重组XVII型胶原蛋白白皮书2023.pdf

重组XVII型胶原蛋白白皮书胶原蛋白广泛存在于人体组织中,对维持组织结构和功能非常重要。其中XVII型胶原蛋白是连接细胞骨架和基底膜的关键成分,可维持皮肤完整性。近年来研究表明XVII型胶原蛋白不仅与皮肤疾病有关，还是调控多种干细胞的关键因子，与衰老表型如脱发、白发等有关；在皮肤创伤修复过程中，XVII型胶原蛋白通过影响干细胞的迁移、增殖和分化来发挥重要作用。随着合成生物学技术的发展，可以获得重组XVII型胶原蛋白，作为新型治疗用蛋白质和抗衰老原料，在皮肤修复、抗老化等领域展现出巨大的应用潜力。本白皮书从XVII型胶原蛋白的结构特点入手，介绍其氨基酸序列、三维结构、以及与其他蛋白质的相互作用。同时系统阐述了它与自身免疫性皮肤病、癌症的关系，以及在皮肤衰老、脱发、白发、创伤修复中的关键调节作用，并以重组XVII型胶原蛋白的设计与合成生产为例，阐述了利用合成生物学重组技术获得重组XVII型胶原蛋白的特点与优势，对其生物学活性进行了详细的评价，展望重组XVII型胶原蛋白的潜在应用价值。我们希望，本白皮书可以帮助读者更好地理解XVII型胶原蛋白的重要性和应用潜力，能为重组XVII型胶原蛋白的研究和应用提供有价值的参考，并为相关领域的研究人员和从业人员提供启示。编写顾问（以姓氏拼音首字母排序）赖维，李远宏，刘玮，马彦云，杨建中编写委员会江苏创健医疗科技股份有限公司（以姓氏拼音首字母排序）：储筠，邓汉卿，付生伟，凡孝菊，胡淑娴，纪白慧，李海航，李佳佳，潘立旭，石叶飞，王丽萍，翟源心弗若斯特沙利文（北京）咨询有限公司：毛化，李谦，汪鹏，王思懿联合发布单位江苏创健医疗科技股份有限公司弗若斯特沙利文（北京）咨询有限公司引言随着人民日益增长的对美好生活的需要，国内医疗美容以及功效性护肤市场正处于高速增长阶段，消费者对医疗美容及皮肤护理知识的需求日益增加，对生物医药领域的新材料及创新产品的需求同样也日益增多。在全球领先的合成生物学产业智造平台下，重组XVII型胶原蛋白这一调控多种干细胞的关键因子，由创健医疗在全球范围内首次自主研发成功，并实现了规模化生产，这将作为新型治疗用蛋白质和抗衰老原料，在皮肤修复、抗老化等领域展现出巨大的应用潜力。基于创健医疗的社会责任感、卓越的研发实力以及强大的专家资源，本白皮书希望可以帮助读者更好的理解XVII型胶原蛋白的重要性及应用潜力，并为相关领域研究人员提供其实和灵感，共同推动中国皮肤医学事业发展，共同打造中国皮肤医学美容新天地。贝泰妮集团副总裁 王飞飞“二十一世纪是生命科学的世纪“，这个提法，近5年来在合成生物学的基础研究进展及其产业化应用领域的迅猛发展方面，得到了淋漓尽致的体现。这说明，基于人类强大应用需求驱动的基础研究和应用研究领域，最容易实现原创性的科学发现和产业化应用突破。合成生物学可以通过基因工程技术，设计和构建新的生物合成途径，并通过高效的过程优化，以前人无法想象的模式，快速和高效地量产出高安全性、多功能性和质量稳定的新型天然生物材料。这类新材料的来源，从化学分子层面和生物基因维度都是高度可控的，新材料本身的生物活性及其功能的作用科学机制清晰、生物兼容性好，为产业下游的生物医疗、药物研发、护肤产品和洗护发领域终端产品的应用和产业化，创造出了无限广阔的应用想象空间。中国的重组XVII胶原蛋白技术，就是一个很好的例子。伽蓝（集团）股份有限公司研发中心总经理 邹岳NatureLab是一家以“赋能于人”为理念，通过产品和创意不断向世界提出新价值的企业。特别是在护发领域，作为业界的领导者，开发了适用广泛的护发、护肤商品和兼具功能性及高附加价值的多个品牌，从家庭用到专业用。通过研究，我们注意到XVII型胶原可以维持皮肤和毛囊干细胞再生。我们从 2010 年起将其应用于产品中。自2011年以来，学术界发表了大量关于XVII型胶原蛋白的研究论文，2016年我们发现胶原蛋白仿生肽和植物干细胞诱导产生XVII型胶原蛋白，已被证明可以抑制脱发并促进头发生长。我们将其应用于MARO这个面向男性的品牌，该品牌现已发展成为一个知名品牌。创健医疗重组XVII型胶原蛋白的发明是一个非常令人惊喜的成就。我们计划在现有研究成果的基础上，推进创健医疗重组XVII型胶原蛋白在产品中的应用开发。NatureLab研究开发部部长 Atsushi Takeoka序言世界胶原蛋白之父布兰特（JBrandt）博士曾说过：“人体衰老的过程就是胶原蛋白流失的过程。”