一、胶原的分类  

      目前在脊椎动物中发现了二十余种不同类型的胶原，同时至少有10种蛋白含有与胶原类似的三螺旋结构域(triple-helical domain)，如乙酰胆碱酯酶和Clq，但是它们并不属于胶原家族。胶原家族可以分为7个亚类(表16一1)。

      1.纤维形成胶原(fibril-forming collagens)   

      它们参与构成纤维。胶原纤维在电镜下结构类似，都有特征性的横纹(cross-striated)结构，分子末端在纤维表面之间形成间隙，只是在直径和长度上有所不同。I、II和III型胶原是体内最丰富的胶原纤维蛋白。胶原纤维占人体皮肤、韧带和脱钙骨干重的60%～90%。   

      I型胶原存在于大多数的组织中，包括肺脏、牙本质和眼睛的巩膜。另外，它还是成熟瘢痕组织的主要成分。  

      II型胶原约占软骨干重的一半以上，还存在于眼睛的玻璃体内。在胚胎发育过程中，除软骨以外，许多组织都有II型胶原短暂出现。   

      III型胶原主要分布在大血管壁、肾脏、肝脏和淋巴结，在大多数含有I型胶原纤维的组织中也含有少量III型胶原，但是在骨骼中没有。III型胶原在皮肤中占有很大的比例，主要以部分剪接的、仍然保留N末端的III型胶原前体形式存在。这种部分剪接过的前体，命名为III型pN胶原，与I型胶原纤维相结合，限制后者的侧向生长。

      V型胶原纤维，含量略少，主要分布在滑膜组织、肺脏、皮肤和其他一些组织中。XI型胶原也是一种纤维形成胶原，均匀分布在关节软骨中，大约占胶原总量的5%。V型胶原和XI型胶原构成的纤维与I、II和III型胶原构成的纤维在结构上类似，但是对它们研究还不够清楚。近来的研究表明，无论在人还是小鼠，V /XI型胶原不同链的基因突变对纤维的直径有轻度影响，并且影响基质中胶原纤维的构成。

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      2.网架结构形成胶原(network-forming collagens)  

      IV型胶原是一个典型例子，它是所有膜类的主要构成成分。蛋白的单体彼此通过分子两端的球形延伸相互连接，形成大的类似铁丝网样结构。这种网架结构由IV型胶原作为支架与层粘连蛋白、巢蛋白以及大的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等其他的膜成分结合。这种修饰后的网架结构能形成重要的液体与固体屏障，还是细胞粘附与运动的重要平面。  

      VIII型与X型胶原是两种重要的网架结构形成胶原，与IV型胶原的结构不同，但是彼此之间很相似。VIII型胶原αl、α2链与X型胶原的αl链都含有一种大小相差不多的序列，类似位置上的Gly-X-Y序列形成8个不完整区域。在角膜内皮细胞与基质之间的角膜后界层，含有由VIII型胶原构成的六边形网架束。X型胶原是最特殊的胶原之一，主要由肥大型软骨细胞在深层的软骨钙化区合成。X型胶原的组装形式与角膜后界层中VIII型胶原的网架结构类似。

      3.FACIT胶原(fibril associated collagen interrupted triple helices, FACIT)

      即间断性三螺旋原纤维缔合性胶原，包括IX、XII、XIV、XVI与XIX型胶原，虽然本身并不形成纤维，但是却与其他纤维胶原表面结合。这些胶原的结构特点是具有较短的三螺旋结构域，中间为非胶原短序列间隔排列。IX型胶原分子含有 3个三螺旋结构域与4个非胶原结构域，与II型胶原纤维的表面以共价键形式反方向结合。IX型胶原的特征是侧链的糖胺聚糖与α2(IX)链的第三非胶原结构域以共价键结合。   

       4.珠状纤维形成胶原(beaded filament-forming collagen)  

      即VI型胶原，形成特殊结构，参与结缔组织的构成。VI型胶原的3个不同形式的α链都含有一个短的三螺旋结构域，一个大的N末端和球形C末端结构域。   

      5.锚定纤维胶原(collagen of anchoring fibrils)

