Ламинины в структуре гломерулярной базальной мембраны

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.

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].

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.

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].

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.

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.

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.