就人体皮肤而言，作为细胞外基质的主要组分，胶原在真皮层中含量高达70%-80%，不仅在物理架构上为维持皮肤和肌肉的弹性作出了主要贡献，还进一步参与细胞通讯、信号传导等一系列细胞行为调控。到目前为止，胶原蛋白共发现了28种遗传学不同类型，以往业界的研究目光多集中于型和型纤维状胶原，而随着科研技术的发展、迭代和成熟，非纤维状的XVII型胶原在皮肤抗衰领域逐渐崭露头角，是一类具有广阔应用前景的活性分子。创健医疗作为该赛道中极具创新力的玩家，分别参与了中国YY/T 1849-2022重组胶原蛋白行业标准和YY/T 1888-2023重组人源化胶原蛋白行业标准的制定。同时，也是目前唯一实现XVII型重组胶原产业化的科技企业。无论是在促进细胞粘附、迁移、表皮修复方面，还是对头部毛发密度和生长速度的提升，创健重组XVII型胶原蛋白均呈现出了显著效果，是同类产品中的有力竞争者。以其优异的多重效能和良好的应用前景为诸多品牌提供了一个新的选择。上海澄穆化妆品有限公司总经理杨凯创健医疗与沙利文咨询联合发布重组XVII型胶原蛋白白皮书，旨在探索新材料在皮肤抗衰老及疾病等方面的独特优势及应用前景。XVII型胶原蛋白作为维持皮肤稳态抗衰老的关键因子，对表皮、毛囊、黑色素干细胞都有着重要作用，与皮肤和毛囊健康状态密不可分。该白皮书系统阐释了XVII型胶原蛋白的结构、功能、机理，以及重组XVII型胶原蛋白技术优势、作用价值和应用场景。可以预见，伴随XVII型胶原蛋白的深入研究与技术发展，尤其是创健医疗相关新产品的开发应用，将让更多的消费者受益，为市场的繁荣发展注入全新活力。大麦毛发医疗集团是国内在中高端毛发诊疗服务行业中的领先医疗集团，旗下大麦微针植发是一家专业治疗脱发的全国直营连锁医疗机构。多年来坚持医生创建,专注脱发诊疗及干预。我们深知头皮抗衰对于植发效果和毛发质量的重要性，因此我们非常关注创健医疗XVII型胶原蛋白的研究进展和应用成果。我们期待白皮书的发布能够唤起更多关注，我们也希望与创健医疗进行更深入的合作和交流，共同促进XVII型胶原蛋白在头皮护理领域的应用与创新，为造福社会贡献力量。大麦毛发医疗（深圳）集团股份有限公司序言皮肤科存在一种好发于老年人的自身免疫性大疱性疾病，即大疱性类天疱疮（bullous pemphigoid，BP），该病由针对两种半桥粒蛋白质BP180和BP230的自身抗体引起。其发病机制取决于易感因素之间的相互作用，临床上通常表现为严重的瘙痒和紧张性水疱，并伴有糜烂和结痂。BP 的发病率逐渐增加，并伴有高死亡率。XVII型胶原蛋白（CollagenXVII，也称为BP180）是表皮锚定复合物半桥粒（hemidesmosomes）的关键组成部分，其功能是维持表皮与基底膜的粘附。除了维持真皮-表皮连接的完整性外，有证据表明，XVII型胶原蛋白还参与跨膜信号转导和角化细胞分化的调节。XVII型胶原蛋白的遗传缺陷或缺失，导致人类表皮-真皮交界处疾病的发生，如大疱性类天疱疮、妊娠性类天疱疮、粘膜类天疱疮、线状IgA皮病、类天疱疮性扁平苔藓和结节性类天疱疮。重组XVII型胶原蛋白的研制与转化，为这类疾病提供了新的直接针对发病机制的治疗方案。基于重组XVII型胶原蛋白开展的单中心临床研究（ChiCTR2300070035）显示，局部应用XVII型胶原蛋白加速了BP的创面愈合，降低了继发感染风险，缩短了疗程，产生了令人鼓舞的治疗效果。常州市第一人民医院皮肤性病科主任医师 张汝芝目录第一章：胶原蛋白概述1.1 胶原蛋白的定义和功能091.1.1 胶原蛋白定义091.1.2 胶原蛋白功能101.2 胶原蛋白在人体中的分布111.3 胶原蛋白的结构121.4 胶原蛋白的类型13第二章：XVII型胶原蛋白简介2.1 XVII型胶原蛋白的发现和命名162.2 XVII型胶原蛋白的结构172.3 XVII型胶原蛋白的存在形态192.4 XVII型胶原蛋白的分布与功能202.5 XVII型胶原蛋白相互作用222.6 XVII型胶原蛋白与信号通路的联系232.6.1 TGF-232.6.2 Wnt232.6.3 STAT3232.6.4 Hippo232.6.5 Rac1和p38MAPK232.6.6 p5323第三章：XVII型胶原蛋白同健康与疾病之间的联系3.1 在自身免疫系统中的角色25目录3.1.1 XVII型胶原蛋白的表位（Epitope）图谱253.1.2 XVII型胶原蛋白与BP的病因263.2 XVII型胶原蛋白与癌症273.2.1 