基質(zhì)金屬蛋白酶家族在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨和骨破壞中的作用

鄭林，肖漣波

(1上海中醫(yī)藥大學(xué)，上海201203;2上海市光華中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院;3上海市中醫(yī)藥研究院)

類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA)是一種常見(jiàn)的慢性、自身免疫性、炎癥性疾病，多見(jiàn)于中年女性，主要表現(xiàn)為對(duì)稱性、慢性、進(jìn)行性關(guān)節(jié)炎。RA可造成關(guān)節(jié)滑膜的慢性炎癥、增生，形成血管翳，侵犯關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨、韌帶等，造成關(guān)節(jié)軟骨、骨和關(guān)節(jié)囊破壞，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形和功能喪失。關(guān)節(jié)軟骨和骨的破壞是RA常見(jiàn)的特征性表現(xiàn)［1］。近年研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)金屬蛋白酶家族(MMPs)是一組能降解細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的蛋白溶解酶家族，而關(guān)節(jié)軟骨ECM和基底膜降解是RA病程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。本文結(jié)合文獻(xiàn)就MMPs在RA關(guān)節(jié)軟骨和骨破壞中的作用研究進(jìn)展綜述如下。

1 MMPs的分類、結(jié)構(gòu)及功能

1.1 MMPs的分類及結(jié)構(gòu) MMPs屬于金屬內(nèi)肽酶中MA簇的M10家族，是體內(nèi)普遍存在的一類蛋白水解酶，結(jié)構(gòu)上以活化的Zn2+為特點(diǎn)。MMPs在機(jī)體內(nèi)對(duì)骨骼的生長(zhǎng)和重建、傷口愈合等具有重要作用［3］。目前，已發(fā)現(xiàn)至少26種MMPs在人體組織中表達(dá)，它們擁有較高的蛋白序列同源性，根據(jù)其作用底物及片段同源性分為五類:①膠原酶類:包括MMP-1、MMP-8、MMP-13，能通過(guò)結(jié)合血紅素結(jié)合蛋白主要區(qū)域來(lái)識(shí)別基質(zhì)，從而優(yōu)先降解纖維蛋白［4］;②明膠酶類:包括 MMP-2、MMP-9，可促使ECM上不同的底物發(fā)生酶促反應(yīng)，如膠原Ⅰ、Ⅳ等。③間充質(zhì)溶解素類:包括 MMP-3、MMP-10、MMP-11，三者均可水解膠原Ⅳ，但不會(huì)降解纖維膠原Ⅰ;④基質(zhì)溶解因子類:包括MMP-7、MMP-26，兩者能夠降解膠原Ⅳ;⑤模型金屬蛋白類:包括MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25，其 C 端共同擁有一個(gè)額外區(qū)域，N端有一個(gè)簡(jiǎn)短的胞質(zhì)尾［5］。

MMPs主要由四部分基團(tuán)組成，即前肽基團(tuán)、催化基團(tuán)、類血紅素結(jié)合蛋白基團(tuán)、MMP的亞單位。前肽基團(tuán)由大約80個(gè)氨基酸長(zhǎng)鏈和一個(gè)半胱氨酸轉(zhuǎn)化基序組成。催化基團(tuán)由大約170個(gè)氨基酸長(zhǎng)鏈構(gòu)成，含有兩個(gè)與特定基序綁定的Zn2+，還包含一個(gè)“Met-turn”結(jié)構(gòu)。前肽基團(tuán)中的半胱氨酸殘基可與催化基團(tuán)中的Zn2+相互作用，從而阻止其與水分子結(jié)合。故前肽基團(tuán)被移除后，MMPs就會(huì)失活。類血紅素結(jié)合蛋白基團(tuán)由大約200個(gè)氨基酸長(zhǎng)鏈組成。MMP的亞單位是一組各個(gè)變量的粘連體。這個(gè)亞單位形成了一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，決定了結(jié)合底物的特異性。所有MMP起催化作用的區(qū)域是個(gè)球形結(jié)構(gòu)，由3個(gè)組氨酸殘基形成催化作用的Zn2+和3個(gè)組氨酸、1個(gè)天冬氨酸殘基組成的結(jié)構(gòu)Zn2+，以及至少2個(gè)鈣原子組成。這樣的組成能確保MMPs結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［6］。