      即VII型胶原，主要在皮肤下层，连接基底膜与IV胶原和层粘连蛋白。VII型胶原的三螺旋结构域较其他类型的胶原长，蛋白首先在C末端的球形结构域处形成一个小的折叠，组成一个反方向二聚体，二聚体之间侧向相连构成锚定纤维。  

      6.带有跨膜结构域胶原(collagens with atransmembrane domain)   

      两种最近发现的胶原:XIII型胶原和XVII型胶原，二者都含有一个跨膜区，不能分泌到细胞外基质中，因此被命名为带有跨膜结构域的胶原。许多组织中都存在XIII型胶原。而XVII型胶原主要分布在皮肤的半桥粒(hemidesmosomes)中，并且作为一种自身免疫病——类天疤疮中的自身抗原。这两种胶原在结构上并不同源，但都含有一个跨膜区，N末端在胞浆中，其他部分在细胞外。

      7.第七类胶原  

      包括XV和XVIII型胶原，是两种最新发现的胶原，单独分为一类。它们具有大的球形N末端，一个高度间断的三螺旋结构和一个大的球形C末端。两种胶原都含有一些与丝氨酸连接的糖胺聚糖以及与天冬酰胺连接的寡糖的结合位点，说明两种胶原分子被广泛糖基化。XVIII型胶原 C末端的一个20kD片段与抗血管形成因子内皮他丁相同。XV与XVIII型胶原存在于许多组织中，而XVIII型胶原在肝脏中的表达水平较高。

二、胶原纤维的结构   

      胶原纤维由四片层结构排列(quarter-stagger array)的紧密包裹的蛋白单聚体构成。I型胶原主要包括两个相同的多肽链αl链和一条略微不同的α2链。II型胶原是由三个相同的αl (II)链构成的同型三聚体。III型胶原也是由三个相同αl (III)链成分构成的同型三聚体。纤维胶原的每一条α链的结构都是高度保守的。每条链约由1000个氨基酸组成，每三个氨基酸就含有一个甘氨酸，因此每一条链的结构式都可以表示为(Gly-X-Y) 333 , X位置通常是一个脯氨酸，而Y位置通常为羟脯氨酸(hydroxyproline)。羟脯氨酸在胶原中常见，但是在其他蛋白中少见。胶原的三螺旋结构(the triple helix)具有一个重要特点，甘氨酸残基被三螺旋结构紧密包裹在中心，而这个部位仅能容下一个甘氨酸残基——最小的氨基酸(如图16一1所示)。因为脯氨酸和羟脯氨酸是饱和环状氨基酸(saturated ring amino acids)，这使得α链能够保持伸展构象来稳定三螺旋结构。每一条α链上的X和Y位置上含有成簇的带电荷的亲水残基。这些成簇的亲水残基和三螺旋结构表面带电荷的氨基酸彼此间直接结合，从而使胶原纤维形成紧密相连的四片层结构。每条纤维胶原α链的N,C末端都包括一段25个氨基酸的短序列，虽然不参与形成三螺旋结构，但是在将蛋白装配成纤维过程中发挥重要作用。具体如何发挥作用目前尚不确定。随着多肽分析领域方法学的进展，近来已经可以直接合成一小段具有三螺旋结构的胶原，或者通过将三螺旋结构中心的甘氨酸替代为亮氨酸制备稳定的三螺旋结构多肽，后者可以形成结晶，并且可以应用分辨率达1.9Å的X线晶体衍射分析三螺旋的结构，这使我们可以深入研究人类遗传性疾病中已知的胶原基因突变对胶原三螺旋结构和稳定性的影响。

      

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      所有的胶原至少都具有一个像纤维胶原一样的三螺旋结构域。在非纤维形成胶原中，Gly-X-Y结构之间经常插入一些其他的氨基酸短序列，这使得蛋白分子具有更多铰链区。例如，IV型胶原在其大的三螺旋结构区具有许多的氨基酸短序列，对于其组装成铁丝网样结构或者与其他基底膜相连十分关键。IX型胶原的一个铰链区就是它与粘多糖连接的部位。

