基質(zhì)金屬蛋白酶－28的研究進展

黃 震 張長春 朱 坤 許 剛

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinases，MMPs)因其主要依賴金屬離子而得名。該酶作用廣泛，在降解細胞外基質(zhì)(extracellularmatrix，ECM)、細胞生長、促進新生血管形成等，且廣泛參與人體病理生理過程。該家族的成員MMP－28在某些腫瘤、炎癥過程有報道，且發(fā)現(xiàn)對于某些疾病的診斷及治療具有意義。本文對MMP－28的結(jié)構(gòu)、生理功能及與疾病關(guān)系進行了綜述。

1 MMPs家族生物學(xué)性質(zhì)

1.1 MMPs功能及分類 MMPs是其內(nèi)部構(gòu)成中含有Zn2+、Ca2+的一類蛋白水解酶家族。在自然界進化中屬于高度保守的一類酶，較為廣泛的分布于動植物中，是降解細胞外基質(zhì)(ECM)過程中非常重要的一類酶。能降解細胞外基質(zhì)中的膜型基質(zhì)金屬蛋白酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，間質(zhì)溶素1、2，膠原酶，明膠酶A、B等。而且基質(zhì)蛋白酶及相對應(yīng)抑制劑共同參與維持ECM動態(tài)平衡。該類酶還廣泛參與在人體多種組織中的生理及病理過程。比如炎癥發(fā)生過程、胚胎的生成、免疫應(yīng)答、血管的組成、腫瘤侵襲及轉(zhuǎn)移、心血管疾病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等［1－7］。

Gross與Lapiere在1962年第1次報道出了基質(zhì)蛋白酶－膠原酶，作用于ECM不同類別的基質(zhì)金屬蛋白酶相繼被報道研究。到目前為止已發(fā)現(xiàn)及研究的MMPs家族成員至少可分為5大類28種［8］，并根據(jù)不同的分子結(jié)構(gòu)及功能作用去歸類分型。其可分為5大類［9］:明膠酶(gelatinase)，間質(zhì)性膠原酶(interstitial collagenase)，膜型金屬蛋白酶(memberane－type matrix metalloproteinases，MT－MMPs)，間質(zhì)溶素(stromelysin)與其它類，這些未歸類MMPs的作用比較特殊，在其分類中缺少明顯的特征，不能以其分子結(jié)構(gòu)和相對底物特異性去歸于MMPs已明確的種類之中，而MMP－28就屬于其他類中的一員。

1.2 MMPs結(jié)構(gòu)特點 MMPs成員具有部分結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域以及氨基酸序列，特點如信號肽與前肽區(qū)［10］:信號肽約20個氨基酸殘基共同參與組成，其作用是促進引導(dǎo)翻譯后的產(chǎn)物，使該產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至胞漿內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。前肽區(qū)約80個氨基酸殘基所構(gòu)成，該區(qū)的裂解主要作用于基質(zhì)金屬蛋白酶的激活過程中。且前肽區(qū)內(nèi)含有一個高度保守的 Pro－Arg－Cys－Gly－Val/Asn－Pro－Asp(PRCGV/NPD)序列，該序列的半胱氨酸殘基可與催化區(qū)內(nèi)的鋅離子互相結(jié)合，從而維持酶原的結(jié)構(gòu)及功能穩(wěn)定，其在大多數(shù)MMPs中酶原的活化中具有非常重要的作用。

1.3 MMPs抑制劑 MMPs的抑制劑主要分為兩大類:一類為其天然組織抑制因子(tissue inhibitor ofmatrixmetalloproteinases，TIMPs)［11］，TIMPs 與 MMPs 的酶原相互結(jié)合形成較為穩(wěn)定的復(fù)合體，從而阻礙抑制酶原活化;TIMPs還可直接與活化后的MMPs按照1:1比例相互結(jié)合，從而抑制酶的活性。從而證明TIMPs參與維持ECM在內(nèi)環(huán)境中的動態(tài)平衡，也與組織重塑、個體發(fā)育、細胞生長分化等相關(guān)生理及病理過程關(guān)系密切;另一類為抑制劑，血漿抑制劑包括α2－巨球蛋白、β1－抗膠原酶、α－抗胰蛋白酶、正電性糖蛋白;絡(luò)合劑EDTA和部分人工合成含硫多肽衍生物也可抑制MMPs的活性。

