MATRICE EXTRACELLULARE

MATRICE EXTRACELLULARE insieme di proteine e polisaccaridi, secrete da diversi tipi di cellule, che costituiscono strutture extracellulari in grado di svolgere diverse funzioni diversa concentrazione delle diverse componenti della matrice dà origine a strutture molto diverse tra loro (es, tendini, cartilagini dell’osso…) le funzioni diverse dipendono dalle sostanze che la compongono e dalla loro particolare disposizione 2

Extracellular matrix – Building blocks Glycosaminoglycans (GAG-s) heparan sulfate - basal membr., cell surface keratan sulfate - cornea, bone chondroitin sulfate – cartilage, bone, heart hyaluronate - synovial fluid dermatan sulfate - blood vessels, heart „Core-proteins” aggrecan – decorin collagen – elastin - structure fibronectin – laminin - adhesion

Sizes of ECM Components BMS 6110 10 Sept 08 Sizes of ECM Components Protein is green. GAG is red. Relative shapes are also shown. Collagens and multiadhesive proteins are glycoproteins (but not PGs). Collagens - fiber (type I) and network (type IV) forming Multiadhesive proteins - laminin, nidogen, fibronectin GAGs - hyaluronan PGs - aggrecan, perlecan, decorin J. Aris

FUNZIONI DELLA MATRICE EXTRACELLULARE supporto tridimensionale barriera che regola gli scambi sangue-cellula deposito biologico di molecole con capacità di regolare la attività cellulare complesso molecolare in grado di indurre e mantenere lo stato differenziato regolazione della divisione cellulare, adesione, motilità e migrazione cellulare (distruzione controllata della matrice ad opera di proteasi), differenziamento durante l’embriogenesi

LA MATRICE EXTRACELLULARE diversi aspetti d’interesse 1- i suoi costituenti (identificazione strutturale e funzionale) 2- la lamina basale ( sottile ma estremamente complessa) 3- recettori di membrana per i costituenti della matrice 4- segnali intracellulari attivati dal legame tra integrine e molecole della matrice 5- le funzioni cellulari controllate dalla matrice 6- il rimodellamento della matrice (fisiologico, patologico) 7- il ruolo della matrice nello sviluppo embrionale

CELLULE E MATRICE INTERAGISCONO IN MODO DINAMICO INFLUENZANDOSI A VICENDA CELLULE MATRICE Le cellule sintetizzano la propria matrice extra-cellulare, la quale a sua volta influisce sulle cellule in modo che esse possano perfezionare e mantenere stabilmente il loro fenotipo differenziato.

Il mondo extracellulare •Le cellule aderiscono fisicamente alle matrici extracellulari mediante tutta una serie di recettori per: collageno, laminina, fibronectina, fibrina, proteoglicani, integrine e molte altre molecole •Questo permette la trasmissione dei segnali dalla matrice extracellulare alla cellula e viceversa •In tal modo, la matrice extracellulare, apparentemente “inerte”, può influenzare l’adesione, la forma, il movimento e perfino l’espressione genica della cellula

Le cellule che producono le molecole della matrice sono essenzialmente fibroblasti ; In certi tipi specializzati di tessuti connettivi (cartilagine e osso) tali molecole sono secrete da cellule della famiglia dei fibroblasti più specializzate (es, condroblasti e osteoblasti) 10

Glycosaminoglycans (GAG-s) Due classi principali di macromolecole extracellulari compongono la matrice extracellulare: proteine fibrose, fra cui collagene, elastina, fibronectina e laminina che hanno funzioni sia strutturali che adesive. catene polisaccaridiche della classe chiamata glicosamminoglicani (GAG), che si trovano di solito uniti covalentemente a proteine sotto forma di proteoglicani Glycosaminoglycans (GAG-s) heparan sulfate - basal membr., cell surface keratan sulfate - cornea, bone chondroitin sulfate – cartilage, bone, heart hyaluronate - synovial fluid dermatan sulfate - blood vessels, heart „Core-proteins” aggrecan – decorin collagen – elastin - structure fibronectin – laminin - adhesion 11

collagene, elastina, fibronectina e laminina PROTEINE FIBROSE • organizzazione longitudinale • Un’unica struttura secondaria (a-elica, b- foglietto, elica collagenica) • Proteine di struttura intra- ed extra-cellulari • Insolubili in acqua • Formano strutture sopramolecolari • Legami covalenti crociati tra le catene collagene, elastina, fibronectina e laminina

