Синтез коллагена

Транскрипция генов — сигнализация TGF-β и факторов роста

Экспрессия генов коллагена регулируется преимущественно трансформирующим фактором роста бета (TGF-β) — цитокином, играющим центральную роль в фиброзе, заживлении ран и восстановлении тканей. TGF-β связывается со своим рецепторным комплексом (TGF-βR1 и TGF-βR2) на фибробластах, запуская фосфорилирование транскрипционных факторов SMAD2 и SMAD3. Фосфорилированные SMAD образуют комплекс с SMAD4 и транслоцируются в ядро, где связываются с Smad-чувствительными элементами в промоторах COL1A1 (альфа-1-цепь коллагена I типа) и COL1A2 (альфа-2-цепь коллагена I типа), активируя их транскрипцию. Показано, что GHK-Cu модулирует сигнализацию TGF-β и активирует множество генов, связанных с синтезом коллагена: в исследованиях экспрессии генов были выявлены сотни дифференциально экспрессируемых генов в фибробластах, обработанных GHK-Cu, причём гены синтеза проколлагена входили в число наиболее стабильно активируемых. Активность промоторов коллагена также регулируется транскрипционными факторами SP1 и AP-1, которые реагируют на механическое растяжение, факторы роста и пептидные стимулы.

Трансляция пре-проколлагена и поступление в эндоплазматический ретикулум

мРНК коллагена транслируются рибосомами в цепи пре-проколлагена — крупные молекулы-предшественники, содержащие сигнальный пептид (направляющий их в эндоплазматический ретикулум), N-пропептид, тройной спиральный домен (состоящий преимущественно из повторяющихся триплетов Gly-X-Y) и C-пропептид. Сигнальный пептид котрансляционно отщепляется по мере поступления цепи в просвет ЭР, образуя альфа-цепи проколлагена. Повторяющаяся последовательность Gly-X-Y принципиально важна для формирования тройной спирали: глицин — наименьшая аминокислота — должен занимать каждую третью позицию, чтобы вписаться во внутреннюю часть тройной спирали; X чаще всего пролин, Y — гидроксипролин.

Гидроксилирование — медь-зависимый этап

В ЭР альфа-цепи проколлагена подвергаются обширным посттрансляционным модификациям. Наиболее критичной является гидроксилирование остатков пролина и лизина ферментами пролил- и лизилгидроксилазой. Эти реакции требуют молекулярного кислорода, альфа-кетоглутарата, двухвалентного железа (Fe²⁺) и витамина C (аскорбата) в качестве кофакторов. Гидроксипролин необходим для термической стабильности тройной спирали — при недостаточном гидроксилировании тройная спираль не может стабильно формироваться при температуре тела, что приводит к дефектам соединительной ткани, характерным для дефицита витамина C (цинга). Гидроксилизин служит точкой прикрепления для гликозилирования (O-связанная галактоза и глюкоза) и, что критически важно, является субстратом для лизилоксидазы — медь-зависимого фермента сшивки, действующего во внеклеточном матриксе. Медный компонент GHK-Cu поддерживает активность медь-зависимых ферментов на этом этапе пути, а структура трипептидного носителя, как предполагается, повышает внутриклеточную доступность меди без токсичности, ассоциированной со свободными ионами меди.

Формирование тройной спирали и сборка проколлагена

После гидроксилирования и гликозилирования три альфа-цепи проколлагена самостоятельно собираются в тройную спираль — процесс, инициирующийся со стороны C-пропептида и распространяющийся в направлении N-конца по принципу «застёжки-молнии». Молекулярные шапероны ЭР (включая Hsp47 — специфический шаперон коллагена) обеспечивают правильную сборку и предотвращают преждевременную агрегацию. Собранная тройная спираль проколлагена упаковывается в везикулы, производные ЭР, для транспорта через аппарат Гольджи, где происходят дополнительные модификации, после чего молекула секретируется во внеклеточное пространство путём экзоцитоза.

Отщепление пропептидов и сборка фибрилл

После секреции N- и C-пропептиды отщепляются от проколлагена специфическими металлопротеиназами (ADAMTS-2, -3 — для N-пропептида; BMP-1 — для C-пропептида), превращая его в тропоколлаген — основную мономерную единицу коллагенового волокна. Молекулы тропоколлагена самопроизвольно собираются в коллагеновые фибриллы через гидрофобные взаимодействия, с характерным смещением соседних молекул на 67 нм (D-период), формируя поперечную исчерченность, видимую на электронных микрофотографиях. Показано также, что GHK-Cu повышает выработку фибронектина и синтез гликозаминогликанов — компонентов внеклеточного матрикса, образующих каркас, в который интегрируются коллагеновые волокна.

Сшивание — лизилоксидаза и медь

Заключительным этапом созревания коллагена является ковалентное сшивание соседних молекул коллагена, катализируемое лизилоксидазой (LOX) — медь-зависимой аминоксидазой, превращающей остатки лизина и гидроксилизина в реактивные альдегиды (аллизин и гидроксиаллизин). Эти альдегиды самопроизвольно конденсируются с соседними остатками лизина или гидроксилизина, образуя стабильные ковалентные сшивки. Именно сшивание превращает механически непрочную сборку волокон в коллагеновую сеть с высокой прочностью на разрыв, характерную для сухожилий, кости и дермы. При дефиците лизилоксидазной активности — вследствие дефицита меди или применения специфических ингибиторов LOX — фибриллы коллагена образуются, однако лишены сшивок, обеспечивающих механическую прочность. Поскольку и лизилгидроксилаза (этап 3), и лизилоксидаза (этап 6) являются медь-зависимыми ферментами, доступность биологически утилизируемой меди напрямую определяет механическое качество коллагена. Важнейший вклад GHK-Cu в этот путь, по всей видимости, состоит в поддержке медь-зависимых этапов на обоих концах процесса.