基质金属蛋白酶及其组织抑制因子的研究 |
| 作者： 更新时间：2007-11-30 16:12:21 |
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| 细胞外基质(extracellullar matrix, ECM):是围绕体内所有细胞并互相作用的大分子超复合结构。近年来，越来越多的证据表明ECM不仅参与多种细胞的生理过程, 如: 细胞的迁移、分化、增殖、生殖等过程。而且还参与炎症、肿瘤浸润、转移等病理过程。所以降解ECM的MMPs及TIMPs，已成为目前研究的焦点。 1 细胞外基质（ECM） ECM是一类由胶原、蛋白聚糖及糖蛋白等大分子物质组成的动态网状结构。⑴胶原蛋白（collagen）：是ECM的主要成分，为具有三重超螺旋结构的高度不对称的棒状超分子聚合体。迄今已报道的胶原蛋白有19个。按其功能分为成纤维胶原（ECM中纤维的主要成分）和非纤维胶原；⑵非胶原糖蛋白：目前有十余种，参与ECM纤维网架形成和基质与细胞连接以及组织重建、细胞迁移、生长分化等功能调节。主要包括：层粘连蛋白（LN）、纤维结合蛋白（FN）、腱蛋白（TN）、血栓粘附素（TSP）、SPARC和Hevin 、骨桥素（OPN）和波状蛋白（UN）[1-2]；⑶弹力纤维及相关蛋白：由无定形的弹力纤维、伸展纤维和纤细的氧弹纤维组成，它们一起与胶原纤维相互缠绕，赋予ECM弹性。前二者包含弹力蛋白和微纤维相关蛋白两大部分，氧弹纤维主要含各种微纤维相关成份；⑷糖胺多糖(Glycosaminoglycan，GAG)及蛋白聚糖( Proteoglycan，PG)：GAG是酸性多糖，能形成水化性胶质，填充ECM的纤维网架间隙；PG为许多GAG与核心蛋白共价结合而成，具有粘性和弹性，参与了组织发育和生理功能发挥等过程，与创伤愈合及纤维化有关；⑸基底膜(BM)：BM[1，3]是一层特化的ECM，由胶原、蛋白聚糖和非胶原性的糖蛋白等大分子组成，它将上皮细胞与下层的基质分开，不仅起分隔作用，还借胶原与基质中的微纤维直接连结，保持组织间的相互作用。 2 基质金属蛋白酶（MMPs） 基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases, MMPs）是一类活性依赖于Zn2+和Ca2+的可以降解细胞外基质的蛋白水解酶。MMPs在许多重要的生理病理过程，如组织分化更新、炎症细胞转移、伤口愈合以及血管形成等过程中发挥作用。根据其结构特性和作用底物的不同被分为胶原酶（包括MMP1、MMP8、MMP13和MMP18）、明胶酶（包括MMP2和MMP90）、基质水解酶（包括MMP3、MMP10和MMP11）、 膜型MMPs（MT-MMP，它们是MMPs家族中的新成员）等几个亚群 [4-6]。 2.1 MMPs家族成员的基本特性：⑴含有特定的、独立的、具有催化作用的结构区域；⑵以酶原的形式分泌到ECM中,经活化后发挥生理作用；⑶活性依赖于Zn2+的存在；⑷活性可被TIMPs抑制；⑸酶原被活化后能裂解ECM成分；⑹结构上具有同源性。 2.2 MMPs的调节：⑴转录水平调节。多数MMPs的基因调节序列中含有TATA 盒，在此前，存在多种转录调节因子结合位点，这些位点被结合后能刺激MMPs的转录，也就是说，当某种刺激因素引起细胞增殖、ECM产生增多的同时，也诱导了MMPs的表达；⑵MMPs的活化调节：MMPs是以酶原形式分泌的，然后再转换成酶而发挥作用。MMPs酶原包含有不成对的半胱氨酸残端序列，它能与Zn2+的活性部位结合，阻断Zn2+的活化。“半胱氨酸开关”的活性机制已被证实[ 7]。换句话说MMPs的酶原中酶活性中心的Zn2+是否发挥催化作用是由半胱氨酸残端调控的[8]。MMPs之间也可以相互活化[9]，有报道指出MMPs和丝氨酸蛋白酶可互为前体，纤溶蛋白酶可裂解MMPs胶原如胶原酶和基质溶素并激活这些酶原[10]，血浆纤溶蛋白酶和基质溶素是已知的生理性MMPs激活因子；⑶TIMPs：所有MMPs都可被TIMPs所抑制。TIMPs分为两个功能区，其N 端功能区的半胱氨酸残基与MMPs的Zn2+活性中心结合，其C 端功能区与MMPs的其它部位结合，形成1；1的MMP-TIMP复合体，阻断MMPs与底物结合，是一种转录后调节机制；⑷其它抑制因子：血浆中的α2巨球蛋白是一种非特异性蛋白酶抑制因子，能抑制MMPs的活性。此外，某些人工合成的含硫多肽衍生物，也能抑制MMPs的活性；⑸负反馈调节：纤溶蛋白酶一方面激活MMPs，引起ECM降解，另一方面又诱导产生纤溶蛋白酶原激活抑制因子- 1，使纤溶蛋白酶的产生受限，从而使纤溶蛋白酶的激活不至于过度。 2.3 MMPs的功能：⑴降解细胞外基质。细胞外基质是细胞生存的重要内环境，是肿瘤转移过程中必须克服的生理屏障，肿瘤细胞首先与基底膜表面受体结合，然后分泌MMPs等降解基底膜和基质，最终肿瘤细胞沿基底膜缺损和基质空隙向周围生长[11]；⑵在新生血管中的作用。新生血管形成的过程包括毛细血管内皮层下基底膜降解、内皮细胞迁移和增殖、新生血管形成和新的基底膜形成等一系列过程。体外实验表明，在血管形成的过程中，内皮细胞能分泌MMPs来降解ECM，促进新生血管形成；⑶调节细胞粘附：细胞之间及与宿主细胞之间的粘附在细胞移动与侵袭中起重要作用。研究表明，整合素在细胞侵袭中有重要作用，能直接调节细胞在ECM中的移行，同时也能调节MMPs的表达[12]；⑷激活具有潜在活性的蛋白质：MMPs能激活两类具有潜在活性的蛋白质，即血浆纤维蛋白原和层粘连蛋白-5。MMP-2能活化ECM结构蛋白的潜在活性，在吸引炎症细胞及自发刺激肿瘤细胞迁移中具有重要作用。 3 MMPs组织抑制因子（TIMPs）： 金属蛋白酶组织抑制因子（Tissue Inhibitor of Metalloproteinases, TIMPs ）是一种内源性的MMPs组织特异性抑制剂。迄今发现有4种，TIMP1、2、4为可溶性分泌蛋白，TIMP3是一种结合ECM的非可溶性蛋白。TIMPs在多个环节抑制MMPs的活性，亦可抑制新生血管形成的作用，如阻碍MMPs介导的内皮细胞移动，抑制基质中促血管生成因子的释放，防止ECM降解等。 