I componenti meglio osservabili a livello submicroscopico sono: • Le fibre collagene (non ramificate) • Le fibre elastiche (ramificate) • I proteoglicani (un gel) • Le membrane basali (lamine)

Collagene Famiglia di proteine fibrose secrete da cellule del tessuto connettivo e da una varietà di altri tipi cellulari. Sono le proteine più abbondanti nei mammiferi 1/3rd of the total proteins Found abundantly in tendon, cartilage, bone and skin(costituiscono pelle ed osso). Danno origine a fibre semicristalline che tengono in posizione le cellule, conferiscono resistenza alla tensione ed elasticità alla matrice; svolgono funzioni importanti nell’ambito della mobilità e dello sviluppo delle cellule. Glicoproteine per lo più insolubili, caratterizzate da un contenuto elevato di Gly e di 2 aa modificati: idrossi-Lys e idrossi-Pro. 14

Tripletta Gly-X-Y– X: Pro; Y: Hypro Singole molecole di collagene sono strutture lineari costituite da 3 catene polipeptidiche. Le singole catene, dette catene a, si avvolgono a formare un’elica sinistrorsa a passo lungo. I residui di Pro, a spaziatura regolare, sono importanti per la stabilizzazione di questa struttura elicoidale. 3 catene a si associano tra loro a formare una tripla elica destrorsa, relativamente rigida; tale struttura è possibile grazie all a spaziatura regolare dei residui di Gly (stanno nell’asse centrale). La tripla elica è responsabile della natura fibrosa . A seconda del tipo di collagene, la tripla elica può essere continua, o può contenere regioni che danno origine a strutture a conformazione meno ordinata. Questi elementi fungono da regioni cardine e danno maggiore flessibilità. Tripletta Gly-X-Y– X: Pro; Y: Hypro 15

La tripla elica è responsabile della natura fibrosa . 1.5 nm diametro 3 catene a si associano tra loro a formare una tripla elica destrorsa, relativamente rigida; tale struttura è possibile grazie all a spaziatura regolare dei residui di Gly (stanno nell’asse centrale). La tripla elica è responsabile della natura fibrosa . 1.5 nm diametro Almeno 28 differenti topi di collagene le tre α-chains possono essere uguali (collagen II) o diverse (collagen I) A seconda del tipo di collagene, la tripla elica può essere continua, o può contenere regioni che danno origine a conformazione meno ordinata. Questi elementi fungono da regioni cardine e danno maggiore flessibilità. 16

Sintesi e associazione del collagene

TRIPLA ELICA FIBRILLA FIBRA

Legami incrociati formati tra catene laterali di lisine modificate in una fibrilla di collagene Lisine ed idrossilisine possono essere deaminate dalla lisil ossidasi. Si producono gruppi aldeidici altamente reattivi

Negative staining of collagen fibrils gaps between collagen molecules collagen

Classificazione del collagene 1. Fibril-forming collagens No interruptions in triple helix Regular arrangement results in characteristic “D” period of 67 nm Diameter : 50-500 nm Example : Types I, II, III, V, XI

Classificazione del collagene 2. Network-forming collagens Forms network in basement (Collagen IV) and Descemet’s membrane (Collagen VIII) Molecular filtration Example : Types IV, VIII, X

Classificazione del collagene 3. Fibril-associated collagens with interrupted triple helices (FACITs) Short collagens with interruptions Linked to collagen II and carries a GAG chain Found at the surface of fibril-forming collagens Example : Types IX, XII, XIV

Classificazione del collagene 4. Anchoring collagens Provides functional integrity by connecting epithelium to stroma Example : Type VII 04/19/10

Classificazione del collagene 5. Beaded-filament-forming collagens Form structural links with cells Example : Type VI Collagen VI crosslink into tetramers that assemble into long molecular chains (microfibrils) and have beaded repeat of 105 nm 04/19/10

Tipe I Fibril assembly 04/19/10 Fibril assembly is determined by chain recognition sequence in C-propeptide Fish scale Bone osteon Tendon Chain recognition sequence Skin 04/19/10

