膠原蛋白家族及其生物功能概述

陳相龍 隋娟 董靜文 尹秀清 李福芳

【摘 要】膠原蛋白是脊椎動物體內最豐富的結構性蛋白質，包括28位家族成員，再人體生理功能中有至關重要的作用。本文通過對膠原蛋白家族成員與其典型的三螺旋結構特征進行分析，論述了膠原蛋白生物合成及共價交聯的具體機制和膠原蛋白生物學功能，從而說明膠原蛋白參與細胞生長與衰老相關調控。最后總結了由于膠原蛋白突變或不正常表達而造成的疾病，旨在為膠原蛋白的深入研究提供理論參考和借鑒。

【關鍵詞】膠原蛋白；生物功能；螺旋結構

中圖分類號：R-1 文獻標識碼：A 文章編號：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

哺乳動物體內膠原蛋白的含量豐富，約為蛋白質總量的30%。截止目前研究已經發現脊椎動物中含有28個膠原蛋白家族成員[1]。膠原蛋白是各種結締組織和細胞外基質的主要結構蛋白，也是哺乳動物的角膜、肌腱、韌帶、皮膚、骨骼及牙齒等的主要組成成份，含膠原蛋白的組織硬度主要取決于膠原蛋白的礦化程度而非膠原蛋白的含量。膠原蛋白作為哺乳動物的一種重要的結構蛋白，與哺乳動物的生長、健康、衰老息息相關。同時，膠原蛋白也與某些遺傳性或后天獲得性疾病相關。鑒于膠原蛋白的重要生物學功能，本文綜述了膠原蛋白及其生物學功能的相關研究進展，旨在全面了解膠原蛋白的結構、生物學特性及功能、以及膠原蛋白相關疾病的研究，以期為探索該領域的學者提供參考。

1969年，Miller EJ和Matukas VJ首次發現Ⅱ型膠原蛋白[1]，自相關研究開展以來已經發現脊椎動物含有至少45個編碼膠原蛋白的基因，且最終形成膠原蛋白家族的28個成員Ⅰ-ⅩⅩⅧ。膠原蛋白家族的共同結構特征是由三條多肽鏈組成的三螺旋結構，然而，不同的家族成員其三螺旋結構含量有很大的變化，例如，膠原蛋白Ⅰ的結構主要為三螺旋結構，其含量占序列的96%，而膠原蛋白羅馬數字則只含有很少的三螺旋結構，其含量低于10%。組成膠原蛋白三螺旋結構的3條α鏈可以相同，從而形成同源三聚體（如膠原蛋白ⅩⅡ）；也可以是不同的，從而形成異源三聚體（例如，膠原蛋白Ⅸ）。不同的膠原蛋白α鏈的長度也變化很大，已有的膠原蛋白α鏈的長度從662～3152個氨基酸[2，3]。膠原蛋白的三螺旋結構是桿狀的，是由3條均為左旋的多聚脯氨酸鏈通過右旋方式形成的，相鄰鏈之間有1個殘基錯開，從而有助于氫鍵形成。三螺旋結構處的三條α鏈均具有Gly-X-Y的重復序列，即每3個氨基酸殘基中含有1個甘氨酸，大量甘氨酸的存在為三螺旋結構提供了柔韌性，而X和Y分別為脯氨酸和4-羥基脯氨酸，高含量的脯氨酸和羥基脯氨酸能夠形成鏈間氫鍵和靜電相互作用[4-6]。

膠原蛋白主要分布在細胞外基質中，大多數以超分子聚集體的形式存在。膠原蛋白家族成員數量多，其成員的多樣性形成主要是通過不同的α鏈，不同的分子構型，以及不同的超級結構形式來實現的[7，8]。另外，膠原蛋白家族成員的多樣性還來源于使用替代啟動子進行不同的轉錄調控和進行不同的翻譯后可變剪接。同一膠原前體蛋白通過水解可以切割成幾個不同的膠原蛋白類型從而實現不同的生物功能。膠原蛋白通過誘導構象變化而形成暴露不同功能性位點，也可以形成不同蛋白成員[9]。膜膠原蛋白具有兩種不同的存在形式，即跨膜形式和通過脫落釋放的可溶性膠原蛋白[10]。