2 MMP-28的來源及結(jié)構(gòu)

2.1 MMP－28來源 MMP－28 是 MMPs近年來的一個新成員，2001年由Lohi等［12］自人角化上皮及睪丸的cDNA文庫中克隆而來。MMP－28與目前已知的MMPs其余成員的同源相似性較低。從生物學(xué)功能作用及結(jié)構(gòu)等方面上來看，它與 MMP－19有39%同源相似性，從而推斷出MMP－28屬于 MMP－19亞族，相對分子量為59 kDa，長3.0 kb，可編碼520個氨基酸序列。

2.2 MMP－28功能及結(jié)構(gòu) MMP－28與 MMPs其他成員一樣，具有可降解基質(zhì)的生物學(xué)功能。MMP－28與MMPs中別的成員相比，在構(gòu)成及生化功能上具有相似性，但是也有著明顯的不同。從MMP－28的結(jié)構(gòu)域特點來看，含有 PRCGVTD序列的前肽結(jié)構(gòu)域、HEIGHTLGLTH序列的鋅離子結(jié)合的催化結(jié)構(gòu)域以及血紅素樣結(jié)構(gòu)域［12－13］，這些結(jié)構(gòu)域在MMPs成員中普遍存在。MMP－28另外還具有一個獨特的弗林蛋白酶激活序列(furin activation sequence)RRKKR，但其結(jié)構(gòu)中并無跨膜序列［14］。目前發(fā)現(xiàn) MMP－11 和 MMP－19 同樣具有弗林蛋白酶激活序列剪切位點，因而可得出激素前質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)化酶家族具有剪切 MMP－28的作用。MMP－28在外顯子、內(nèi)含子的組合構(gòu)成及剪接位點形式上與MMPs其他成員也有著明顯的不同之處。MMPs基因中一般含有10個外顯子，但是在MMP－28基因中僅僅含有8個外顯子，而且其中5個外顯子的剪切位點不能被其他的MMPs所結(jié)合使用。在第4外顯子通過選擇剪切形式轉(zhuǎn)錄，但是它并不能編碼其催化結(jié)構(gòu)域的N端。由啟動子分析研究顯示得出，一些細胞的基本表達產(chǎn)物中具有MMP－28，它的調(diào)控作用與其他MMPs也有所不同。MMP－28啟動子的結(jié)構(gòu)及功能同樣具有特異性，在其轉(zhuǎn)錄起始位點無CCAAT或TATAbox序列，且結(jié)構(gòu)上具有特異的“半胱氨酸開關(guān)”。Illman等［15］通過基因檢測實驗從人的基因組中成功分離出長為3.0 kb的MMP－28的基因，并包含有5'－側(cè)翼序列，且 TATA box或 CCAAT 序列不在 5'－側(cè)翼序列的轉(zhuǎn)錄起始點。從而證實在人類的MMP－28基因之中具有兩個不同的轉(zhuǎn)錄起始點，一個轉(zhuǎn)錄起始點位于轉(zhuǎn)錄起始點上游210 bp，另一個位于轉(zhuǎn)錄起始點上游230 bp處。其啟動子需依賴結(jié)合Sp家族轉(zhuǎn)錄因子中的GT－box序列，并且Sp家族成員具有同源相似性，其位于轉(zhuǎn)錄結(jié)合起始位點上游300 bp處。通過小鼠實驗得出，人類的該轉(zhuǎn)錄位點和小鼠是具有高度同步保守的，且該序列位點的缺失及突變等都會使轉(zhuǎn)錄活性受到影響。通過凝膠遷移率變動分析檢測相關(guān)蛋白與該轉(zhuǎn)錄位點結(jié)合，使其形成特異性蛋白核酸結(jié)合物，使用特異性抗體檢測表明該蛋白核酸結(jié)合物的組成成分中含有Sp1和Sp3，因此，MMP－28基因可能受此調(diào)控機制影響。Illman等［16］在編碼第7個外顯子中血紅素樣結(jié)構(gòu)域起始處時，檢測到 MMP－28 mRNA剪切有兩種不同形式，分別為缺少30 nt和70 nt。通過克隆小鼠MMP－28的cDNA，進行序列測定證實，人類與小鼠的MMP－28氨基酸序列同源性高達85%，而且前結(jié)構(gòu)域中都含有高度保守的特征如 RKKR弗林蛋白酶激活序列。其包含有兩個分別編碼41和39個氨基酸，是與人類相關(guān)的插入序列，而人類中的isoform 1序列編碼520個氨基酸和isoform 2序列編碼393個氨基酸。