Clinical approaches hydroxy-Pro  - poor wound healing hydroxy-Lys  cross-linking  N-term. propeptide - poor wound healing - hyperextensibility - musculo-skeletal deformities Collagen

Malattie associate al collagene Diseases caused by mutations Subtypes of osteogenesis imperfecta (collagen I) Ehlers-Danlos syndrome (collagen I and V) Alport syndrome (collagen IV) Certain arterial aneurysms (collagen III) Ullrich muscular dystrophy (collagen VI) Certain chondrodysplasias (collagen IX and XI) Kniest dysplasia (collagen II)

I DIFETTI EREDITARI DEL COLLAGENE Osteogenesi imperfetta tipo 1 Quadro clinico: Fratture frequenti alle ossa lunghe. braccia,gambe,costole Guarigione delle fratture Possibile perdita dell’udito Quadro biochimico: Molte mutazioni diverse a carico della catena 1 (I) del collagene 1 allele mutato = riduzione del 50% della sintesi di catene alfa Solo metà della quantità normale di collagene sintetizzato. L’eccesso di catene 2 viene degradato

Alterazioni a carico di singole catene di collagene alterano la formazione delle fibre normale patologico

(a1 o a2 mut) O.I. DI TIPO I E DI TIPO II a1 null a1 mut

Matrix types produced by vertebrate cells G E N I ChS, DS fibrobl. II fibronectin ChS integrin chondrocyte III HS, Hep. hepatocyte epithel IV laminin HS, Hep. laminin rec. epithel, endothel, regenerating hepatocyte V fibronectin HS, Hep. integrin resting fibrobl. VI fibronectin HS integrin resting fibrobl. Anchor Proteogly. Receptor Cells Abbr.: ChS – chondroitin sulfate; DS – dermatan sulfate; HS – heparan sulfate; Hep - heparin

FIBRE ELASTICHE

Elastina: 750 aminoacidi, 72 kDa, 33% Gly • Molti aminoacidi apolari, senza periodicità, non glicosilata – Senza HyPro e HyLys, ma con desmosina (gialla) • Sintesi come per collagene – Precursore solubile – Modificazioni posttranslazionali – Insolubilizzazione nello spazio extracellulare – Lys → desmosina ad opera di Lys ossidasi (Cu++) – Copertura con uno strato di microfibrille (fibrilline)

Molti tessuti (ad es. pelle, vasi sanguigni, polmoni) hanno bisogno di essere sia resistenti che elastici per funzionare. La resilienza è data da una rete di fibre elastiche che permette il riavvolgimento dopo uno stiramento transitorio. FIBRE ELASTICHE Comuni nei tessuti che richiedono la capacità di deformarsi ripetutamente e reversibilmente. Hanno una zona centrale amorfa che consiste di elastina, circondata da piccoli filamenti a perline, le microfibrille. La componente principale delle microfibrille è la grande glicoproteina, fibrillina.

eLASTINA Rete nella matrice, possono tenere insieme fibre di collagene. Componente principale è l’ELASTINA (proteina altamente idrofobica, ricca di Pro e Gly, non glicosilata). L’elastina è prodotta a partire da un precursore (TROPOELASTINA) solubile secreto nello spazio extracellulare . 41

L’elastina viene inizialmente sintetizzata come monomero solubile, la tropoelastina, che viene secreta dalle cellule. Dopo la secrezione, i monomeri di tropoelastina subiscono legami incrociati mediante l’azione dell’enzima lisil ossidasi. L’elastina con i legami incrociati è una proteina estremamente insolubile. Il gene umano contiene 36 esoni (27 - 165 coppie di basi). Il turnover dell’elastina è estremamente basso, con una emi-vita che si avvicina all’età dell’organismo. L’elastina è sintetizzata soprattutto durante lo sviluppo e qualsiasi elastina “danneggiata” o non viene sostituita oppure è sostituita da fibre non funzionali. Una eccessiva degradazione dell’elastina è osservata in malattie gravi, quali l’enfisema e l’aterosclerosi.

