Структурно-функциональная характеристика лубрицина и участие в поддержании трибологических параметров суставного хряща

DOI:

Цитирование. Лызо Т. С., Крылов П. А. Структурно-функциональная характеристика лубрицина и участие в поддержании трибологических параметров суставного хряща // Природные системы и ресурсы. – 2020. – Т. 10, № 1. – С. 22–28. – DOI:

Введение. Граничная смазка играет важную роль в суставных хрящах, подвергающихся высоким нагрузкам при низких скоростях скольжения [17]. В настоящее время считается, что три типа граничных смазок участвует в уменьшении трения в суставах: гиалуроновая кислота (ГК) [2], поверхностноактивные липиды [20], и лубрицин/PRG4, о котором и пойдет речь ниже [7; 11]. Лубри-цин, впервые описанный Swann и соавторами [21], кодируется геном PRG4 (рис. 1) и представляет собой большой протеогликан. Этот белок содержит как хондроитинсульфат, так и кератансульфат-полимерные сульфатированные гликозаминогликаны. Лубрицин действует как граничная смазка на поверхности хряща и способствует упругому поглощению и рассеиванию энергии синовиальной жидкости. Мутации в этом гене приводят к синдрому камптодактилия-артропатии-тазика-вара-пе- рикардита. Альтернативный сплайсинг приводит к нескольким вариантам транскрипции [18]. Концентрация лубрицина в синовиальной жидкости составляет ~ 250 мкг/мл [12], а его молекулярная масса примерно равна 300 кДа [5].

Расположение в геноме человека. Лубрицин преимущественно синтезируется и экспрессируется хондроцитами поверхностной зонs хряща [8], но также может секретироваться синовиальными фибробластами [9]. Протеазакатепсин G может участвовать в деградации лубрицина в синовиальной жидкости, влияя на смазывание суставов [7]. Трансформирующий фактор роста β (TGF-β1) способен стимулировать секрецию лубрицина хондроцитами в поверхностной зоне суставного хряща, в то время как интерлейкин IL-1α подавлял уровень экспрессии лубрицина и не влиял на инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1). Аналогичный результат наблюдался в иссле-

Рис. 1. Расположение PRG4 в геноме человека (отмечено красным) [5]

довании Cheng и соавторов, в котором изучалась экспрессия PRG4, регулируемая либо IL-1α, либо TGF-β1. Хондроциты, выделенные из мыщелкового хряща 20-дневных крыс-самцов, показали антагонистический эффект в отношении уровня экспрессии мРНК PRG4: снижение IL-1α и увеличение TGF-β1. Доказано, что гликозаминогликаны на клеточной поверхности, такие как гепарансульфат (HS), гепарин и хондроитинсульфат (CS), оказывают влияние на ответ TGF-β1, который активирует синтез луб-рицина. Экзогенные HS и CS повышали уровень экспрессии лубрицина, в то время как гепарин демонстрировал противоположный ответ, затрудняя образование лубрицина. Также было обнаружено, что взаимодействие лубрицина с гиалуроновой кислотой оказывает существенное влияние на смазочную функцию, уменьшая энергию сдвига при совместном скольжении [15].

Структурно-функциональные свойства. Лубрицин представляет собой поверхностно-активный муцинозный гликопротеин, секретируемый в синовиальном суставе, который играет важную роль в целостности хряща. Лубрицин выглядит как бесструктурная, удлиненная и гибкая молекула диаметром в несколько нанометров [22]. При рН = 7,2–7,6 синовиальной жидкости молекула имеет небольшой суммарный положительный заряд, центральный домен заряжен отрицательно, конечные домены несут большую часть положительного заряда [13]. Лубрицин высоко консервативен у разных видов, в случае мышиной, крысиной, бычьей и человеческой смазок, демонстрирующих непостоянное количество остатков серина (> 5 %) и треонина (> 20 %) и реакционную способность к лектинам. Луб-рицин имеет приблизительно равную массовую пропорцию белка и олигосахаридов [11].

Центральный муциновый домен фланкируется глобулярными N- и C-концами, которые могут быть полифункциональными [14]. Анализ аминокислотной последовательности лубрици-на показывает, что он связан с витронектином. Оба белка содержат домен, подобный сомато-медину B (SMB), и домен, подобный гемопексину, имеющий сходство последовательностей в этих областях более чем на 40 %.

Лубрицин не имеет специфической структуры и представляется в виде длинной и гиб- кой гликозилированной молекулы, однако он состоит из нескольких белковых доменов, которые выполняют отдельные биологические функции. Центром цепи является сильно гликозилированный длинный участок, который способствует тяжелой молекулярной массе лубрицина. Этот большой и муцинозный домен, сильно гликозилированная белковая часть с 76 аминокислотными повторами, экспрессируемыми с высокой частотой, в основном состоит из сахарных групп GalNAc, Gal и NeuAc, где остатки треонина O-связаны. При наличии большого количества отрицательно заряженных и сильно гидратированных сахарных групп этот центральный домен играет важную роль в смазывании благодаря сильному отталкиванию с помощью стерических и гидратирующих сил. Кроме того, существует много исследований, посвященных различным биологическим ролям белков, содержащих домен муцина, которые относятся к защите и адгезии эпителиальных поверхностей, регуляции дифференцировки клеток и контролю роста клеток.

