細胞外マトリックスの組成

細胞外マトリックス（ECM）は、結合組織およびほとんどの他の組織の細胞を取り囲む非細胞性ネットワークです。これは大きく2つの構成要素からなります。1つはマトリックスに機械的特性を与える線維性タンパク質であり、もう1つは残りの空間を埋めるプロテオグリカンと糖タンパク質からなる水和した基質です。これらが一体となって、マトリックスの強度、弾力性、および分子がマトリックス内を拡散する方法を決定し、組成が結合組織の多様性の中心的な変数となっています。

Definition

細胞外マトリックスは、細胞間の空間を占める分泌された高分子のネットワークであり、線維性タンパク質（特にコラーゲンとエラスチン）、水和した基質を形成するプロテオグリカンとグリコサミノグリカン、および細胞とマトリックスの結合を仲介するフィブロネクチンやラミニンなどの接着性糖タンパク質から構成されます。

Scope

このトピックでは、細胞外マトリックスが何で構成されているか（線維性タンパク質、プロテオグリカンとグリコサミノグリカンからなる基質、および細胞をマトリックスに結合させる接着性糖タンパク質）と、これらの構成要素がどのように組織化され、代謝されるかについて説明します。個々の線維タイプの詳細な扱いは、コラーゲンと弾性線維のトピックに譲ります。これは構造に関する参照であり、臨床的なガイダンスではありません。

Core questions

• 細胞外マトリックスを構成する主要な分子クラスは何ですか？
• 基質は線維性成分と構造および機能においてどのように異なりますか？
• マトリックスはどのように継続的に合成、リモデリング、分解されますか？

Key concepts

• 線維性タンパク質（コラーゲン、エラスチン）
• 基質
• プロテオグリカンとグリコサミノグリカン（GAGs）
• 水和と膨潤/水結合特性
• 接着性糖タンパク質（フィブロネクチン、ラミニン）
• マトリックスメタロプロテイナーゼとリモデリング
• マトリソーム（マトリックス分子の全目録）

Mechanisms

マトリックスは、細胞が周囲の空間に分泌する分子から構築されます。線維性タンパク質（主にコラーゲン、反発が必要な場所ではエラスチン）は、引張強度と弾力性を提供します。線維間の空間を埋めるのは基質であり、これはプロテオグリカン（ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパラン硫酸などの長く、高度に負に帯電したグリコサミノグリカン鎖を持つコアタンパク質）のゲルです。固定された負電荷は水と陽イオンを引き込むため、基質は高度に水和されており、圧縮に抵抗しながら、栄養素、ガス、シグナル伝達分子の拡散を可能にします。フィブロネクチンやラミニンなどの接着性糖タンパク質は、マトリックス成分と細胞表面インテグリンの両方に結合することで細胞とマトリックスを橋渡しし、機械的および化学的シグナルを統合します。マトリックスは静的ではなく、成長、修復、代謝回転の間にマトリックスメタロプロテイナーゼなどの酵素によって継続的に合成および分解され、リモデリングされます。

Clinical relevance

マトリックスの組成は、組織がどのように負荷を支え、シグナルを伝達し、修復中にリモデリングされるかを形成するため、変化したECMは線維症、創傷治癒、組織老化において繰り返し現れるテーマです。ここで説明する線維、プロテオグリカン、接着性糖タンパク質の正常な構成は、健康科学におけるそのような変化を解釈するための参照点となります。この項目は記述的なものであり、診断や治療の根拠となるものではありません。

History

組織学者は、その化学的性質が知られる前から結合組織の「基質」を長く記述してきました。20世紀の生化学は、その水和したゲル状の挙動の原因となるプロテオグリカンとグリコサミノグリカン、および細胞を固定するフィブロネクチンなどの接着性糖タンパク質を特定しました。より最近では、マトリックスはマトリソームとして包括的にカタログ化されており、細胞外マトリックスを構成または関連する数百のタンパク質の目録となっています。

Seminal works

• frantz-2010
• hynes-2011
• theocharis-2016

Frequently asked questions

基質とマトリックスの線維との違いは何ですか？

線維（コラーゲン、弾性線維）は、マトリックスに強度と弾力性を与える不溶性の構造タンパク質である一方、基質は、線維と細胞の間の空間を埋め、物質が拡散する水和したプロテオグリカンと糖タンパク質のゲルです。

基質はなぜそんなに多くの水を保持するのですか？

そのグリコサミノグリカン鎖は多くの固定された負電荷を帯びており、陽イオンを引きつけ、それとともに水を引き込みます。これにより、圧縮に抵抗し、栄養素やシグナルの拡散を可能にする水和したゲルが生成されます。