XVII型胶原蛋白与皮肤癌的关系273.2.2 XVII型胶原蛋白与其他癌症的关系293.3 XVII型胶原蛋白是维持皮肤稳态抗衰老的关键因子323.3.1 与毛囊干细胞（HFSC）和衰老脱发333.3.2 与黑色素细胞干细胞（MSC）和头发变白363.3.3 XVII型胶原蛋白与黑色素细胞干细胞（MSC）和头发变白373.4 XVII型胶原蛋白是伤口修复的调节因子403.4.1 伤口修复中的干细胞403.4.2 干细胞群体动力学413.4.3 干细胞迁移41第四章：重组XVII型胶原蛋白4.1 重组与动物源型胶原蛋白区别444.2 重组胶原蛋白符合可持续发展目标454.3 重组胶原蛋白的表达体系464.3.1 原核生物（大肠杆菌）表达体系474.3.2 酵母表达体系474.3.3 植物表达体系484.3.4 昆虫表达体系484.3.5 哺乳动物或人细胞表达体系484.4 重组胶原蛋白的优势494.5 重组胶原蛋白的行业标准50目录4.6 重组XVII型胶原蛋白的设计与生产514.6.1 重组人源化XVII型胶原蛋白514.6.2 真核微生物酵母表达体系514.6.3 序列设计与产品52第五章：重组XVII型胶原蛋白的生物功能性5.1 安全性555.2 细胞黏附活性575.3 促细胞迁移活性585.4 调节毛囊和皮肤细胞相关功能基因595.5 提升抗活性氧（ROS）能力625.6 防皱功效635.7 防脱发作用64第六章：重组XVII型胶原蛋白应用场景6.1 蛋白质替代疗法中的潜在应用676.2 在医药产品中的应用686.3 在护肤品中的应用706.4 在洗护发产品的应用71参考文献72法律声明83联系我们85XVII型胶原蛋白白皮书|2023第一章胶原蛋白概述011.1 胶原蛋白的定义和功能胶原蛋白（Collagen）是发现最早、含量最丰富的一类细胞外基质蛋白，在人与动物体的皮肤、肌肉、骨骼及内脏中广泛存在，不论是维护细胞、组织和器官的正常生理功能，还是修复损伤都有重要作用。胶原蛋白因其具有优异的理化性质、生物学功效性和生物相容性、可生物降解等特性，使其在食品、化妆品、营养保健等领域得到广泛应用。1.1.1 胶原蛋白定义1胶原蛋白的英文名是Collagen，也称胶原多肽（Collagen peptide）。胶原蛋白在以三股螺旋状态存在于机体组织时，通常被称为胶原，英文名即Collagen。胶原是细胞外基质的关键结构成分，存在于所有组织和器官内，包括皮肤、骨骼、肌腱、韧带、软骨和其他特定组织。胶原不但为组织提供强度、耐久性和柔韧性，还广泛参与特定的生物相互作用。在所有多细胞动物的细胞外基质中均发现了胶原的存在，包括海绵动物、无脊椎动物和脊椎动物。1956年Gross首先命名构建胶原纤维的蛋白质单体叫做原胶原（Tropocollagen），原胶原、胶原是胶原蛋白的天然存在形式，胶原是由胶原蛋白分子经过多级聚集而成的、具有特定结构的复杂化合物。胶原通常由3条胶原肽链组成，这些肽链被称为链，有些胶原分子中链是相同的；有的2条链相同而1条不同：有的3条链则各不相同。按照惯例，分子中的不同肽链被称为1链、2链和3链。如果属于不同类型的胶原，则在其后附带大写罗马数字，并用括号括起来。如I型胶原的1链称为1(I)，2链称为2(I)等。单一1种II型胶原被称为1()3，具有3条不同肽链的型胶原被称为1(M)2(M)3(M)。例如，I型胶原的2条不同肽链被称为1(I)22(I)。由此，对于胶原和胶原蛋白的定义则是：胶原是细胞外基质的结构蛋白，分子中至少应该有一个结构域或具有1个或几个由链组成的三螺旋结构的区域，即胶原结构域。每1条链即为1个胶原蛋白分子，胶原是由3条胶原蛋白分子以右手螺旋方式拧成的三螺旋结构。单个的I型胶原分子质量约为285000 Da，宽1.4 nm，长约300 nm。每条胶原蛋白分子质量在100000 Da左右。胶原的三螺旋结构模型2来源：文献检索9免疫原性低胶原结构重复率较高，相比于其他具有免疫原性的蛋白质，胶原免疫原性更低。因为胶原的主要免疫原性位点是在分子的C、N末端区域，该区域被称为端肽，由短的非螺旋氨基酸序列组成。在胶原提取过程中，端肽会被选择性水解或者去除而失去活性，仅在胶原分子的三股螺旋结构内保留一些微弱的免疫原性。可生物降解性胶原紧密的螺旋结构使得大多数蛋白酶只能切断胶原的侧链，破坏胶原分子之间的交联。胶原肽键只有在胶原酶作用下才会被破坏，人体内部组织中存在的胶原酶对促进胶原降解发挥很大作用。