胶原蛋白家族及其生物功能概述

陈相龙 隋娟 董静文 尹秀清 李福芳

【摘 要】胶原蛋白是脊椎动物体内最丰富的结构性蛋白质，包括28位家族成员，再人体生理功能中有至关重要的作用。本文通过对胶原蛋白家族成员与其典型的三螺旋结构特征进行分析，论述了胶原蛋白生物合成及共价交联的具体机制和胶原蛋白生物学功能，从而说明胶原蛋白参与细胞生长与衰老相关调控。最后总结了由于胶原蛋白突变或不正常表达而造成的疾病，旨在为胶原蛋白的深入研究提供理论参考和借鉴。

【关键词】胶原蛋白；生物功能；螺旋结构

中图分类号：R-1 文献标识码：A 文章编号：1004-4949（2023）07-0171-05

Summary of Collagen Family and its Biological Functions

CHEN Xiang-long1， SUI Juan2， DONG Jing-wen1， YIN Xiu-qing1， LI Fu-fang1

（1.Production and Research Department， Beijing Qingyan Boshi Health Management Co.， Ltd.， Beijing 100000， China； 2.Department of Nutrition， Beijing Taikang Yanyuan Rehabilitation Hospital， Beijing 100000， China）

【Abstract】Collagen is the most abundant structural protein in vertebrates， including 28 family members， which plays a vital role in human physiological function. In this paper， the specific mechanism of collagen biosynthesis and covalent cross-linking and the biological function of collagen were discussed by analyzing the members of collagen family and their typical triple helix structure characteristics， so as to illustrate that collagen is involved in the regulation of cell growth and senescence. Finally， the diseases caused by collagen mutation or abnormal expression were summarized， aiming to provide theoretical reference for the further study of collagen.

【Key words】Collagen； Biological function； Helical structure

哺乳动物体内胶原蛋白的含量丰富，约为蛋白质总量的30%。截止目前研究已经发现脊椎动物中含有28个胶原蛋白家族成员[1]。胶原蛋白是各种结缔组织和细胞外基质的主要结构蛋白，也是哺乳动物的角膜、肌腱、韧带、皮肤、骨骼及牙齿等的主要组成成份，含胶原蛋白的组织硬度主要取决于胶原蛋白的矿化程度而非胶原蛋白的含量。胶原蛋白作为哺乳动物的一种重要的结构蛋白，与哺乳动物的生长、健康、衰老息息相关。同时，胶原蛋白也与某些遗传性或后天获得性疾病相关。鉴于胶原蛋白的重要生物学功能，本文综述了胶原蛋白及其生物学功能的相关研究进展，旨在全面了解胶原蛋白的结构、生物学特性及功能、以及胶原蛋白相关疾病的研究，以期为探索该领域的学者提供参考。

1969年，Miller EJ和Matukas VJ首次发现Ⅱ型胶原蛋白[1]，自相关研究开展以来已经发现脊椎动物含有至少45个编码胶原蛋白的基因，且最終形成胶原蛋白家族的28个成员Ⅰ-ⅩⅩⅧ。胶原蛋白家族的共同结构特征是由三条多肽链组成的三螺旋结构，然而，不同的家族成员其三螺旋结构含量有很大的变化，例如，胶原蛋白Ⅰ的结构主要为三螺旋结构，其含量占序列的96%，而胶原蛋白罗马数字则只含有很少的三螺旋结构，其含量低于10%。组成胶原蛋白三螺旋结构的3条α链可以相同，从而形成同源三聚体（如胶原蛋白ⅩⅡ）；也可以是不同的，从而形成异源三聚体（例如，胶原蛋白Ⅸ）。不同的胶原蛋白α链的长度也变化很大，已有的胶原蛋白α链的长度从662～3152个氨基酸[2，3]。胶原蛋白的三螺旋结构是杆状的，是由3条均为左旋的多聚脯氨酸链通过右旋方式形成的，相邻链之间有1个残基错开，从而有助于氢键形成。三螺旋结构处的三条α链均具有Gly-X-Y的重复序列，即每3个氨基酸残基中含有1个甘氨酸，大量甘氨酸的存在为三螺旋结构提供了柔韧性，而X和Y分别为脯氨酸和4-羟基脯氨酸，高含量的脯氨酸和羟基脯氨酸能够形成链间氢键和静电相互作用[4-6]。

胶原蛋白主要分布在细胞外基质中，大多数以超分子聚集体的形式存在。胶原蛋白家族成员数量多，其成员的多样性形成主要是通过不同的α链，不同的分子构型，以及不同的超级结构形式来实现的[7，8]。另外，胶原蛋白家族成员的多样性还来源于使用替代启动子进行不同的转录调控和进行不同的翻译后可变剪接。同一胶原前体蛋白通过水解可以切割成几个不同的胶原蛋白类型从而实现不同的生物功能。胶原蛋白通过诱导构象变化而形成暴露不同功能性位点，也可以形成不同蛋白成员[9]。膜胶原蛋白具有两种不同的存在形式，即跨膜形式和通过脱落释放的可溶性胶原蛋白[10]。