Dopo la secrezione, le molecole di elastina vengono collegate da un gran numero di legami incrociati, generando una estesa rete di fibre e strati. I legami incrociati vengono formati fra residui di lisina, mediante un meccanismo simile a quello che produce i legami incrociati nelle molecole di collagene. La proteina elastina è composta in gran parte da due tipi di segmenti corti, ciascuno codificato da un esone diverso, che si alternano lungo la catena polipeptidica: Segmenti idrofobici responsabili per le proprietà elastiche della molecola Segmenti ad -elica ricchi in lisina, che formano legami incrociati fra molecole adiacenti

elastina

AORTA Alterazioni delle gene per la fibrillina provocano la sindrome di Marfan, una malattia genetica relativamente comune che colpisce i tessuti connettivi, ricchi in fibre elastiche: negli individui colpiti in modo più serio l’aorta, la cui parete è normalmente piena di elastina, è soggetta a rompersi

Le fibre elastiche, tuttavia, non sono composte solo di elastina: la zona centrale di elastina è ricoperta da uno strato di microfibrille, ciascuna delle quali ha un diametro di circa10 nm. Microfibrille dello stesso tipo si possono trovare anche in MECs che non contengono elastina. Le microfibrile sono composte da un gran numero di glicoproteine diverse, che inclusono la glicoproteina di grandi dimensioni fibrillina che sembra essere essenziale per l’integrità delle fibre elastiche. . Si pensa che le microfibrille giochino un ruolo importante per l’assemblamento delle fibre elastiche: compaiono prima dell’elastina durante lo sviluppo embrionale e sembrano formare una impalcatura su cui viene depositata l’elastina secreta. Mentre l’elastina viene depositata, le microfibrille vengono spostate verso la periferia della fibra in crescita.

SINDROME DI WILLIAMS MICRODELEZIONI Williams syndrome is a rare genetic disorder that affects a child's growth, physical appearance, and cognitive development. People who have Williams syndrome are missing genetic material from chromosome 7, including the gene elastin. This gene's protein product gives blood vessels the stretchiness and strength required to withstand a lifetime of use. The elastin protein is made only during embryonic development and childhood, when blood vessels are formed. Because they lack the elastin protein, people with Williams Syndrome have disorders of the circulatory system and heart defects.

Williams Deletion Region

Partecipa ai processi di coagulazione e riparo delle ferite FIBRONECTINA Proteina multiadesiva: possibili molti tipi di interazioni con differenti molecole Ruolo nell’embriogenesi (controllo delle ondate migratorie e del differenziamento) Partecipa ai processi di coagulazione e riparo delle ferite DIVERSI GRADI DI SOLUBILITA’ - LA FIBRONECTINA EMATICA E’ SOLUBILE (è prodotta dal fegato e manca di EDA e EDB)

DOMINI DELLA FIBRONECTINA fibrina, eparan solfato eparan solfato integrina fibrina collagene DOMINI: 1 GENE - 1 TRASCRITTO PRIMARIO - CIRCA 20 CATENE POLIPEPTIDICHE 6 DOMINI FUNZIONALI - SEQUENZE RIPETUTE DI 3 TIPI DIFFERENTI LA SEQUENZA RGD (nel dominio tipo III) DETERMINA L’INTERAZIONE COL RECETTORE INTEGRINICO

Fibronectins RGD collagen cell heparin Dimer composed by different channels – alternative splicing RGD LA REGIONE CONTENENTE RGD E’ ESPOSTA VERSO L’ESTERNO

Figure 19-72b, c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

LA REGIONE CONTENENTE RGD E’ ESPOSTA VERSO L’ESTERNO Gly Arg Asp

GLICOSAMMINOGLICANI E PROTEOGLICANI

I GLICOSAMINOGLICANI OCCUPANO SPAZIO E FORMANO GEL IDRATATI. GLICOSAMMINOGLICANI: Sono catene polisaccaridiche non ramificate composte da unità ripetute di disaccaridi. Uno degli zuccheri è sempre uno zucchero amminico (nella maggior parte dei casi è solfato). Il secondo zucchero è di solito un acido uronico (glucuronico o iduronico) I GLICOSAMINOGLICANI OCCUPANO SPAZIO E FORMANO GEL IDRATATI. I GAG che spesso sono legati a proteine formando proteoglicani sono sintetizzati nell'apparato del Golgi dove in seguito a modifiche post-trascrizionali le unità disaccariche vengono aggiunte ai core proteici. 55