生物相容性胶原具有良好的亲和性，能够帮助细胞和组织维持正常的生理功能。同时，优良的亲和性有利于细胞外基质网络构成，提高细胞黏附性，使得胶原具有一定的修复作用。促进细胞生长胶原是细胞生长的良好培养基质，在细胞的迁移、增殖过程中，胶原不仅提供营养基础，还起到支架作用。胶原能引导上皮细胞迁移到人体组织缺损区，从而促进上皮损伤修复及细胞生长。同时，胶原的降解产物能够被新生细胞利用，合成新的胶原，在细胞中起到连接作用。止血性胶原具有促进血小板凝聚和血浆结块功能，与血液接触后，血液中的血小板会与胶原纤维吸附在一起，发生凝集反应，从而生成纤维蛋白，促进血浆结块，进而形成血栓，达到阻止流血、促进凝血的目的。1.1.2 胶原蛋白功能胶原作为一种天然蛋白质大分子，是重要的生物可降解材料。胶原在人体内的功能主要包括免疫原性低、可生物降解性、生物相容性、促进细胞生长、止血性。由于胶原在人体组织中的重要作用以及作为生物材料的突出优势，国内外学者从多方面多角度对胶原进行了研究和探索，特别是胶原的合成与制备、活性胶原多肽的设计开发、胶原类材料新功能的探索和各类型胶原基材料及医用材料的开发制造。目前使用胶原制造的部分组织工程材料和生物医用材料已经在临床上取得成功，广泛被临床医生和患者接受。胶原在人体内的主要功能来源：文献检索1.1.1 胶原蛋白定义（续）胶原蛋白肽链是由重复的氨基酸片段（G-X-Y)n构成。其中，G为甘氨酸（Gly)，约占胶原蛋白氨基酸含量的30%；而X和Y代表其他氨基酸，通常是脯氨酸（Pro）和羟脯氨酸（Hyp）。羟脯氨酸的含量影响分子内氢键的形成，对分子三螺旋构型的稳定十分重要。另外，还有特殊的羟赖氨酸，部分羟赖氨酸会继续经糖基化修饰。不同类型的胶原蛋白其三螺旋区域的长度不同。构成三螺旋区域的（G-X-Y)n片段在成纤维胶原（I型、II型、III型）中含量最高，其三螺旋结构区域长300 nm，大概由1000个氨基酸组成。其他类型的胶原蛋白其三螺旋区域较短，或含有非三螺旋结构的干扰片段。在VI型及X型胶原蛋白中，其三螺旋区域分别由200个和460个氨基酸组成。三螺旋结构对胶原蛋白来说是最显著的特征，也是成纤维胶原的最重要组成，在三螺旋区域两侧的非胶原结构域对胶原分子的结构组成和功能特性也发挥着重要的作用。C末端前肽（C-propeptide）参与启动三螺旋结构的形成，而N末端前肽（N-propeptide）则与所形成胶原纤维的直径大小有关。胶原蛋白单体中较短的非螺旋端肽不仅参与胶原分子的共价交联，也在胶原分子与其他分子的链接中发挥重要作用。胶原蛋白不是一种纯蛋白质，而是一种糖蛋白，蛋白质分子与糖分子相结合。脊椎动物中的胶原蛋白约含六碳糖0.51.3%，如葡萄糖、半乳糖等，而非脊椎动物胶原蛋白则含糖34%。这些糖类与胶原蛋白的羟脯氨酸这类氨基酸以糖苷键相结合。10来源：文献检索胶原蛋白广泛分布于人体的结缔组织、骨骼、肌肉中胶原蛋白属于动物性蛋白质，也是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质。胶原是细胞外基质四大组分之一，而且是主要组分。胶原蛋白在动物细胞中扮演着黏结功能的角色，广泛存在于动物细胞外，是细胞外基质最重要的组成成分，也是动物结缔组织中最主要的一种结构性蛋白质。人体成分有16%左右是蛋白质，而蛋白质中又有30%40%属于胶原蛋白，所以，成年人身体中大约有3kg胶原蛋白，主要存在的部位有结缔组织、皮肤，肌肉、骨骼、牙齿、内脏（如胃、肠、心肺、血管与食道）、韧带、巩膜与眼睛等组织器官。眼角膜几乎完全由胶原组成。胶原是结缔组织极其重要的结构蛋白，起着支撑器官、保护机体的功能，是决定结缔组织韧性的主要因素。结缔组织将全身细胞黏合，连接成组织和器官，具有防御、支持、保护、营养等功能，由此可见胶原对机体重要性3。胶原与组织的形成、成熟、细胞间信息的传递，细胞的增殖、分化、免疫，动物运动、关节润滑，肿瘤转移、伤口愈合、血液凝固等关系密切，对维持各结缔组织的完整性和功能性也起着重要的作用。1.2 胶原蛋白在人体中的分布结缔组织：结缔组织将全身细胞黏合，连接成组织和器官，具有防御、支持、保护、营养等功能。胶原是结缔组织极其重要的结构蛋白，起着支撑器官、保护机体的功能，是决定结缔组织韧性的主要因素。在显微镜下观察，胶原约占真皮结缔组织的95%，由直径为215 m的胶原纤维组成，多数呈束状结构。在电子显微镜下观察，胶原纤维由许多原纤维组成。