三、胶原基因的结构   

      不同胶原α链基因的染色体定位见表16一2。胶原的基因结构极具特点。主要胶原的基因(I、II、III)都含有52到54个外显子，编码胶原蛋白的三螺旋结构域。最常见的外显子有54bp，一些外显子含有108个碱基(54×2),一些外显子有162个碱基(54×3)。还有一些外显子在54bp框架内存在一些变异，因为它们含有99bp(54 + 45bp)。但是，I型胶原的两段基因 (COLlA1 和 COLIA2 )，II型胶原(COL2A1)基因与III型胶原(COL3A1)基因的一些特殊外显子大小是相同的(图16一2)。另外，兔和鸡等不同种属的动物与人类在某些相同的外显子上大小相同。纤维胶原基因结构中54bp基因元件(motif )的存在提示胶原基因可能通过复制54bp的外显子序列而产生，或者胶原基因以54bp元件为单位进行基因复制。

在非纤维胶原的基因结构中也存在这种54bp基因元件，但是这些胶原基因的外显子结构不尽相同，许多外显子是从编码甘氨酸的第二个碱基开始，而不像纤维胶原的外显子那样从一个完整的甘氨酸密码启始。

      

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四、胶原的基因调控   

      为了研究胶原的基因调控(gene regulation)机制，许多实验通过将启动子序列转染进入体外培养的细胞，或者建立转基因小鼠，检测不同细胞类型中启动子序列的表达，但是目前仍然还不是十分清楚胶原表达的具体基因调控机制。很多证据表明，当同一种胶原基因在不同细胞中都有表达时，往往需要启动子的不同位点和相应的转录因子参与调节。例如，近来研究表明，I型胶原优先在皮肤中的表达需要c-Krox因子参与。但是，另外一些构建结果表明，I型胶原在所有组织的表达只需要上游很短的一段序列。尽管目前对胶原的基因调控的研究还缺少实质性进展，但是有利于阐明TGF-β如何在转录水平促进胶原的合成，揭示在组织纤维化过程中，胶原基因调控失调的发生机制。

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五、胶原的生物合成  

      胶原的生物合成包括许多转录后的处理过程。  

      主要的纤维胶原(I、II、III)首先组装成大的前胶原的前体，具有N和C末端，而其他非纤维形成胶原没有N和 C末端。前胶原的N末端信号肽首先与粗面内质网池中的核糖体直接连接，三种前α链的序列从这里开始合成。当前α链进入内质网池中时，信号肽被切割掉，前α链经过一系列的羟基化和糖基化。Y位置上将近100个脯氨酸残基最后羟基化为4-羟脯氨酸，而近 10个赖氨酸基团羟基化为轻赖氨酸。一些羟赖氨酸残基以后被葡萄糖或者半乳糖修饰为ε- 羟赖基团。脯氨酸和赖氨酸的羟基化需要维生素C的参与，这可能是坏血病患者伤口很难愈合的原因。两个羟基化过程中，脯氨酸羟基化为羟脯氨酸更为关键，因为除非每一个α链含有至少 100个羟脯氨酸残基，否则在正常的人体内很难形成稳定的三螺旋结构。除了对脯氨酸和赖氨酸的修饰以外，每条α链的C末端加人了富含甘露糖的糖基。在这些前α链的修饰后，三条α链的通过球形C末端多肽相互接近并以二硫键连接。在三条链获得足够数量的羟脯氨酸后，就会在α链 C末端附近形成三螺旋核心。三螺旋构象从分子的 C末端逐渐向N末端延伸形成。   

      前胶原分子折叠形成三螺旋结构过程与转录后修饰引人羟脯氨酸、羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸(glycosylated hydroxylysine)的过程密切相关。两种羟化酶和糖基转移酶参与转录后的修饰，并且仅能修饰随机卷曲的前α链和α链。一旦蛋白卷曲形成三螺旋结构，该酶不再与前α链发生作用，因为当大多数Y位置的脯氨酸残基羟基化以后，蛋白酶不能进入三螺旋结构。在多数纤维胶原中羟脯氨酸的含量基本相同。但是，羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸的含量取决于一些不易调控的因素，如前α链底物、酶和粗面内质网中辅酶因子的相对浓度等。这可能解释了胚胎组织中羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸的含量高于成人组织的原因。糖基化羟赖氨酸的含量影响胶原的生物学功能，因为糖基化羟赖氨酸残基在三螺旋结构表面排列，防止分子外侧排列的基团进入纤维内部。糖基化羟赖氨酸数量的增加将使纤维的直径减小。在某些情况下，前α链折叠成三螺旋结构的延迟将导致羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸的含量增加。因此，许多引起前α链氨基酸序列改变的基因突变，导致前胶原和胶原中的羟基化赖氨酸和糖基化轻赖氨酸的含量增加。   

