cell survival. Exp Cell Res 2004;294:281-289

27. Fischer E, Mougenot B, Callard P et al. Abnormal expression of glomerular basement membrane laminins in membranous glomerulonephritis. Nephr Dyal Transp 2000;15:1956-1964

28. Гасанов МЗ, Батюшин ММ, Терентьев ВП, Садовничая НА. Протеомный анализ мочи пациентов с хроническим гломерулонефритом. Клиническая нефрология 2012;5-6:28-32

29. Miner JH. The Glomerular Basement Membrane. Exp Cell Res 2012;318(9):973-978

30. Золотухин ПВ, Беланова АА, Лебедева ЮА. Клеточная физиология повреждения и восстановления почек. Нефрология 2015;19(5):17-22


Для цитирования:


Батюшин М.М., Пасечник Д.Г. Ламинины в структуре гломерулярной базальной мембраны. Нефрология. 2016;20(5):9-15.

For citation:


Batiushin M.M., Pasechnic D.G. Laminines in the structure of glomerular basement membrane. Nephrology (Saint-Petersburg). 2016;20(5):9-15. (In Russ.)

Просмотров: 79


ISSN 1561-6274 (Print)
ISSN 2541-9439 (Online)