原纤维直径为100 nm左右（70140 nm），横切面呈圆形，纵切面呈带状，有明暗相间的周期性横纹。原纤维平行排列，组成粗细不等的胶原纤维4。骨骼：骨骼中也有较多的胶原，称为骨胶原，人体正常骨骼蛋白质中含有约80%的胶原。骨骼中的胶原赋予骨骼弹性和抗折性，人体骨骼有人形容为“钢筋混凝土结构”，其中的“钢筋”就是胶原，羟基磷酸钙就是“水泥和石子”，胶原在骨骼中互相交织，形成一张网络，将羟基磷酸钙等物质交织在一起，形成了坚硬的骨骼。肌肉：肌肉中大约含有2%左右的胶原，它沿着整个肌肉膜的长轴形成高度交联并具有拉伸强度的网状结构，将肌肉细胞和组织紧紧交织在一起。人或动物衰老时，可发现其胶原的交联度明显增加，溶解度显著降低，对细胞间液和肌肉蛋白产生较大的压力，使得肌肉的硬度增强，弹性变小，从而逐渐僵硬，表现出皮肤出现皱纹，这在面部和手上尤为敏感。11胶原具有完整的四级空间结构5胶原的生物学功能在很大程度上是由其空间结构确定的。不同类型的胶原生理功能不同，结构也不同。例如肌腱中的胶原是具有高度不对称结构的高强度蛋白，皮肤中的胶原则是松软的纤维，牙和骨骼中硬质部分的胶原含有钙磷多聚物，眼角膜中的胶原如水晶般透明。通常认为，只有具有三级以上的结构蛋白质才具有生理功能，而胶原具有完整的四级空间结构6。一级结构：也称化学结构，是指蛋白多肽链的氨基酸排列顺序，包括二硫键的位置。胶原分子中具有链组成的三股螺旋构象区称为胶原结构域，胶原分子中至少应包含一个胶原结构域。大多数蛋白质的同一条多肽链中氨基酸一般不会有周期性的重复序列，但是胶原结构域中存在三肽序列“甘氨酸-X-Y”的重复，其中最常见的序列是“甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸”序列，约占整个“甘氨酸-X-Y”序列的12%，“甘氨酸-脯氨酸-Y”或“甘氨酸-X-羟脯氨酸”序列约占 44%，其他“甘氨酸-X-Y”序列构成剩余的44%。而这些重复三肽“甘氨酸-X-Y”的数量接近全部序列的1/3，对维持胶原的结构起重大作用。在肽链中，脯氨酸消除角度的自由旋转，却可以轻微增加角度的旋转，有助于增加链段刚性7。二级结构：蛋白质二级结构是指多肽主链骨架原子沿一定的轴盘旋或折叠而形成的特定的空间位置排布（如螺旋、折叠、转角）或无规则的空间排布（如无规卷曲）。胶原的二级结构形成左手螺旋结构，是由聚脯氨酸II（PP II结构）链经左手螺旋形成的特殊结构。每条PP II结构链每旋转一圈含3.3个氨基酸残基，每个氨基酸在螺旋轴上的投影为0.286 nm，螺距（螺旋每上升一圈的高度）为0.858 nm。三条PP II结构链可进一步组装成胶原三股螺旋结构。由于组成胶原链的氨基酸中存在“甘氨酸-X-Y”重复序列，X位置上的脯氨酸和Y位置上的羟脯氨酸之间存在空间排斥力，成为螺旋结构形成的推动力，而胶原链中氨基酸残基的酰胺氢原子和羰基氧原子之间形成的平行于螺旋轴的氢键，进一步稳定了其螺旋结构8。三级结构：在二级结构的基础上，肽链进一步盘绕、折叠，依靠次级键的维系固定所形成的特定空间结构称为蛋白质的三级结构，它描述了整个肽链（包括主侧链在内）的空间排布，揭示了蛋白质分子中肽链之间的次级键作用。而胶原的三级结构是其特征三股螺旋结构。在蛋白质早期研究中已发现胶原的构象不同于其他蛋白质。胶原的三股螺旋结构是由三条独立的、呈左手螺旋的聚脯氨酸II链围绕同一中心轴，彼此错位一个氨基酸残基，通过链与链之间形成的氢键相互连接缠绕后形成的一个右手超螺旋棒状结构。胶原三股螺旋结构中每三个氨基酸中含一个甘氨酸，任意一个甘氨酸突变都会对胶原三股螺旋结构造成破坏。氢键的形成是胶原三股螺旋结构保持稳定必不可少的因素。不同于螺旋和折叠需要所有氨基酸都参与氢键形成，在三股螺旋结构中只有特定位置的氨基酸会参与形成氢键。胶原三股螺旋结构中形成的氢键主要是由其三条链中的一条螺旋链中甘氨酸残基的NH与相邻两条螺旋链中X位置氨基酸的CO之间形成的NHCO氢键，同时处于Y位置上的羟脯氨酸的羟基也可参与形成链与链间的氢键，氢键的存在是三股螺旋能形成稳定结构的主要原因。三股螺旋结构中形成的氢键是垂直于其轴线的，而螺旋链中形成的氢键一般平行于其轴线9。四级结构：是指分子更大的蛋白质，常由多条肽链组成，分子中每条肽链都盘曲成特定的三级结构，一般情况下单独存在时并无功能，被称为亚基（subunit），亚基之间再按特定的方式排列形成更高层次的具有立体结构的蛋白质分子，得到具有极短非三股螺旋区（称为端肽）的胶原分子。