      前胶原折叠成三螺旋构象也与它能否从细胞中分泌有关。在正常情况下，只有正常折叠的胶原才能从细胞中分泌。在维生素C缺乏的情况下，脯氨酸残基的羟基化比率(蛋白折叠率)将下降。这样，非螺旋形式的前α链在粗面内质网中积聚，并导致螺旋形式的前胶原分子含量下降。用脯氨酸羟化酶抑制剂或者造成前α链的基因突变将导致非螺旋形式前 α链折叠延迟，并聚积在粗面内质网中。  

      一旦蛋白折叠(fold)成三螺旋构象(triple helical conformation)，它会从粗面内质网(rough endoplasmic reiculum)转运到高尔基体(Golgi vesicles)，然后分泌至细胞外。蛋白进一步在胞外被一种特殊的前胶原N-端蛋白酶水解，切除N末端，另外一种 C末端蛋白酶切除 C末端(图16-3)。前胶原肽经过切割以后，蛋白的溶解性降低约1000倍，37℃时小于lμg/ml，这样它可以自行组装成纤维。开始组装的纤维与胶原纤维的形态相似，但是还没有获得最佳的张力。一些赖氨酸残基和糖基化羟赖氨酸残基被赖氨酸氧化酶酶解以后生成醛，分布在胶原分子的表面，醛类使分子表面的相邻的残基间自行形成共价键交联。这种交联形成稳定了纤维结构，并因此获得如钢丝般的张力。

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      关于前胶原C蛋白酶的两项研究揭示了胶原合成过程的一些特点。前胶原 C蛋白酶(procollagen C-proteinase)可以将赖氨酸氧化酶从非活化的前体形式激活为活性酶形式。因此，它在胶原和弹性蛋白合成过程中，对于新组装的纤维通过共价交联(covalent cross-links)增加纤维的张力是必需的。另外，C蛋白酶是骨形态发生蛋白-1 (bone morphogenic protein 1,BMP-1)同一基因的产物，BMP-1在结构上与BMP家族非常相似，BMP家族在果蝇、水蜓、蟾赊、鱼类和哺乳动物等发育过程中发挥重要作用。在胚胎背腹的发育过程中，C蛋白酶/BMP-1/tolloid的同工酶水解含有抑制蛋白(chordin/sog)的复合体并释放 dppBMP-2/BMP-4的活性形式。因此，这种酶在胚胎发育过程，通过参与胶原纤维的组装决定大多数复杂有机体的大小、形状和力量，从而发挥重要作用。   

      非纤维性胶原的生物合成与纤维胶原类似，但还没有研究清楚。许多非纤维胶原具有球形末端，还不能证明这些蛋白的球形末端像纤维胶原的球形末端一样被水解。事实上，这些球形末端不但没有被水解，而且参与了基质结构的组装。

六、代谢转换

      成人组织中的胶原是具有高度稳定性的结构。但是，在胚胎发育过程中，当组织需要改变其形状并且增加大小时，胶原纤维发生很大程度的降解和重新合成。胶原的代谢转化发生在机体的整个生长过程中。在机体成熟以后，许多组织中的胶原纤维在代谢上趋向稳定，其半衰期可以达到数个星期或者数月。但是对骨来说，在整个生命周期中胶原仍然通过不断的降解和合成，参与骨的改建。此外，在营养不良或者饥饿的情况下，皮肤和其他结缔组织会丧失大量的胶原。  