Молекулярная структура лубрицина указывает на три разных домена: сильно гликозилированный – гидрофильная центральная часть, и концы – негликозилированные глобулярные домены (см. рис. 2). В то время как центральный домен в основном содержит отрицательно заряженные аминокислоты, концевые стороны содержат положительно заряженные и гидрофобные аминокислоты. Этот состав лубрицина демонстрирует высокое сходство с составом муциновых белков. Муцины, в частности, связываются с эпителиальными поверхностями и образуют гелеобразный защитный слой («слизь»), который создается молекулами, физически запутанными или ковалентно связанными путем образования дисульфидных связей между остатками цистеина [15].

Снижение трения между поверхностями, находящимися под давлением, и трением суставных поверхностей было изучено exvivo и invitro с небиологическими и хрящевыми поверхностями. В здоровых суставах молекулы лубрицина покрывают поверхность хряща, обеспечивая граничную смазку и предотвращая адгезию клеток и белка. Артропатия, возникающая у пациентов с травмой сустава,

LUBRICIN

SMB-like domain

Mucin-like domain

PEX-like domain

ADHESIVE

REPULSIVE

ADHESIVE

Рис. 2. Схематическое представление лубрицина [3]

воспалительным артритом или генетически обусловленным дефицитом лубрицина, выражается вего недостаточном количестве для предотвращения повреждения суставного хряща [14]. Кроме того, лубрицин предотвращает осаждение белка на поверхность хряща из синовиальной жидкости, контролирует ее увеличение в зависимости от адгезии и ингибирует прилипание синовиальных клеток к поверхности хряща. Было предположено, что лубрицин, также известный как белок поверхностной зоны (SZP), обладает потенциальными биологическими функциями, такими как пролиферация клеток, цитопротекция и само-агрегация и связывание матрикса. В отсутствие смазки синовиальные суставы могут вызвать дисфункцию, которая приводит к патогенезу дегенерации хряща. С другой стороны, помимо всех вышеперечисленных полезных свойств смазки для суставного хряща, в исследовании утверждается, что смазка покрывает поверхности поврежденного хряща и препятствует интегративному восстановлению [15].

Граничная смазка преобладает в периоды высокой нагрузки и низкой скорости, когда слой смазочной пленки тоньше, чем шероховатость поверхности. В здоровых суставных суставах слой молекул лубрицина покрывает поверхность хряща и действует как антиад-гезивная граничная смазка, предотвращая повреждение хряща, когда неровности повер- хности движутся друг против друга. В опорах, которые не были смазаны лубрицином, клетки, расположенные чуть ниже сплющенных клеток на поверхности хряща, оказались наиболее подверженными риску апоптоза [24].

Помимо основной функции смазки, луб-рицин также обладает регулирующими рост свойствами [16], предотвращает адгезию клеток, обеспечивает хондропротекцию [4] и играет роль в созревании субхондральной кости [1]. Кроме того, лубрицин защищает поверхность хряща от чрезмерной адсорбции белков и клеток, которая является причиной преждевременной суставной недостаточности при генетических заболеваниях [23].

Лубрицин и ГК, являющиеся частью синовиальной жидкости, это основные факторы, способствующие эффективной смазке суставов и защите от износа. Исследования на животных моделях и искусственных системах позволяют предположить, что молекулы луб-рицина и ГК могут работать в тандеме, создавая синергетический эффект. Однако последние наблюдения показывают, что лубри-цин обладает более значительным потенциалом для защиты суставов, чем ГК [10]. Смазывающие способности лубрицина возникают из двух ключевых структурных особенностей: (1) плотный муциноподобный домен, состоящий из гидрофильных олигосахаридов и (2) концы, которые прикрепляет молекулу к сочленяющимся поверхностям. Когда они свя- заны, молекула притягивает и удерживает воду у поверхности, уменьшая трение и облегчая скольжение [19].

Заключение. Долговременная целостность сустава зависит от питания его хрящевого компонента и защиты поверхности хряща от износа, вызванного трением. Лубрицин – поверхностно-активный муцинозный гликопротеин, секретируемый в синовиальном суставе, играет важную роль в целостности хряща. Помимо основной функции – смазки для суставных границ – лубрицин также может регулировать скорость нарастания хрящевого компонента, предотвращает слипание клеток в синовиальной жидкости, может замедлять развитие суставных болезней и играет роль в созревании субхондральной кости. Дальнейшее изучение структурно-функциональных свойств лубрицина позволит решить проблемы развития остеоартроза.