前胶原分子分泌到细胞外后，在特异性金属酶的作用下，切除位于三股螺旋两端的前肽，得到具有极短非三股螺旋区的胶原分子。胶原分子按规则平行排列成束，首尾错位1/4，通过共价键搭接交联，形成稳定的胶原微纤维，并进一步聚集成束，形成具有高度轴向排列特征的胶原纤维。以成纤维胶原为例，常规电子显微镜样品制备过程存在脱水和收缩，检测到胶原纤维具有约565 nm的周期性条纹，但在天然水合状态下会产生平均67 nm的周期性条纹。胶原分子通过分子内或分子间的作用力形成不溶性的纤维，故大多数胶原属于不溶性硬蛋白。1.3 胶原蛋白的结构来源：文献检索12来源：文献检索目前已发现28种不同的胶原10从遗传学到分子结构，胶原都是有不同类型的蛋白质家族。不同种族、不同组织中的胶原有着不同的化学组成或不同的构型。组成原胶原分子的每种肽链都可以分为若干亚型，如1(I)、1(II)、1(III)、1(IV)、1(V)、2(1)、2(IV)、3(IV)等，每条链都有一种基因编码。从理论上讲，20多种肽链可组成1000种以上的胶原，但到目前为止，还只发现了28种不同的胶原11，今后还有可能继续发现新的胶原类型。按照被发现的先后顺序分别称之为I型胶原、II型胶原和III型胶原，以此类推。根据胶原蛋白的功能，可将胶原分为成纤维胶原和非成纤维胶原。成纤维胶原包括第、V、XXIV和XXVII型胶原，非成纤维胶原可进一步分为6种：FACIT族胶原（Fibril Associated Collagens with Interrupted Triple helices），包括、XII、XIV、XVI、XIX、XX、XXI和XXII型胶原；网状结构胶原，包括、和型胶原；念珠状原纤维胶原，包括型胶原；锚定原纤维或纤丝胶原，包括VII和XVII型胶原；跨膜区胶原，包括XIII、XVII、XXIII和XXV型胶原；内皮抑素相关胶原，包括XV和XVIII型胶原。对人体来说，最常见胶原主要有四种形态：胶原I型：主要存在于成人皮肤和骨组织，数量最大胶原II型：主要存在于软骨组织胶原型：主要存在于婴幼儿皮肤或血管、内膜、肠、胃器官胶原IV型：主要存在于各组织器官的基底膜、胎盘和品状体1.4 胶原蛋白的类型胶原的类型及其在组织中的分布(1/2)链组成类别分子量链/kDa组织分布I型（异源三聚体）1()2 2()成纤维胶原95皮肤、骨骼、肌腱、韧带、血管壁、牙齿等I型（同源三聚体）1()3 成纤维胶原肿瘤、胚胎等型1()3成纤维胶原95软骨、玻璃体、肌腱软骨区、椎间盘等型1()3成纤维胶原95皮肤、肺、肝、肠、血管等型1()22()3(),4(),5(),6()网状结构胶原170 180基底膜型1()22()1()2()3()1()3成纤维胶原120 145骨骼、肌腱、角膜、皮肤、血管等型1()2()3()4(),5(),6()珠状细丝胶原140真皮、骨骼肌、肺、血管、角膜、肌腱、皮肤、软骨、椎间盘、脂肪等型1()3锚定胶原170皮肤、直肠、结肠、小肠、食管、口腔黏膜等型1()22()网状结构胶原61心脏、脑、肝、肺、肌肉、软骨等13来源：文献检索胶原的类型及其在组织中的分布(1/2)链组成类别分子量链/kDa组织分布型1()2()3()纤维相关胶原68115软骨、脊柱、玻璃体等型1()3网状结构胶原59钙化软骨（包括肌腱部位）型1()2()3()成纤维胶原110145关节软骨、睾丸、气管、肌腱、骨小梁、骨骼肌、胎盘、肺、大脑等型1()3纤维相关胶原220，340皮肤、肌腱、软骨等型1()3跨膜胶原62 67内皮细胞、表皮等型1()3纤维相关胶原220皮肤、肌腱、角膜、软骨等型1()3内皮抑制素相关胶原125微血管、心肌或骨骼肌细胞的基底膜区域型1()3纤维相关胶原150 160皮肤、软骨、心脏、肠、动脉壁、肾脏等型1()3跨膜胶原180皮肤、黏膜、眼睛等型1()3内皮抑制素相关胶原200肝脏、眼睛、肾脏等型1()3纤维相关胶原165乳腺、结肠、肾脏、肝脏、胎盘、前列腺、骨骼肌、皮肤、脾脏等型1()3纤维相关胶原185,170,135角膜、血管型1()3纤维相关胶原心脏、胎盘、胃、空肠、骨骼肌、肾脏、肺、胰腺、淋巴结型1()3纤维相关胶原200心脏、骨骼肌型1()3跨膜胶原肺、角膜、皮肤、肌腱、羊膜型1()3成纤维胶原骨骼、大脑、肌肉、肾脏、脾脏等型1()3跨膜胶原50/100脑、心脏、睾丸、眼睛等型1()3约80卵巢、睾丸型1()3成纤维胶原肥厚软骨型1()3约50外周神经、颅盖、皮肤和郎飞节14XVII型胶原蛋白白皮书|2023第二章XVII型胶原蛋白简介022.1 XVII型胶原蛋白的发现和命名XVII型胶原蛋白又名COL17/BP180/BPAG2XVII型胶原蛋白（Collagen XVII，17型胶原蛋白），又名为COL17/BP180/BPAG2，是一种跨膜蛋白，在维持表皮黏附所涉及的细胞内和细胞外结构元素之间的联系方面发挥着至关重要的作用。