1.2 MMPs的功能 MMPs可參與一系列的生理病理過(guò)程，由于MMPs能夠降解細(xì)胞基膜和ECM，故往常被認(rèn)為是晚期腫瘤演變的指標(biāo)。此外，MMPs也能夠通過(guò)蛋白酶激活來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子和趨化因子。在正常情況下，MMPs通過(guò)降解和重塑ECM過(guò)程，使兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而保持ECM的完整性。在病理情況下，被激活的MMPs可以導(dǎo)致組織破壞，腫瘤浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移，血管新生以及其他炎癥反應(yīng)［7］。

1.2.1 降解ECM MMPs是ECM重塑過(guò)程中最主要的蛋白水解酶，能水解膜表面蛋白、非ECM相關(guān)性細(xì)胞外周分子、細(xì)胞內(nèi)底物、蛋白酶抑制劑、膜相關(guān)受體和細(xì)胞ECM黏連分子等，從而調(diào)節(jié)關(guān)鍵的細(xì)胞行為和信號(hào)通路。MMPs對(duì)釋放分子嵌入ECM這一過(guò)程至關(guān)重要，能產(chǎn)生ECM降解產(chǎn)物的激活生物分子，從而進(jìn)一步降解ECM。

1.2.2 促進(jìn)新生血管生成 MMPs能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和新血管生成，主要機(jī)制為MMPs在降解ECM的基礎(chǔ)上促使內(nèi)皮細(xì)胞增殖、成熟和分化，并增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附和血管腔的形成。此外，MMPs還能促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)釋放，促使腫瘤組織血管內(nèi)皮生長(zhǎng)，促進(jìn)腫瘤新生血管形成［8］。

2 MMPs在RA關(guān)節(jié)軟骨和骨破壞中的作用

2.1 MMP-1 MMP-1也被稱為膠原酶Ⅰ，在正常人組織中表達(dá)水平很低。在某些病理情況下，其表達(dá)水平會(huì)明顯升高。RA患者蛋白水解酶降解關(guān)節(jié)軟骨的機(jī)制比較復(fù)雜?；褐谐霈F(xiàn)破壞關(guān)節(jié)軟骨表面的蛋白水解酶，可與關(guān)節(jié)軟骨直接接觸，破壞關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的軟骨細(xì)胞［9］。已有研究表明，RA患者滑膜組織中存在過(guò)量的蛋白水解酶，它們被釋放到關(guān)節(jié)腔的滑液中，從而進(jìn)一步降解關(guān)節(jié)軟骨［10］。

2.2 MMP-2 MMP-2幾乎在人體所有組織中都有表達(dá)，主要由成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞生成。在RA患者血清中，MMP-2通常呈高表達(dá)狀態(tài)［11］。在一些動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)，MMP-2有助于RA的發(fā)展，且在其病程晚期滑液和血清中水平會(huì)明顯升高［12］。

