什么是ECM？它与胶原蛋白有什么关系？
ECM是ExtracellularMatrix的英文简称，中文翻译为细胞外基质。它与细胞共同组成人体的组织和器官。细胞是生命活动的基本单位，细胞外基质则是细胞生存的微环境，它是一个由各种蛋白和多糖组成的复杂三维网络结构，为组织和器官提供稳定的信号传送和结构支持。胶原蛋白的英文名是Collagen，源于希腊文，意思是“生成胶的产物”。年牛津大词典给Collagen的定义是“结缔组织的组成成分，煮沸时产生胶质”。年Gross首先命名构建胶原纤维的蛋白质单体为原胶原蛋白（Tropocollagen）。年Miller和Matukas发现了II型胶原蛋白，此后共有29种不同类型的胶原蛋白被逐渐发现。胶原蛋白分布在人体不同的组织器官（皮肤、血管、肌腱、筋膜等）并发挥多种重要的生物学功能，全方位参与人体组织器官的修复和再生（图1）。虽然不同的组织与器官中细胞外基质的组成不同，但胶原蛋白（Collagen）都是其中最主要的成分，约占细胞总蛋白的1/4、体内蛋白质重量的0%左右，相当于体重的6%。在真皮组织和脂肪组织的细胞外基质中，约60%是由胶原蛋白（I型、III型、IV型、VII型）组成，在韧带组织的细胞外基质中，约80%是I型胶原蛋白。因为细胞外基质中的主要成分是胶原蛋白，因此细胞外基质又被叫作ECM复合胶原蛋白。
ECM中胶原蛋白有什么特点？
——全序列全结构
全序列与全结构非常重要，因为这是评判真假胶原的关键。胶原蛋白的科学定义是：“细胞外基质（ECM）的结构蛋白质，至少有一个结构域具有完整氨基酸序列的α肽链组成的三螺旋结构”。所以，具备全胶原氨基酸序列（全序列）、完整三螺旋结构（全结构）的才是真胶原，才是真正的ECM。那么，什么是全序列和全结构呢？让我们回归到生物进化的角度。低等的细菌生物，没有细胞壁，不能自主构建生存环境，只能寄生在宿主身上。高等的多细胞动物才会构建自己的生存环境。在哺乳动物的组织细胞中，胶原α链编码基因按照真核基因表达过程形成一条包含全胶原序列（α1链为个氨基酸残基）的多肽链，成为前胶原蛋白（Procollagen），分泌到细胞外的前胶原蛋白在内切酶的作用下水解为N端和C端的附加肽链，形成原胶原蛋白（图2）。全胶原氨基酸序列的前胶原蛋白所形成的原胶原蛋白是ECM胶原蛋白的基本结构单位，也是ECM胶原蛋白的典型特征之一，以支持胶原蛋白发挥完整的生物学功能。
用生活中常见的例子来讲，人体所有胶原蛋白种类可以看作是一副麻将，正常胡牌的时候，会有万子牌、筒子牌、条子牌等等不同牌面。如果只是截取单一的一万来进行复制，得到十三张一万的牌，表面看似是完整，但组成成分是缺失的，不能胡牌。只有同时拥有“筒子”、“万子”等的胶原蛋白才能胡牌，才能称之为全序列。
除了具备全胶原序列，ECM胶原蛋白的另一典型特征是具备完整的三螺旋结构。一般的蛋白质是双螺旋结构，而ECM胶原蛋白是由条α多肽链盘绕而成的特殊三螺旋结构。原胶原蛋白是胶原蛋白的基本结构单位，α链是构成原胶原蛋白的基本亚单位，每条α链由氨基酸组成规律的Gly-X-Y三肽重复顺序，Gly为甘氨酸，X和Y可以是任何一种氨基酸，X常为脯氨酸（Pro），Y常为羟脯氨酸（Hypro）或羟赖氨酸（Hylys）。三条α肽链借范德化力、氢键及共价交以平行、右手螺旋形式缠绕成“草绳状”三螺旋结构（图）。
三螺旋可以保证胶原蛋白的稳定性。当脯氨酸被掺入到Gly-X-Y序列的Y位置时，它被翻译后修饰为羟脯氨酸。羟脯氨酸可以与水形成良好的相互作用，从而稳定三螺旋，因为Y残基在三螺旋结构中是溶剂可及的。各个螺旋也通过在α链之间形成的广泛的酰胺-酰胺氢键网络保持在一起。三螺旋的形成不仅保护了螺旋内部的关键甘氨酸残基，而且还保护了整个蛋白质免受蛋白水解作用。此外，三螺旋结构通过提供极大的抗拉应力，为胶原蛋白提供强度和稳定性。胶原蛋白的刚性是可以承受大多数机械应力的重要因素，众多胶原蛋白大分子相互交织形成胶原蛋白纤维，使其成为大分子转运和整个身体整体结构支持的理想蛋白质（图4）。