      因此，在许多组织中，胶原是糖异生(glyconeogenesis)过程中氨基酸的主要补充来源。结缔组织疾病会导致胶原转换增加。例如，在畸形性骨炎(Paget's病)、甲状旁腺功能亢进和其他代谢性疾病中，骨胶原的代谢转换明显增加。胶原转换的增加将导致尿中胶原不完全降解的产物-肽结合的羟脯氨酸和羟赖氨酸含量增加。因此，尿中羟脯氨酸和羟赖氨酸的含量被作为反应胶原转换的指标。血清中前胶原肽成分的免疫分析用于反应胶原的生物合成。III型前胶原N末端肽的血清学检测和IV型胶原的7S片段检测被用于肝硬化的分析。  

      组织中胶原是由一种或者几种特殊的胶原酶降解。胶原酶在靠近N末端或者C末端3/4处水解。产生的3/4和1/4片段部分解旋，这样可以由非特异性蛋白酶例如明胶酶或者基质酶来进一步降解。除了胞外胶原纤维的降解以外，细胞中一些新合成的前α链在组装成功能性的前胶原或者胶原分子时已经被降解。细胞内新合成胶原链的降解可能是纠正胶原生物合成过程中组装错误的校正机制。

七、胶原生物合成中的成核作用  

      胶原合成过程中的一个显著特点是成核作用(nucleated growth)，即一些分子先组装成一个核心结构，在核心结构的基础上，按照一定的顺序快速附加成千上万种同类分子。这种成核作用在许多无机物质的晶体合成过程中存在，例如雪花形成过程。在胶原的生物合成过程中，前胶原的C末端形成三螺旋核心后通过成核作用，快速延伸至N端。此外，在纤维组装过程中也存在成核作用。几个蛋白分子首先形成纤维的核心，然后快速而有序地附加上其他胶原分子。   

      成核作用是组装精确结构大分子的有效机制，但是，这需要该体系内所有的分子或者亚基具有相同的结构。正如无机晶体形成一样，一些结构缺陷的分子使核心无法延伸，从而影响整个系统。因为胶原的生物合成普遍采用成核机制，所以如果发生基因突变，影响了蛋白的氨基酸序列，胶原的合成将受到严重影响。当甘氨酸密码子发生点突变后成为大块边缘残基时，将阻止三螺旋结构的进一步延伸，不能形成具有功能的胶原蛋白。一条前α链出现单个甘氨酸被替代时，将影响蛋白的折叠并引起异常的α链的降解，同时会导致两条正常前α链的降解，这个过程被称作前胶原的自杀行为(procollagen suicide)。但是，令人奇怪的是，在电镜观察和研究中发现，某些位点甘氨酸残基发生突变被大残基的氨基酸取代时，对蛋白的折叠影响很小，而只有蛋白构象发生轻微改变，电镜下发现三螺旋结构中存在一个多变化的“扭结”(kink)。分子中扭结结构的出现可能严重影响蛋白的组装，产生高度变形纤维，明显影响了纤维组装过程中胶原的含量。

八、胶原基因的突变与人类疾病

      胶原基因的突变可以产生许多疾病，如表16一3所示。在遗传性疾病成骨不全中，首先发现胶原基因发生突变，该病表现为骨脆性升高，并且经常引起其他富含胶原的组织改变。90%以上的患者表现为I型胶原前 αl链或者前α2链的基因突变。到目前为止，尚未发现本病是由其他基因突变引起。轻型成骨不全主要由于突变导致I型胶原前αl链合成减少;而重型成骨不全则是由突变引起 I型前胶原的前αl链和前α2链合成异常，且仅发挥部分功能。其他疾病的患者和家族很少发生同样突变，目前已经发现I型胶原基因约存在150种基因突变类型，如表16一4所示。

     