COL17最初是由Diaz等人于1980年代在大疱性类天疱疮（Bullous Pemphigoid,BP）中发现的。半个多世纪前，研究人员开始表征包括皮肤在内的组织的超微结构。电子显微镜（Electron Microscope,EM）显示真皮表皮交界处（dermal-epidermal junction,DEJ）和皮肤基底膜区（basement membrane zone,BMZ）具有多种结构成分，包括：半桥粒（Hemidesmosome,HD）、透明层（Lamina lucida）、致密层（Lamina densa）和锚定原纤维（Anchoring fibrils）。在1960年代和70年代开发了免疫荧光技术，用来揭示免疫球蛋白在人体组织和循环系统中的沉积，检测出了许多靶向器官的自身抗体。1980年代使用BP患者的血清对人表皮提取物进行的蛋白质印迹分析发现，存在两种BP自身抗原：230 kDa 蛋白（BP230或BP 抗原1，也称为BPAG1）和180 kDa蛋白（BP180或BP抗原2，也称为BPAG2）。BPAG的是大疱性类天疱疮（BP）的抗原的简称，AG是抗原Antigen的缩写1213。在1990年代初期，分子克隆技术确定了BP230和BP180的氨基酸序列14。随后，由于BP180检测到由重复的三联“甘氨酸-X-Y”组成的几个胶原区域，BP180被重新标记为XVII型胶原蛋白15。目前已经证实COL17是BP患者IgG、IgA和 IgE自身抗体靶向的主要自身抗原。下图展示了XVII型胶原蛋白的氨基酸序列16和AlphaFoldDB数据库给出蛋白三维结构。COL17A1是该基因的官方名称。COL17A1基因固定位于人第10染色体长臂的10q25.1位点，其mRNA约6 kb。cDNA序列分析表明，COL17A1有一单一的编码区长4596 bp，肽链全长为1532个氨基酸。它编码 XVII 型胶原蛋白的alpha链（链）。XVII型胶原蛋白是一种跨膜蛋白，与XIII、XXIII 和 XXV 型胶原蛋白类似。XVII型胶原蛋白是半桥粒（Hemidesmosome,HD）的结构成分，半桥粒是基底细胞与下方基底膜带之间的主要连接结构，系由角质形成细胞真皮侧胞膜的不规则突起与基底膜带相互嵌合而成。半桥粒有使细胞固着于基膜的作用，主要功能是加强细胞间的连接。COL17A1基因突变与全身性萎缩性良性角膜病和交界性表皮松解症以及复发性角膜糜烂有关18，在多种癌症中COL17A1基因的表达也呈现异常19。XVII型胶原蛋白的序列XVII型胶原蛋白的蛋白三维结构来源：文献检索162.2 XVII型胶原蛋白的结构XVII型胶原蛋白是一种含有1497个氨基酸的跨膜蛋白，其N端位于细胞质中，C端位于细胞外基质中XVII型胶原蛋白是一种少见的II型跨膜蛋白，其最明显的结构特征是氨基末端（N末端）位于细胞内，由501个氨基酸组成，其中部含有4个由2426个氨基酸组成的串联重复序列；羧基末端（C末端）为较长的细胞外肽链，与皮肤基底膜透明板的锚纤维连接。通过蛋白序列分析COL17有以下的结构特征。如下图所示，人类COL17（1497 aa，氨基酸amino acid，简写为aa）含有15个胶原结构域（下图所示白色区域），这些结构域位于胞外结构域（Extracellular domain,ECD;aa 489-1497），这种细胞外胶原结构域可能是其与细胞外基质成分相互作用从而稳定表皮与真皮联系的结构部位。同时，这些胶原结构域相互间被短的非胶原结构域（NC,non-collagenousdomain;也称Nonhelical region，非螺旋结构域。下图所示灰色区域）隔开。COL17的ECD胶原结构域含有重复的“甘氨酸-X-Y（glycine-X-Y）”三元组，其中 X 通常是脯氨酸，Y 是羟脯氨酸。穿插的非胶原结构域从羧基末端（C末端）起分别称为 NC1、NC2 直至 NC16。人类COL17最靠近氨基末端（N末端）的非螺旋区结构域NC16，包含位置为aa 1-566的氨基酸。