通俗的来理解，我们生活中的一块石砖，孤零零地躺在地上，没有结构没有美感，同时也不能发挥很大作用。可是当它按照不同的结构，一块一块垒起，变成房屋、变成高楼等建筑物，就可以帮人们抵御风寒，坚不可摧。因此，ECM中的胶原蛋白的特征是具备全胶原氨基酸序列（全序列）、完整三螺旋结构（全结构），而一切只有一级结构、或者只有部分胶原片段的胶原蛋白都是偷换概念。全序列、全结构的胶原蛋白分子量应该≥10KDa，构成胶原蛋白单条α1肽链的分子量在10KDa左右。由于技术限制，很多重组胶原只能完成胶原序列片段的重复串联，其分子量大多在20kDa-kDa之间，无法形成折叠盘绕的三螺旋结构。比如以原核细胞为表达载体的胶原蛋白缺乏蛋白翻译后修饰羟基化和糖基化功能，胶原蛋白的完整结构和功能难以复制，且会引入内毒素、细菌和质粒DNA等有害杂质；而以巴氏毕赤酵母等真核细胞发酵重组的胶原蛋白片段具备了一些翻译后修饰功能，但是容易过度糖基化，同样无法完整发挥胶原蛋白的生物学功能。简单地说，穿不上身的毛球和线头，你就是再多，也不能叫衣服嘛！
全序列全结构才是真胶原，真胶原才能真再生
全序列、全结构是ECM胶原蛋白发挥生物学功能的基础。ECM胶原蛋白促进成纤维细胞的迁移与增殖，提高成纤维细胞的活性。成纤维细胞可以分泌多种胶原蛋白和糖蛋白，同时参与到软组织修复与再生的过程中，成纤维细胞的活性和迁移速度会极大地影响软组织的健康状态与再生速度。研究者将全序列、全结构ECM胶原蛋白与重组胶原蛋白片段对成纤维细胞的影响做了对比，发现相比于较小分子量的重组胶原蛋白片段，ECM胶原蛋白更有效地提高了成纤维细胞的活性，促进了成纤维细胞的迁移和增殖（图5）。
ECM胶原蛋白促进软组织皮肤的修复与再生，抑制瘢痕组织的生成。研究者通过在手术切口时增加额外的张力制造瘢痕模型，并同时每天涂抹全序列、全结构的ECM胶原蛋白进行瘢痕的预防。7天后显示ECM胶原蛋白能够有效抑制皮肤愈合过程中的瘢痕形成，有效地促进了创面修复与组织再生，不但提高了创面愈合的速度，还提高了软组织再生的质量。
进一步的组织学HE染色显示，在皮肤高张力的瘢痕模型创面有大量的炎症细胞侵入和堆积，上皮增厚凹陷不平整。而ECM胶原蛋白治疗后可以看到上皮完全覆盖了创面，并且真皮层胶原改建成和正常皮肤胶原排列方向一模一样，完全重现了完整、正常的皮肤结构（图7）。
参考文献：[1]BchingerH,MizunoK,VrankaJ,etal.CollagenFormationandStructure[J].ComprehensiveNaturalProductsII,,5:-50.[2]成军.现代细胞外基质分子生物学[M].科学出版社,.[]宋今丹,李丰,杨恬.医学细胞生物学[M].人民卫生出版社,.[4]Bella,J,Eaton,M,Brodsky,B,andBerman,M.Crystalandmolecularstructureofacollagen-likepeptideat1.9A?resolution.Science[J].,,75-81.[5]BhattacharjeeA,BansalM,Collagenstructure:theMadrastriplehelixandthecurrentscenario[J].IUBMBLife,,57:-72.[6]BarbaraBandAntonV.Molecularstructureofthecollagentriplehelix[J].Advancesinproteinchemistry[J].70,,70:01-9.