3 MMP-28與疾病關(guān)系

3.1 MMP－28表達 MMP－28高表達于人的基底部皮膚、基底上部角質(zhì)細胞以及睪丸的精子細胞、神經(jīng)發(fā)育等過程中［17，18］，在心、肺、腦、腎、腸道、椎間盤、骨骼肌、胎盤、前列腺及某些腫瘤細胞系中同樣有著MMP－28群體的存在。該類酶涉及了人體多種生理及病理過程，如炎癥、胚胎發(fā)生、血管形成、腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移等。

3.2 MMP－28 與創(chuàng)傷愈合 MMP－28 與創(chuàng)傷愈合

MMP－28的表達參與促進創(chuàng)傷愈合及維持組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)［19，20］，共同參與基底膜重建過程。lllman 等［19］通過實驗證實，MMP－28經(jīng)由TGF－β依賴機制誘導(dǎo)上皮細胞－間充質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化(epithelial－mesenchymal transitions，EMT)的發(fā)生和細胞侵襲，從而說明該酶參與介導(dǎo)腫瘤發(fā)生和調(diào)節(jié)上皮細胞功能。Saarialho－Kere等［21］研究得出，在急、慢性傷口遠端由有絲分裂Ki－67陽性角質(zhì)細胞可以產(chǎn)生出MMP－28，它一般情況下不與另外3種酶，基質(zhì)降解酶2、膠原酶I和92 kDa的明膠酶共同存在。MMP－28可在大水皰和潰瘍型肉芽腫等上皮組織損傷表達，但是在正常皮膚組織和棘皮癥組織中則未檢測到表達。在受到損傷的皮膚組織內(nèi)，MMP－28則明顯表達于距離傷口較遠端的基底部角質(zhì)形成細胞中，該種損傷修復(fù)方式與MMPs其他成員不同。另有研究表明MMP－28并不產(chǎn)生在發(fā)育正常傷疤組織中，但是在肥大性傷疤中則具有表達活動。而且MMP－28不在牛皮癬和扁平苔蘚等皮膚增生性疾病中表達［22］，從側(cè)面驗證了MMP－28參與基底膜的重建構(gòu)成。但機體表皮中所表達的主要八聚體結(jié)合蛋白Skn－1a、Tst－1 及 Oct－1，對角質(zhì)細胞中 MMP－28 表達并不具有調(diào)控作用。

3.3 MMP－28與腫瘤擴散 癌轉(zhuǎn)移擴散是導(dǎo)致癌癥患者死亡的主要原因。癌的轉(zhuǎn)移擴散是一個由一系列步驟組成的較為復(fù)雜過程，主要過程是細胞黏附能力的改變、腫瘤血管的生成、癌細胞的運動、癌細胞的定植、ECM的降解等。ECM動態(tài)平衡遭受破壞，降解增多是癌擴散轉(zhuǎn)移過程中的重要一步。ECM中的成分如纖維連接蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)、層黏連蛋白(laminin，LN)、IV型膠原等會受到癌細胞所分泌的蛋白水解酶(包括組織蛋白酶D、IV型膠原酶等)分解，使細胞基底膜受到破壞從而產(chǎn)生局部的缺損，讓癌細胞得以通過。MMPs成員能降解ECM和基底膜中組成成分，破壞其局部組織穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而增加腫瘤誘導(dǎo)中的所需血管形成。MMP－28的活性表達與腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移等有關(guān)。作為MMPs中的新成員，MMP－28可通過蛋白水解作用直接去作用于ECM，水解對應(yīng)的酶及蛋白質(zhì)，或與其他MMPs成員共同參與多種腫瘤的侵襲及轉(zhuǎn)移過程。李付彪等［23］使用 RT－PCR方法檢測對照肺良性病變組織與肺癌組織中MMP－28 mRNA表達水平，實驗結(jié)果顯示，肺癌組織中檢測到的 MMP－28 mRNA表達水平明顯高于肺良性病變組織及癌旁組織，且與P－TNM分期、細胞分化程度及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等密切有關(guān)。Overall等［24］研究證實MMPs在乳腺癌組織中的表達模式呈現(xiàn)為一種低水平表達，但是MMP－28在其中的表達較家族其他成員有明顯增高。Jian等［25］通過使用逆轉(zhuǎn)錄－聚合酶鏈反應(yīng)及免疫組化方法證實MMP－28在胃癌組織中的表達顯著增高，表明MMP－28過度表達在胃癌疾病的進展中，并能促進腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。Bister等［26］通過 MMP－28 與MMP－19、MMP－26 對比研究證實，在結(jié)腸癌的擴散及轉(zhuǎn)移侵潤過程中，扮演了非常重要的作用。MMP－28在正常結(jié)腸組織有所表達，但是在炎癥結(jié)腸組織中既不能表達于非轉(zhuǎn)移性和轉(zhuǎn)移性細胞，又不能在脫落的上皮組織中觀察到，提示炎癥和破壞性與MMP－28表達改變無關(guān)［27］。