3.1 TIMPs的功能：⑴抑制MMPs的活性。TIMPs主要从2个方面抑制MMPs的激活①在酶原活化阶段，TIMPs与MMPs可形成稳定的复合体阻碍MMPs的酶原自我激活；②在活化的MMPs阶段，TIMPs可直接与活化状态的MMPs形成紧密的复合体，抑制其活性；⑵对细胞的影响。TIMPs对细胞的生长也有影响，它可能通过细胞表面的TIMP1受体而起作用与其抑制MMPs活性无关。研究发现，纯化的TIMP1蛋白有促进红细胞前体增殖的能力而称之为“红细胞增强活素”；TIMP1还能抑制B淋巴瘤细胞系的凋亡，发挥生存因子的作用；而Baker等发现，TIMP1没有影响血管平滑肌细胞（MSC）的增殖，TIMP2对MSC的增殖抑制作用呈剂量依赖性；关于TIMP2对生长的影响，目前的报道仍不一致。 3.2 TIMPs的表达调控：TIMPs在许多细胞和组织中的不同表达表明每个TIMP的生理作用是有差别的。现倾向于TIMP1的转录是对高度刺激的反应和转化敏感性改变的结果，而TIMP2的表达很大程度上是一种基本的生理要求。 4 展望 通过对ECM、MMPs和TIMPs的进一步研究，不仅可以阐明它们在某些生理过程中的作用机理，为生命科学研究开创新的领域，也可以了解它们在肿瘤、炎症发生及转移和瘢痕形成中的机制，从而发现或创建与ECM、MMPs和TIMPs有关的新的预防和治疗方法。随着医学日新月异的发展，ECM、MMPs、TIMPs以及各种细胞因子之间的相互作用，复杂的网络调节控制机制必将在分子基因水平上有进一步的认识，指导我们的临床工作。 参考文献 [1] Wolpert SI, Lally KM, Li J, Wang JY, Bass BL. Extracellular matrix modulates enterocyte growth via downregulation of c-jun but is independent of ｐ21 and ｐ27 expression. J Gastrointest Surg,1999;3:319-324 [2] Juhasz A, Bardos H, Repassy G, Adany R. Characteristic distribution patterns of tenascin in laryngeal and hypopharyngeal cancers. Laryngoscope,2000;110:84-92 [3] 陆雄刘成海, 徐光福, 陈文慧, 刘平. 大鼠肝纤维化形成中肝窦壁层粘连蛋白及Ⅳ型胶原蛋白的变化[J]. 世界华人消化杂志,2001;9:260-262 [4] Visser, Nagase H. Matrix metalloproteinases and tissue inhibitor of metalloproteinases. Structure, function and biochemistry[J]. Cir Res,2003;92:827 [5] Sternlicht MD, Werb Z. How matrix metalloproteinases regulate cell behavior [J]. Annu Rev Cell Dev Biol,2001;17:463 [6] Baramova E, Foidart JM. Matrix metalloproteinases family[J]. Cell Biol Int,1995;19:239 [7] Springman E B, Angleton E L, Bikedalhansen H, et al. 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Cancer Chemother Phamacol,1999;43(suppl):42 [12] Brand K. Cncer gene therapy with tissue inhibitors of metalloproteinase(TIMPs) [J]. Curr Gene Ther,2002;2(2):255 The study of matrix metalloproteinases and tissue inhibitor of metalloproteinases SHEN Ying, AI Yu-de (Department of Ophthalmology,Affiliated Hospital, Inner Mongolia Medical College,Hohhot 010050 China) Abstract : Matrix metalloproteinases (MMPs) are a large family of proteolytic enzymes,which play important roles in the degradation of the extracellular matrix. Tissue inhibitor of metalloproteinases (TIMPs) are the natural inhibitors of MMPs. MMPs participate various cells physiological and pathological process by degrading different ECM components. In this paper,the property,structure,and function of ECM, MMPs and TIMPs were reviewed. Key words extra cellular matrix , matrix metalloproteinases , tissue inhibitor of matrix metalloproteinases |
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