Glicosaminoglicano non legato covalentemente a proteine Acido ialuronicoN- l'acido ialuronico, non è parte di proteoglicani viene prodotto da enzimi presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica direttamente in sede extracellulare. Conferisce consistenza e resistenza soprattutto alle forze di compressione Durante lo sviluppo embrionale: regola la migrazione cellulare controllata da ialuronidasi E’ presente nel fluido articolare Interviene nella riparazione delle ferite

ACIDO IALURONICO disaccaride ripetuto Attrae cationi Res. idrofilico Sequenze ripetuta di disaccaride nell’ialuronato, un GAG relativamente semplice. Questa molecola ubiquitaria nei Vertebrati consiste di una singola ed unica catena contenente fino a 25000 zuccheri. Notarel’assenzadigruppisolfato.

PROTEOGLICANI: Sono prodotti dalla maggior parte delle cellule animali. La catena polipeptidica, o nucleo proteico, è prodotta dai ribosomi del RER e introdotta nel lume. Le catene polisaccaridiche sono assemblate su questo nucleo principalmente nell’apparato del Golgi. Qui vengono anche aggiunti gli zuccheri. Le molecole di proteoglicano nel tessuto connettivo formano una “sostanza basale” simile a gel altamente idratata in cui le proteine fibrose sono immerse. Le fibre di collagene rafforzano e aiutano ad organizzare la matrice e fibre di elastina simili a gomma le danno elasticità. Grande varietà Variabilità di composizione della componente saccaridica dei GAG Grande numero di core protein 63

Proteoglicani Complesso di una“core protein”e glicosaminoglicani GAGs sonoripetizioni di disaccaridi lineari con modificazioni dei gruppi aminici Spesso solfatati Sempre negativi Perciò, i GAGs idrofilici si respingono uno con l’altro Formano un amatrice idratata capace di assorbire fino a 1000 Volte in loro volume in acqua.

PROTEOGLICANI solfatazione Ac.uronico Acetilglucosamina Acetilgalattosamina galattosio

Proteoglycans consist of a protein core (brown) and one or more covalently attached glycosaminoglycan chains ([blue] HS; [yellow] CS/DS). Membrane proteoglycans either span the plasma membrane (type I membrane proteins) or are linked by a GPI anchor. ECM proteoglycans are usually secreted, but some proteoglycans can be proteolytically cleaved and shed from the cell surface (not shown).

After secretion, cell-surface heparan sulfate proteoglycans can be processed further. Heparanase cleaves the HS chain, liberating oligosaccharides and bound ligands. The Sulfs remove sulfate groups from subsets of 6-O-sulfated N-sulfated glucosamine units and can modulate growth factor signaling.

Table 19-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Aggrecan One complex of aggrecan: M.W. about 108 Volume 2x10-12 ml (= bacterium)

Essentials of Glycobiology Chapter 16, Figure 1 The large cartilage CS proteoglycan (aggrecan) forms an aggregate with hyaluronan and link protein Essentials of Glycobiology Second Edition FIGURE 16.1. The large cartilage CS proteoglycan (aggrecan) forms an aggregate with hyaluronan and link protein (see Chapter 15). (Redrawn, with permission of Springer Science and Business Media, from Rodén L. 1980. In The biochemistry of glycoproteins and proteoglycans [ed. W.J. Lennarz], p. 291. Plenum Press, New York.)

AGGRECANO ialaderine

AGGRECANO

Keratan sulfates contain a sulfated poly-N-acetyllactosamine chain linked to either Asn or Ser/Thr residues. The actual order of the various sulfated and nonsulfated disaccharides occurs somewhat randomly along the chain. Not shown are sialic acids that may be present at the termini of the chains and fucose residues attached to N-acetylglucosamine units.