2.3 MMP-3 MMP-3又稱溶基質(zhì)素-1，是由成纖維細(xì)胞和滑膜細(xì)胞分泌。MMP-3是一種蛋白水解酶，是滑膜炎癥的一個(gè)特殊標(biāo)志物。研究表明，無(wú)論在RA早期階段還是晚期階段，RA患者血清中MMP-3水平均會(huì)升高。因此，MMP-3可作為預(yù)測(cè)RA早期骨破壞的指標(biāo)［13］。MMP-3是參與關(guān)節(jié)軟骨降解最重要的酶，不僅直接參與軟骨的侵蝕，還能激活其他膠原蛋白酶，引起連鎖反應(yīng)，進(jìn)一步加重軟骨破壞和血管翳形成［14，15］。MMP-3除能降解多種ECM的蛋白外，也能激活生長(zhǎng)因子，裂解細(xì)胞黏連分子、趨化因子、細(xì)胞因子和不同的受體等［16，17］;在肝細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的細(xì)胞核中MMP-3表達(dá)也較多，可與ras系統(tǒng)相關(guān)蛋白的結(jié)合，參與MMP-3催化部位核轉(zhuǎn)錄和遷移。無(wú)論是胞內(nèi)還是胞外，MMP-3的活性都受金屬蛋白酶抑制劑的調(diào)控［18，19］?？傊?，MMP-3 有望成為臨床診斷、治療RA及預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)破壞程度的指標(biāo)。

2.4 MMP-8 MMP-8被稱為膠原酶Ⅱ，以往認(rèn)為其僅在骨髓成熟晚期階段中性粒細(xì)胞中表達(dá)。有研究表明，MMP-8在RA發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，在RA患者血清和滑液中均有表達(dá)，來(lái)源于體外培養(yǎng)RA患者的滑膜細(xì)胞，經(jīng)TNF-α刺激后可產(chǎn)生MMP-8。此外，MMP-8調(diào)控與RA相關(guān)一些趨化因子的活性，如IL-1、穿透素-3和前動(dòng)力蛋白受體2等均能促進(jìn)MMP-8的生成，而MMP-8能夠在關(guān)節(jié)炎小鼠模型中抑制炎性滑膜炎和骨侵蝕。其保護(hù)性作用源于其能夠引起關(guān)節(jié)炎小鼠模型中一系列炎癥介質(zhì)的變化［20］。

2.5 MMP-9 MMP-9的基質(zhì)特異性與MMP-2相似，基底膜成分相同，但親和力不同。在RA滑膜中，MMP-9局限于炎癥表面，包括滑膜襯里層細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和白細(xì)胞中。MMP-9和MMP-2在RA患者關(guān)節(jié)滑膜組織中高表達(dá)，且RA患者體內(nèi)MMP-9與滑液中VEGF有關(guān)。因此推斷MMP-9在RA患者滑膜增生方面具有重要作用［21］。最近研究表明，抑制 MMP-9的表達(dá)能夠降低 IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α水平，而 TNF-α、IL-6在 RA相關(guān)炎癥反應(yīng)、骨質(zhì)侵蝕和軟骨破壞方面具有決定性作用［22］。RA患者血清和滑液中MMP-9水平升高與疾病進(jìn)展和嚴(yán)重程度有關(guān);而大鼠MMP-9基因敲除后，由抗體誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度可明顯減輕［23，24］。

2.6 MMP-13 MMP-13在正常人組織中幾乎無(wú)表達(dá)，體內(nèi)出現(xiàn)表達(dá)表明某處組織需要修復(fù)或重塑。因MMP-13在正常組織中分布局限以及能夠降解Ⅱ型膠原和其他細(xì)胞外基質(zhì)成分，故成為許多疾病治療的新靶點(diǎn)。在RA患者體內(nèi)，一些滑膜表面可檢測(cè)到MMP-13，并且其表達(dá)量與體內(nèi)某些炎性指標(biāo)上升有關(guān)。相關(guān)研究表明，無(wú)論是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)還是體外實(shí)驗(yàn)，MMP-13的micro-RNA抑制劑都有軟骨保護(hù)作用［25，26］。

綜上所述，MMPs在RA關(guān)節(jié)破壞中具有重要作用，可作為RA診斷和療效判斷的觀察指標(biāo)。進(jìn)一步深入研究MMPs在RA患者ECM降解中的機(jī)制及其與炎癥因子的關(guān)系，有助于了解RA關(guān)節(jié)軟骨破壞和骨質(zhì)侵蝕的病理過(guò)程，為RA的治療提供新方法。

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