Struktur und Funktion von Proteoglykanen

Proteoglykane sind ubiquitäre Moleküle, die als kritische Komponenten der extrazellulären Matrix fungieren. Diese Proteine bestehen aus Glykosaminoglycanketten, die kovalent an einen Proteinkern gebunden sind. Obwohl nur eine Handvoll Proteine dazu neigen, zu Proteoglykanen zu werden, ist ihr Funktionsspektrum und ihre potenzielle Rolle bei der Entwicklung des Organismus äußerst breit gefächert.

Dieser Artikel behandelt:

• Struktur von Proteoglykanen
• Zelluläre Funktionen
• Signaltransduktion
• Funktionen in Modellorganismen

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Struktur von Proteoglykanen

Kohlenhydrat

Proteoglykane wirken eher als Polysaccharide als als als Proteine bestehen 95% ihres Gewichts aus Glykosaminoglykan. Die Glycosaminoglycanketten bestehen aus alternierenden Hexosamin- und Hexuronsäure- oder Galactose-Einheiten. Es gibt auch Glycopeptid-Verknüpfungsregionen, die die Polysaccharidketten mit den Kernproteinen verbinden, die N- und / oder O-verknüpfte Oligosaccharide enthalten.

Die reguläre Polymersequenz von Glykosaminoglykanen ist ein Ergebnis der repetitiven Einheiten von Glykosaminoglykanketten. Eine Untersuchung der Glykosaminoglycanketten ergab jedoch eine deutliche Heterogenität in den einzelnen Polysaccharideinheiten.

Kernproteine

Proteoglykane können anhand ihrer Kernproteine klassifiziert werden. Zum Beispiel besteht eine Familie aus großen extrazellulären Chondroitinsulfat-Proteoglykanen, die spezifisch mit Hyaluronsäure interagieren können. Mehrere Proteoglykane in der extrazellulären Matrix und Proteoglykane in verschiedenen Bindegeweben gehören zu dieser Kategorie.

Eine andere Familie von Proteoglykanen besteht aus kleinen homologen Kernproteinen, die eine oder zwei Glykosaminoglykanketten enthalten. Diese kleinen Kernproteine umfassen Decorin, Biglycan, Fibromodulin usw. Heparansulfat-Proteoglykane sind in der extrazellulären oder Basalmembran vorhanden und mit dem Heparansulfat-Proteoglykan verwandt, das von der Engelbreth-Holm-Schwarm-Tumorzelllinie (EHS) sezerniert wird.

Die Serglykane sind intrazelluläre Proteoglykane, die aus Kernproteinsequenzen von Serin- und Glycineinheiten bestehen, die stark mit Heparanketten substituiert sind. Alle Kernproteine enthalten eine Glykosaminoglykansubstitutiondomäne und die meisten Proteoglykane sind an Makromoleküle gebunden, die in der extrazellulären Matrix durch Domänen vorhanden sind, die in den Kernproteinen vorhanden sind.

Glycosaminoglycan-Substitutions-Domänen

Die Glycosaminoglycan-Ketten sind an die Serinreste gebunden, die in den Kernproteinen vorhanden sind. Die Kettenverlängerung wird durch Xylosylierung spezifischer Serinreste initiiert. Die für die Xylosylierung anfälligen Serineinheiten treten in der spezifischen Tetrapeptidsequenz auf, der einige saure Reste vorausgehen. Synthetische Peptide, die diese Sequenz enthalten, haben sich in vitro als adäquate Substrate für die Xylosylierung erwiesen.

Zellfunktionen

Alle zellulären Prozesse beinhalten Wechselwirkungen an der Oberfläche der Zelle, einschließlich der Wechselwirkung der Zelle mit der Matrix, mit anderen Zellen sowie mit Liganden. Diese Wechselwirkungen betreffen Proteoglykane, da diese Moleküle eifrig an die Proteine binden und reichlich auf der Oberfläche vorhanden sind.

In einer Studie wurde die Rolle von Heparansulfat-Proteoglykanen während der kritischen Entwicklungsstadien beschrieben, einschließlich der Erzeugung und Differenzierung von Neuronen, der axonalen Führung, der Synapsenentwicklung usw.

Eines der kritischen Verhaltensweisen von Tumorzellen ist eine lokale Invasion und Fernmetastasierung. Diese Verhaltensweisen beinhalten das Anhaften an Zellen, die Motilität und das Wachstum – all diese Faktoren werden von Proteoglykanen beeinflusst.

Eine weitere Studie zeigte, dass Heparansulfat-Proteoglykane diese Aktivitäten basierend auf dem Zell- oder Gewebetyp, der Pathophysiologie des Tumors und dem spezifischen Metastasierungsschritt, der betroffen ist, entweder hemmen oder verstärken können.

Signaltransduktion

Die beiden Hauptfamilien der Zelloberflächen-Heparansulfat-Proteoglykane sind Syndecane und Glypicane. Diese beiden Familien binden an mehrere Wachstumsfaktoren und Matrixproteine und sind an verschiedenen Signaltransduktionswegen beteiligt, die an der Proliferation von Zellen und Zellformänderungen beteiligt sind.

Syndecane sind Transmembranproteine, die über Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Lipidanker mit der Zellmembran verbunden sind. Es gibt vier bekannte Säugetier-Syndecan-Proteine. Während die Struktur dieser Proteine mehreren gemeinsamen zytoplasmatischen, juxtamembranen und transmembranen Domänen ziemlich ähnlich ist, haben sie auch unterschiedliche Regionen und Verteilungen innerhalb von Zellen. Sowohl konservierte als auch divergente Proteinpartner spielen eine Rolle in den zellulären und Entwicklungsfunktionen von Proteoglykanen.

Jüngste Studien an Drosophila, Mäusen und Menschen zeigten, wie Proteoglykane an Zellwachstum und -differenzierung beteiligt sein können. Sie spielen auch eine besondere Rolle bei der Regulierung der an Signalwegen beteiligten Moleküle wie FGFs, BMPs, Wnts, Hhs, IGFs usw. Der genaue Mechanismus, wie diese Moleküle funktionieren, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Funktionen in Modellorganismen

Die meisten Informationen über die Funktion von Proteoglykanen stammen aus Studien an der Fruchtfliege und dem Nematodenwurm Caenorhabditis elegans. Viele der Heparansulfat-Proteoglykane der Säugetierzelloberfläche haben Homologe in Fliegen und Würmern.

Während es beim Vergleich von Fliegen- und Säugetiersystemen viele Unterschiede in Struktur und Funktion gibt, werden bei Säugetieren mehrere Funktionen von Drosophila glypicans und Syndecan nachgeahmt, was auf konservierte Funktionen hindeutet.

Weiterführende Literatur

• Alle Zelladhäsionsgehalt
• Was ist Zell-Zell-Adhäsion?
• Zell-Matrix-Adhäsion Übersicht
• Was ist die extrazelluläre Matrix?
• Was ist der epithelial-mesenchymale Übergang (EMT)?

Zitate