PROTEOGLICANI INSERITI NELLA MEMBRANA

PROTEOGLICANI INSERITI NELLA MEMBRANA

Ruolo ISTRUTTIVO nella rigenerazione (giunzione neuromuscolare). LAMINE BASALI: Sottili tappeti flessibili di matrice specializzata, sottostanti ai fogli e tubi di cellule epiteliali. Funzione di separazione e filtro (glomerulo); determinano la polarità cellulare , influenzano il metabolismo. Sintetizzata in gran parte dalle cellule che si trovano su di essa; fibrille di ancoraggio composte soprattutto da collagene di tipo IV. Ruolo ISTRUTTIVO nella rigenerazione (giunzione neuromuscolare). 80

Basal lamina Cell Layers: lamina lucida lamina densa Connective tissue Layers: lamina lucida lamina densa lamina fibroreticularis Components: IV. collagen laminin perlecan entactin

LA LAMINA BASALE ENTACTINA PERLECANO LAMININA COLLAGENE TIPO IV

External Lamina BMS 6110 10 Sept 08 The basal lamina in kidney glomerulus is "shared" by two epithelia and functions to produce the primary urine ultrafiltrate. The basal lamina in lung alveoli is also shared (between alveolar lining cells and endothelial cells), but is not "exposed". External lamina surrounds muscle cells, adipocytes, and Schwann cells (peripheral nerve supporting cells) Basal lamina shared by two epithelia in the kidney glomerulus is "free" to function as a molecular filter J. Aris

Organizzazione a moduli ripetuti

Collagen IV Entactin Perlecan Laminin

Laminin each chain has more types 18 isoforms of laminin A chain B1 chain B2 chain Globular domains a-helix each chain has more types 18 isoforms of laminin diversities in tissues

LAMININA Lipidi Collagene e lipidi Collagene IV Integrine e a-elica Neuriti Eparan solfato

Laminine e proteoglicani nel tessuto muscolare Connessione con la distrofina

Laminine e proteoglicani nel tessuto muscolare Connessione con la distrofina

LAMININA E MIGRAZIONE UN CHERATINOCITA MIGRA SU LAMININA DA ESSO PRODOTTA

TETRAMERO DI COLLAGENE IV

ASSEMBLAGGIO DEL COLLAGENE IV NELLA LAMINA BASALE

Matrix metalloproteinases (MMPs) are calcium-dependent zinc-containing endopeptidases Le metalloproteinasi della matrice o MMP sono enzimi che necessitano di ioni zinco come cofattore e possono alterare le proprietà della lamina basale. Le MMP degradano localmente la matrice extracellulare permettendo alle cellule di passarvi attraverso. Questo meccanismo è importante per cellule quali i leucociti per invadere i tessuti danneggiati dai processi infiammatori. Le MMP sono anche coinvolte nei processi d'invasione patologici (metastasi tumorali). MMP2 e MMP9 ad esempio, sono coinvolte nella scissione del collagene di tipo IV e della lamina nella membrana basale; esse generano nuovi siti di legame per recettori di cellule tumorali che stimolano la migrazione.

Hormones: estrogens, glucocorticoids, The regulatory factors which impact on matrix synthesis, degradation and function are many and include 'growth factors', cytokines, hormones, vitamins, matrix metalloproteinases (MMPs) and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs). Vitamins: C, D Hormones: estrogens, glucocorticoids, Matrix Metalloproteinases MMP: zinc containing enzymes that degrade most molecules of the ECM Tissue Inhibitors of Metalloproteinases TIMP: zinc binding endopeptidases Growth Factors: TGFß promotes cellular movement through matrix, and is involved in imflammation and repair Vitamins: A list of matrix regulators might historically start with the recognition in the 18th century that Vitamin C was an essential nutrient, required for hydroxylation of proline to hydroxyproline and consequent stability of the collagen triple helix and vitamin D plays a major role in the dynamic reactions of the matrix of bone. Hormones: The effects of hormones on matrix production, stability and degradation have been applied clinically for decades for a variety of conditions ranging from estrogens for osteoporosis to glucocorticoids for inflammatory processes which often have fibrotic sequelae. Growth factors and/or cytokines may mediate some or many of these effects while others may act directly on matrix components and/or their receptors. Matrix Metalloproteinases MMP: Matrix metalloproteinases (MMP) are a family of enzymes which contain zinc at their active site and can degrade most of the matrix macromolecules found in connective tissues. The activation of some of the MMPs is linked to integrin receptors and is promoted by SPARC. MMPs are secreted by both matrix cells and infiltrating leukocytes in response to inflammaory mediators. MMPs are the major class of proteinases responsible for degradation of cartilage in rheumatoid arthritis. Tissue Inhibitors of Metalloproteinases TIMP: TIMPs are natural inhibitors of the matrix metalloproteinases, collagenases, stromelysins, and gelatinases, a group of zinc-binding endopeptidases involved in the degradation of the extracellular matrix. At least three different TIMPs have been characterized, each inhibiting all known eukaryotic metalloproteinases. TIMPs affect activation of prometalloproteinases and modulate proteolysis of extracellular matrix components. TIMPs are particularly active in development during tissue remodeling and in pathologic disorders associated with inflammatory processes and tumor metastasis. Because of the intimate relationship between solid phase matrix components and growth regulatory agents, TIMPs play an important role in matrix cell regulation. Growth Factors: TGF-beta plays a major role in matrix production and degradation . It also induces leukocyte margination and accumulation both through direct chemotaxis and by inducing cell surface integrin expression on monocytes. As a consequence, TGF-ß promotes monocyte adhesion to type IV collagen, laminin, and fibronectin, facilitating cellular movement through the matrix. In that TGF-beta also stimulates gelatinase/type IV collagenase it plays a major role in inflammation and repair. Most growth factors, directly or indirectly affect the matrix, a subject which is beyond the scope of this discussion.