膠原蛋白的生物合成過程也比較復雜，首先，纖維類膠原蛋白的合成前體包含氨基末端前肽，短的非螺旋的N-端肽，中心三螺旋結構域，C-端肽及羧基末端前肽。在膠原蛋白的生物合成過程中單個的α鏈前體需要經歷多次的翻譯后修飾，例如，脯氨酸和賴氨酸殘基的羥基化，賴氨酸和羥賴氨酸殘基的糖基化，酪氨酸殘基的硫酸化等[11]。其次，3個α鏈形成三螺旋結構，這一結構也是膠原蛋白家族的典型結構。在這一過程中，不同的分子伴侶蛋白結合膠原蛋白，從而穩定其結構并協助完成正常的折疊。熱休克蛋白47 （Hsp47）與內質網中的膠原蛋白前體結合，是已知的膠原蛋白前體生物合成中的特異性分子伴侶[12]。通常情況下，大約20個Hsp47蛋白與三螺旋結構的膠原蛋白前體結合從而維持其穩定性[13]。另外，近期的研究也揭示細胞內富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（SPARC）可能也是一種介入膠原蛋白折疊的分子伴侶。因為SPARC蛋白能夠與膠原蛋白前體的三螺旋結構域結合，而這一蛋白的缺失則會導致膠原蛋白在組織中不正常沉積[14]。最后，膠原蛋白前體的成熟過程。在成熟過程中兩個前肽需要被切割去除[3]。切割N-前肽的蛋白酶屬于A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs（ADAMTS）家族，切割C-前肽的蛋白酶被稱為Bone Morphogenetic Protein-1（BMP-1）[15]。某些情況下，賴氨酰氧化酶家族的酶也會催化不同端肽的某些位點發生交聯[16]。

膠原蛋白是一種彈性蛋白，其本身具有90%的彈性。膠原蛋白纖維能夠可逆地變形，膠原蛋白纖維的機械性能一直是科研界研究的興趣點[11，17，18]。纖維類膠原蛋白Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅺ的良好機械性能取決于其含有各類共價交聯，包括二硫鍵、N1（g-谷氨酰基）賴氨酸異肽[18]，通過賴氨酰氧化酶途徑產生的可還原的交聯，復雜的糖基化終產物[19]。研究發現[20]，膠原蛋白的共價交聯是組織特異性的而不是膠原特異性的。在新合成的膠原蛋白中交聯的產生是可還原的和雙鏈之間的，然而在膠原蛋白成熟的過程中，這些交聯自動變成不可還原的三鏈之間的交聯。通常在骨和軟骨中發生吡啶啉和脫氧吡啶啉的交聯，骨中的發生吡咯交聯，皮膚中發生的組氨酸羥基硒酸亮氨酸交聯。另外，有研究在軟骨中鑒定了另一種成熟的交聯，即精氨酰酮亞胺加合物[3]。膠原蛋白交聯的產生及成熟為相關組織提供了應對額外壓力的機械能力。

膠原蛋白是一種長壽命的蛋白質[19]，在膠原蛋白成熟之后，糖基化交聯并沒有因此而停止，而是隨著年齡的增長而不斷增加。長期糖基化交聯使得膠原蛋白漸進性的形成不可溶狀態，老年人皮膚與骨骼組織中能夠發現膠原蛋白更加僵硬，這也是老年人皮膚干裂老化及骨骼脆硬易碎的部分原因。另外，在老年人的膠原蛋白中鑒定糖基化交聯包括精氨酸-賴氨酸的側鏈與葡萄糖交聯形成的Glucosepane。Glucosepane是衰老皮膚膠原蛋白中最豐富的交聯劑，其能夠同時交聯5個膠原蛋白分子[21]。

膠原蛋白是脊椎動物中最豐富的結構性蛋白，其功能主要與結構相關，幫助塑造組織的形狀。另外，膠原蛋白分子通過其分子結構、形狀而賦予組織特定的機械性能，例如皮膚的拉伸強度和韌帶中的牽引力[22]。近年來，研究發現[23]，細胞外基質的膠原蛋白并非“只是漂亮的纖維”，膠原蛋白通過幾種受體與細胞相互作用來調節細胞生長，分化和遷移。而且，組織器官在病理性纖維化期間過量的膠原蛋白沉積在細胞外基質中，因此通過阻斷膠原蛋白分子的端肽介導的相互作用來限制組織纖維化是一種有效的治療途徑[24]。