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      I型胶原前αl和前α2链的基因突变会对胶原结构产生巨大影响，可通过胶原生物合成中的成核作用原理来解释。事实上，许多甘氨酸发生点突变成为较大的氨基酸残基。关键位置上的甘氨酸发生点突变将会产生前胶原自杀效应。但是，当相邻位置上的甘氨酸被取代时，可能对三螺旋结构的影响较小，而主要影响胶原纤维的组装。而且，甘氨酸密码转换的影响具有位点特异性，一些位点的甘氨酸被取代后会产生严重的成骨不全，使胎儿在宫腔内死亡或者出生后不久死亡。这一结果表明，α链的一些区域较其他区域对三螺旋结构的形成更为重要。还有一些区域对胶原分子在组织如骨中的功能发挥十分重要，而另外一些区域对胶原在其他组织中的功能产生影响。这一总的原则可能说明了为什么一些中、重度成骨不全的患者不但骨脆性增加，而且其他组织中的胶原也减少，如蓝色巩膜，严重的牙本质发生不良，皮肤超薄，而其他骨脆性的患者却有正常的巩膜、牙齿和皮肤。   

      I型前胶原基因发生的大量突变引起成骨不全，促进了对其他遗传性结缔组织疾病检测胶原基因可能发生的突变的研究工作。表 16一5中列举了4种不同的胶原基因发生基因突变产生的软骨表型，其中II型胶原突变引起许多类型的软骨发育不全。突变通常发生在II型胶原的三螺旋结构内，因而引起前胶原自杀效应，或者同I型胶原一样，在装配人纤维后发挥显隐性(dominant-negative effect)作用。因为从II型胶原发生突变的患者中很难取得软骨，即便获得软骨，也很难在体外培养存活，所以目前尚不清楚II型胶原基因突变会对软骨的分子构成和超微结构产生怎样的影响。目前，已经发现II型胶原存在40种突变类型，但是同I型胶原一样，很难将突变位点和类型与临床表型的严重性联系起来。Stickler和Wagner综合征中，经常有眼部受累，伴随视网膜剥离，这组病人往往由于COL2A1基因终止密码子提前出现，导致在杂和体中仅含有一半正常的II型胶原。

      

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      III型前胶原(COL3A1)的基因突变可以引起最严重类型的Ehlers-Danlos综合征IV型)，该病主要表现在富III型胶原的组织，如皮肤变薄、瘢痕化，大动脉或者整个脏器的破裂。IV型胶原 4个基因发生的突变 (COL4A3,COL4A4, COL4A5和COL4A6)都可以引起Alport综合征，该病是以血尿、肾炎伴耳聋为特点的遗传性疾病。V型胶原基因的改变( COL5A1和 COL5A2)引起 I型和 II型Ehlers-Danlos综合征伴以皮肤过度牵张和关节松弛。VI型胶原的3个基因 (COL6A1,COL6A2和COL6A3)的点突变将导致早发型肌病和关节挛缩(Bethlem肌病)。VII型胶原(COL7Al )基因突变可能引起萎缩型大疱表皮松懈，在皮肤的基底膜以下形成水疱，该病与VII型胶原形成的锚定纤维的减少有关。XVII型胶原发生的突变引起变异型大疙表皮松懈，该病引起组织半桥粒的分离。

      此外，胶原基因的突变也可引发一些常见疾病。如I型胶原甘氨酸残基发生两种类型的错义突变可以引起绝经后骨质疏松和幼年型骨质疏松症，后者与成骨不全(osteogenesis imperfecta , OI)的表型部分重叠。I型胶原的αl链基因的多态性可能与骨密度减低和骨质疏松性骨折有关，但是目前的研究尚无定论。III型前胶原的甘氨酸转换突变(substitution)后可以后引起家族性主动脉瘤，而不具IV型Ehlers-Danlos综合征或者马方综合征的典型特点。研究表明，II型前胶原的基因突变是引起两个芬兰的家族型骨关节炎的主要原因。此外，一个家族中的研究发现，精氨酸转变为半胱氨酸可导致骨关节炎的轻型软骨发育不良。另外4个家族中也发生同一突变并引起同样表型。同一个等位基因可出现几个罕见的多态性，另一研究表明3个家族可能是同一冰岛发现者的后裔，而且3个家族中都发生II型胶原类似的基因突变将编码Arg75的密码子转换为Cys密码子。在Ix型胶原的α2链上基因突变将会导致显性遗传形式的椎间盘病变。在IX型胶原α3链上的类似突变可引起同一表型，并且危险性增加2.6倍。