a) Matrix degrading enzymes Required for a controlled degradation of components of the extracellular matrix (ECM) The proteases involved in this process are classified into serine-, cysteine-, aspartyl-, and metalloproteinase.

MMP family

Matrix metalloproteinases (MMP) 16 members, subdivided into 4 groups, based on their structural characteristics and substrate specificities Soluble and secreted groups; collagenase, gelatinase and stromelysins Membrane type (MT-MMP) group are anchored in the plasma membrane A zinc ion in the active centre of the protease is required for their catalytic activities.

Regulation of MMP MMP is controlled by an increased expression on a transcriptional level. MMPs are calcium-dependent proteases, which are synthesized as a inactive proenzymes and are activated by the cleavage of a propeptide. MMP activity is regulated by specific inhibitors, the tissue inhibitors of MMP (TIMPs). Binding TIMP to MMP is in a 1:1 stoichiometry. MMP2 and MMP9, which cleave type IV collagen the major constituent of basement membrane, are believed to be of special importance

Serine proteases Serine protease involved in ECM degradation are plasmin, plasminogen activators and cathepsin G. Plasmin is believed to be the most important serine protease, firstly because its ability to degrade several matrix components like gelatin, fibronectin or laminin, and secondly by the possible activation of numerous proforms of MMPs by propeptide cleavage. Plasmin is synthesized in its inactive proform, plasminogen, which can be converted to plasmin by plasminogen activator.

Plasminogen activator Two main types : urokinase (uPA) and tissue (tPA). uPA is bound to the surface of tumor cells by means of a specific receptor (uPAR) There are specific inhibitors (PAI-1 and PAI-2) for the PA.

Interaction between tumour cells and the surrounding connective tissue

MMP

Figure 19-75 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Attivazione delle cellule endoteliali National Cancer Institute Understanding Cancer and Related Topics Understanding Angiogenesis Attivazione delle cellule endoteliali MMPs secrete che digeriscono la matrice circostante Cellule endoteliali migrano e si dividono Matrice Cellule endoteliali attivate L'attivazione delle cellule endoteliali da parte di bFGF o VEGF mette in moto una serie di meccanismi verso la creazione di nuovi vasi sanguigni. In primo luogo, le cellule endoteliali attivate producono metalloproteinasi della matrice (MMP). Questi enzimi sono rilasciati dalle cellule endoteliali nel tessuto circostante. La MMP degradano il materiale di supporto della matrice extracellulare - che riempie gli spazi tra le cellule. La rimozione di questa matrice permette la migrazione delle cellule endoteliali. Mentre la migrazione nei tessuti circostanti, attiva cellule endoteliali che cominciano a dividersi. Presto si organizzano in tubi cavi che si evolvono gradualmente in una rete di vasi sanguigni maturi NCI Web site: http://cancer.gov/cancertopics/understandingcancer

TIMPs Tissue inhibitor of metalloproteinases