胶原蛋白的生物合成过程也比较复杂，首先，纤维类胶原蛋白的合成前体包含氨基末端前肽，短的非螺旋的N-端肽，中心三螺旋结构域，C-端肽及羧基末端前肽。在胶原蛋白的生物合成过程中单个的α链前体需要经历多次的翻译后修饰，例如，脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化，赖氨酸和羟赖氨酸残基的糖基化，酪氨酸残基的硫酸化等[11]。其次，3个α链形成三螺旋结构，这一结构也是胶原蛋白家族的典型结构。在这一过程中，不同的分子伴侣蛋白结合胶原蛋白，从而稳定其结构并协助完成正常的折叠。热休克蛋白47 （Hsp47）与内质网中的胶原蛋白前体结合，是已知的胶原蛋白前体生物合成中的特异性分子伴侣[12]。通常情况下，大约20个Hsp47蛋白与三螺旋结构的胶原蛋白前体结合从而维持其稳定性[13]。另外，近期的研究也揭示细胞内富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（SPARC）可能也是一种介入胶原蛋白折叠的分子伴侣。因为SPARC蛋白能够与胶原蛋白前体的三螺旋结构域结合，而这一蛋白的缺失则会导致胶原蛋白在组织中不正常沉积[14]。最后，胶原蛋白前体的成熟过程。在成熟过程中两个前肽需要被切割去除[3]。切割N-前肽的蛋白酶属于A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs（ADAMTS）家族，切割C-前肽的蛋白酶被称为Bone Morphogenetic Protein-1（BMP-1）[15]。某些情况下，赖氨酰氧化酶家族的酶也会催化不同端肽的某些位点发生交联[16]。

胶原蛋白是一种弹性蛋白，其本身具有90%的弹性。胶原蛋白纤维能够可逆地变形，胶原蛋白纤维的机械性能一直是科研界研究的兴趣点[11，17，18]。纤维类胶原蛋白Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅺ的良好机械性能取决于其含有各类共价交联，包括二硫键、N1（g-谷氨酰基）赖氨酸异肽[18]，通过赖氨酰氧化酶途径产生的可还原的交联，复杂的糖基化终产物[19]。研究发现[20]，胶原蛋白的共价交联是组织特异性的而不是胶原特异性的。在新合成的胶原蛋白中交联的产生是可还原的和双链之间的，然而在胶原蛋白成熟的过程中，这些交联自动变成不可还原的三链之间的交联。通常在骨和软骨中发生吡啶啉和脱氧吡啶啉的交联，骨中的发生吡咯交联，皮肤中发生的组氨酸羟基硒酸亮氨酸交联。另外，有研究在软骨中鉴定了另一种成熟的交联，即精氨酰酮亚胺加合物[3]。胶原蛋白交联的产生及成熟为相关组织提供了应对额外压力的机械能力。

胶原蛋白是一种长寿命的蛋白质[19]，在胶原蛋白成熟之后，糖基化交联并没有因此而停止，而是随着年龄的增长而不断增加。长期糖基化交联使得胶原蛋白渐进性的形成不可溶状态，老年人皮肤与骨骼组织中能够发现胶原蛋白更加僵硬，这也是老年人皮肤干裂老化及骨骼脆硬易碎的部分原因。另外，在老年人的胶原蛋白中鉴定糖基化交联包括精氨酸-赖氨酸的侧链与葡萄糖交联形成的Glucosepane。Glucosepane是衰老皮肤胶原蛋白中最丰富的交联剂，其能够同时交联5个胶原蛋白分子[21]。

胶原蛋白是脊椎动物中最丰富的结构性蛋白，其功能主要与结构相关，帮助塑造组织的形状。另外，胶原蛋白分子通过其分子结构、形状而赋予组织特定的机械性能，例如皮肤的拉伸强度和韌带中的牵引力[22]。近年来，研究发现[23]，细胞外基质的胶原蛋白并非“只是漂亮的纤维”，胶原蛋白通过几种受体与细胞相互作用来调节细胞生长，分化和迁移。而且，组织器官在病理性纤维化期间过量的胶原蛋白沉积在细胞外基质中，因此通过阻断胶原蛋白分子的端肽介导的相互作用来限制组织纤维化是一种有效的治疗途径[24]。