一些膠原蛋白具有特定的組織分布，所以可發揮特定的生物學功能。膠原蛋白Ⅸ占成人關節軟骨膠原蛋白的1%，但是對于組織完整性是至關重要的[25]。膠原蛋白Ⅷ構成皮膚中膠原蛋白的0.001%，膠原蛋白Ⅶ是形成錨定纖維的重要組分，參與皮膚與表皮之間的粘附。有研究對化妝品中膠原蛋白滲透的進行分析[26]，膠原蛋白不滲透真皮，而是被表皮吸收。在皮膚再生模型：基底角質細胞培養中，在膠原上培養的角質細胞的粘附和增殖率明顯更高，這表明膠原是一種有效的美容材料。膠原蛋白Ⅹ主要在肥厚軟骨中表達，有助于在軟骨與骨質連接處建立造血生態位。膠原蛋白ⅩⅫ僅存在于組織連接處，例如骨骼肌和心肌中的肌腱連接處[27]，能促進肌肉細胞連接并使其具有彈性與光澤。膠原蛋白ⅩⅩⅣ是成骨細胞分化和骨形成的標志物[28]。膠原蛋白ⅩⅩⅦ主要限于進入成年期前的軟骨中，它與軟骨鈣化有關，并且可能在骨骼發生過程中在軟骨向骨的轉變中起作用[3]。膠原蛋白ⅩⅢ影響骨骼的形成，并且可能參與調控骨量適合其參與的機械運動。生長發育階段軟骨在即將鈣化之前，軟骨細胞變形膨脹，成為肥大軟骨細胞，合成型膠原蛋白。此外，Ⅹ型膠原海域機制小泡有協同作用，啟動骨化晶核的形成。

膠原蛋白分子形成的立體骨架可以使身體保持良好姿勢，并呈現適當柔軟度[29]。膠原蛋白ⅩⅦ是細胞半橋粒的主要結構成分[30]，然而，膠原蛋白ⅩⅩⅢ與前列腺癌復發和侵襲轉移相關[31]。膠原蛋白在神經系統的發育中起到關鍵作用，細胞膜的膠原蛋白ⅩⅢ、ⅩⅦ[3]和ⅩⅩⅤ[32]在神經元細胞中表達，并且膠原ⅩⅩⅧ主要在神經元組織中表達[33]。膠原蛋白Ⅳ作為突觸前組織者在神經肌肉接頭處起作用[34，35]。膠原蛋白ⅩⅪ在中樞神經元表達，并且是海馬突觸形成所必需的[36]。幾種膠原蛋白（Ⅳ、Ⅵ、ⅩⅦ和ⅩⅩⅤ）被發現沉積在患有阿爾茨海默病患者的腦中，與淀粉樣蛋白b肽結合[37]。膠原蛋白Ⅵ也被報道能夠保護神經元免受毒性損傷[38]。

研究發現[3]，膠原蛋白是一些疾病發生的原因。一些自身免疫疾病的發生是由于針對膠原蛋白自身抗體的產生。膠原蛋白Ⅶ是大皰性表皮松解癥的自身抗原，膠原蛋白ⅩⅦ是大皰性天皰瘡的主要自身抗原[10]。閉塞性細支氣管炎綜合征是肺移植失敗的最常見原因，與對膠原蛋白Ⅴ的強烈細胞免疫反應有關[39]。另外，由于編碼膠原蛋白α鏈的基因突變，也會引起的許多疾病[40-43]。膠原蛋白Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ基因的突變已經記錄在人類膠原蛋白突變數據庫[44，45]。另外，由于突變產生使得膠原蛋白分泌到細胞外基質量的減少，同時也影響膠原蛋白分子和超分子組裝，最后會造成內質網壓力的相關癥狀[42]。

此外，軟骨內成骨的骨組織生長發育也會收到膠原蛋白的影響。1993年Warman ML等[46]首次確定侏儒癥（schmid metaphysical chondrodysplasia，SMCD）的基因突變位置在NC1結構域上第13位的堿基對確實。因此其發病機制可能是正常的NC1末端可以啟動膠原蛋白Ⅹ分子的折疊和聚集，由SMCD突變基因控制合成的COLα（Ⅹ）鏈會阻礙其準確折疊，降低了COLα（Ⅹ）鏈三聚體的聚集效應，因此不能形成結構穩定的Ⅹ型膠原三聚體，也不能形成三維空間上的超大分子結構。

Ⅳ型膠原蛋白作為腎臟基底膜中的支架結構，在維持腎臟濾過屏障中起著關鍵作用，其含量、分布和結構變化與腎臟疾病的發生發展密切相關，腎臟中Ⅳ型膠原蛋白的缺失和過度表達都將導致腎臟基底膜結構和功能異常，誘發或促進腎臟疾病的發生[47]。

在過去的40年中，隨著分子生物學技術手段的應用以及借助原子顯微鏡計算分子間的相互作用力，科學家對于膠原蛋白的認識已經從一種單純的結構性蛋白更加深入。膠原蛋白是體內最豐富的結構性蛋白質，且種類豐富。科學家對膠原蛋白的認識，除在維持皮膚、骨骼健康方面具有重要作用，還能夠傳導信號，調控機體的生長、健康與衰老的功能。膠原蛋白基因突變會造成遺傳類疾病，而機體自身針對膠原蛋白產生的抗體也會使機體產生獲得性的免疫疾病。

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編輯 柴泛宇