NC16由胞外并膜区（Extracellular juxtamembrane region；NC16A区，aa 489566；下图所示粉红色区域）、跨膜结构域（Transmembrane domain，TMD；NC16B区，aa 468-488）和胞内结构域（Intracellular domain，ICD；NC16C，aa1-467）组成。值得说明的是，色氨酸467（Tryptophan 467）有时也被认为是跨膜结构域的一部分。胞内结构域（ICD）包含四个串联重复序列（aa 227-324）、一个甘氨酸束（aa 428-447）和一个半胱氨酸簇（Cys456、458、461 和 462）。早期的研究表明，COL17的 ICDs 可形成二硫桥三聚体20。人类COL17是一种电荷极化非常强的蛋白质。它的胞内结构域（ICD）是碱性的（pI 为 9.5；Isoelectric point，等电点，简称pI：碱性pI大于7，酸性pI小于7），而它的胞外结构域（ECD）（除了最远端的富含精氨酸的羧基末端外）是酸性的（pI 为 6.3）。如果没有 NC1，人类COL17胞外结构域（ECD）的 pI 为 5.7。人类COL17的 36个氨基酸长的NC4结构域（aa 1280-1315）大多含有小的极性氨基酸（17个丝氨酸、2个苏氨酸和4个甘氨酸）。这一特性可能在蛋白质与蛋白质之间的相互作用中发挥作用，而且NC4结构域可能含有几个潜在的 O-糖基化位点（O-glycosylation sites）。此外，该结构域所在区域常是大疱性类天疱疮（BP）的自身抗原（Antigen）21。来源：文献检索XVII型胶原蛋白的结构特征2217COL17的高级结构是三聚体，由胶原结构域的三螺旋组装驱动。与纤维型胶原不同，COL17缺乏羧基末端的前体肽。相反，其胶原三股螺旋是由非胶原结构域NC16A的亮氨酸拉链样序列之间的卷曲线结构引导的。这种N末端三股螺旋的种子化是跨膜胶原家族的几个其他成员的典型特征，如XIII、XXIII和XXV胶原蛋白。免疫电子显微镜研究显示，在基底膜中，COL17的胞外结构域（ECD）穿过基底膜的透明层（Lamina lucida）进入致密层（Lamina densa），然后弯曲回透明层。旋转阴影电子显微镜成像也证明，其胞外结构域（ECD）具有杆状形态，而呈碱性的胞内结构域部分（ICD）则呈球状，如下图所示23。来源：文献检索XVII型胶原蛋白的三聚体结构形态24182.3 XVII型胶原蛋白的存在形态XVII型胶原蛋白有三种大小的存在形态：全长180 kDa，剪切后的120 kDa（LAD-1）和97 kDa（LABD97）全长180 kDa：在大疱性类天疱疮（BP）患者血清中的自身抗体可识别两种形式的COL17：180 kDa 和 120 kDa，这两种形式的COL17都存在于皮肤中。角质细胞提取物中就含有这两种形式的COL17，而细胞培养基中只有120 kDa形式的 COL17。剪切后的120 kDa：120 kDa 的存在形态是通过A型去整合素（A disintegrin）和金属蛋白酶（Metalloprotease,ADAM）9和10以组成型和诱导型方式从全长COL17蛋白中切割得到的可溶性的COL17胞外结构。通过质谱分析，COL17被金属蛋白酶（ADAMs）切分的位点可以是 Gly513|Asp514、Arg523|Leu524、Leu524|Gln525 和 Gln525|Gly526。这些切割位点位于非胶原结构域NC16A上。其中Leu524|Gln525是主要的生理切割位点。尽管存在优势裂解位点，但金属蛋白酶（ADAMs）并不具有序列特异性，而是由蛋白的结构特征决定的。这个120 kDa的胞外结构域，也称为线性 IgA 皮肤病抗原（Linear IgA diseaseantigen 1,LAD-1）。剪切后的97 kDa：切割脱落的120 kDa胞外结构域可能会经过进一步加工。线状IgA大疱性皮病（Linear IgA bullousdermatosis,LABD）是一种丘疹性类风湿关节病，患者体内的IgA自身抗体可识别120 kDa的胞外结构域，并在纤溶酶（Plasmin）作用下，生成97 kDa片段，称为LABD97（Linear IgA bullous disease antigen of 97 kDa）。XVII型胶原蛋白的三种存在形态来源：文献检索19XVII