一些胶原蛋白具有特定的组织分布，所以可发挥特定的生物学功能。胶原蛋白Ⅸ占成人关节软骨胶原蛋白的1%，但是对于组织完整性是至关重要的[25]。胶原蛋白Ⅷ构成皮肤中胶原蛋白的0.001%，胶原蛋白Ⅶ是形成锚定纤维的重要组分，参与皮肤与表皮之间的粘附。有研究对化妆品中胶原蛋白渗透的进行分析[26]，胶原蛋白不渗透真皮，而是被表皮吸收。在皮肤再生模型：基底角质细胞培养中，在胶原上培养的角质细胞的粘附和增殖率明显更高，这表明胶原是一种有效的美容材料。胶原蛋白Ⅹ主要在肥厚软骨中表达，有助于在软骨与骨质连接处建立造血生态位。胶原蛋白ⅩⅫ仅存在于组织连接处，例如骨骼肌和心肌中的肌腱连接处[27]，能促进肌肉细胞连接并使其具有弹性与光泽。胶原蛋白ⅩⅩⅣ是成骨细胞分化和骨形成的标志物[28]。胶原蛋白ⅩⅩⅦ主要限于进入成年期前的软骨中，它与软骨钙化有关，并且可能在骨骼发生过程中在软骨向骨的转变中起作用[3]。胶原蛋白ⅩⅢ影响骨骼的形成，并且可能参与调控骨量适合其参与的机械运动。生长发育阶段软骨在即将钙化之前，软骨细胞变形膨胀，成为肥大软骨细胞，合成型胶原蛋白。此外，Ⅹ型胶原海域机制小泡有协同作用，启动骨化晶核的形成。

胶原蛋白分子形成的立体骨架可以使身体保持良好姿势，并呈现适当柔软度[29]。胶原蛋白ⅩⅦ是细胞半桥粒的主要结构成分[30]，然而，胶原蛋白ⅩⅩⅢ与前列腺癌复发和侵袭转移相关[31]。胶原蛋白在神经系统的发育中起到关键作用，细胞膜的胶原蛋白ⅩⅢ、ⅩⅦ[3]和ⅩⅩⅤ[32]在神经元细胞中表达，并且胶原ⅩⅩⅧ主要在神经元组织中表达[33]。胶原蛋白Ⅳ作为突触前组织者在神经肌肉接头处起作用[34，35]。胶原蛋白ⅩⅪ在中枢神经元表达，并且是海马突触形成所必需的[36]。几种胶原蛋白（Ⅳ、Ⅵ、ⅩⅦ和ⅩⅩⅤ）被发现沉积在患有阿尔茨海默病患者的脑中，与淀粉样蛋白b肽结合[37]。胶原蛋白Ⅵ也被报道能够保护神经元免受毒性损伤[38]。

研究发现[3]，胶原蛋白是一些疾病发生的原因。一些自身免疫疾病的发生是由于针对胶原蛋白自身抗体的产生。胶原蛋白Ⅶ是大疱性表皮松解症的自身抗原，胶原蛋白ⅩⅦ是大疱性天疱疮的主要自身抗原[10]。闭塞性细支气管炎综合征是肺移植失败的最常见原因，与对胶原蛋白Ⅴ的强烈细胞免疫反应有关[39]。另外，由于编码胶原蛋白α链的基因突变，也会引起的许多疾病[40-43]。胶原蛋白Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ基因的突变已经记录在人类胶原蛋白突变数据库[44，45]。另外，由于突变产生使得胶原蛋白分泌到细胞外基质量的减少，同时也影响胶原蛋白分子和超分子组装，最后会造成内质网压力的相关症状[42]。

此外，软骨内成骨的骨组织生长发育也会收到胶原蛋白的影响。1993年Warman ML等[46]首次确定侏儒症（schmid metaphysical chondrodysplasia，SMCD）的基因突变位置在NC1结构域上第13位的碱基对确实。因此其发病机制可能是正常的NC1末端可以启动胶原蛋白Ⅹ分子的折叠和聚集，由SMCD突变基因控制合成的COLα（Ⅹ）链会阻碍其准确折叠，降低了COLα（Ⅹ）链三聚体的聚集效应，因此不能形成结构稳定的Ⅹ型胶原三聚体，也不能形成三维空间上的超大分子结构。

Ⅳ型胶原蛋白作为肾脏基底膜中的支架结构，在维持肾脏滤过屏障中起着关键作用，其含量、分布和结构变化与肾脏疾病的发生发展密切相关，肾脏中Ⅳ型胶原蛋白的缺失和过度表达都将导致肾脏基底膜结构和功能异常，诱发或促进肾脏疾病的发生[47]。

在过去的40年中，随着分子生物学技术手段的应用以及借助原子顯微镜计算分子间的相互作用力，科学家对于胶原蛋白的认识已经从一种单纯的结构性蛋白更加深入。胶原蛋白是体内最丰富的结构性蛋白质，且种类丰富。科学家对胶原蛋白的认识，除在维持皮肤、骨骼健康方面具有重要作用，还能够传导信号，调控机体的生长、健康与衰老的功能。胶原蛋白基因突变会造成遗传类疾病，而机体自身针对胶原蛋白产生的抗体也会使机体产生获得性的免疫疾病。

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編辑 柴泛宇