3.4 MMP－28與椎間盤疾病 導(dǎo)致椎間盤退變的機制原因有許多種，如力學(xué)因素刺激、細胞外基質(zhì)成分的變化［28］、營養(yǎng)代謝、細胞衰老凋亡、蛋白多糖聚合體的丟失、分解產(chǎn)物積累等，都能促進椎間盤的退變。在椎間盤組織中過量MMPs表達、椎間盤組織細胞活性降低和ECM分解合成平衡功能破壞，是造成椎間盤退變的重要原因。退變的椎間盤組織中可檢測到絕大多數(shù)MMPs成員表達升高，如MMP－2在椎間盤退變的過程中分解膠原，從而使椎間盤生化性質(zhì)的不穩(wěn)定性，其不穩(wěn)定性與退變又會影響到周圍組織，引起蛋白裂解或纖維化導(dǎo)致脊柱的重塑。MMP－3的作用于基質(zhì)中的蛋白多糖、糖蛋白等，還可以作用于裂解Ⅱ型膠原非螺旋區(qū)結(jié)構(gòu)，并且可以激活其他MMPs成員，從而導(dǎo)致椎間盤退變［29］。而 Gruber等［30］研究得出 MMP－28 在退變椎間盤組織中呈現(xiàn)為陽性表達，證實椎間盤退變與MMP－28有相關(guān)性，是影響椎間盤退變的重要因素之一，但具體機制尚不清楚。

3.5 MMP－28與口腔疾病 口腔黏膜組織病變組織中，MMP－28的高表達于口腔扁平苔蘚、口腔白斑組織，而在癌前病變白斑組織中的表達高于扁平苔蘚組織，從側(cè)面驗證了 MMP－28可能參與癌變的發(fā)病過程［31］。Lin 等［32］利用免疫組織化學(xué)分析和 RT－PCR檢測表明，口腔鱗狀細胞癌(oral squamous cell carcinomas，OSCCs)中 MMP－28 mRNA 及蛋白表達水平明顯高于口腔癌前病變及癌旁組織。在臨床上，口腔腫瘤惡性程度轉(zhuǎn)化可以以MMP－28為標(biāo)志，但是在黑色素瘤早期病程發(fā)展中卻不能夠表達［33］。Padmavati等［34］使用RT－PCR方法對比檢測正常牙齦組織、慢性牙周炎、侵襲性牙周炎組織中MMP－28的mRNA表達，證實出在正常牙齦組織表達要高于病變組織，從而說明MMP－28可作為牙周健康的一種生物標(biāo)志物。

4 小結(jié)

由于MMP－28是MMPs中的新成員，所以國內(nèi)外的相關(guān)報道相對較少，與其他MMPs成員相比，目前對MMP－28的研究只局限于其生化結(jié)構(gòu)和相關(guān)腫瘤組織的表達，而明確的生理作用和特異底物尚屬未知，僅僅有研究證明在體外MMP－28可裂解酪蛋白。與MMPs中較早被發(fā)現(xiàn)及重視研究的MMP－2、MMP－9等不同，MMP－28沒有得到較廣泛的研究，而且其在人體內(nèi)的生物學(xué)功能、組織表達等也有待進一步的研究。通過對MMP－28的深入研究，相信該蛋白酶在不久的將來可以對多種疾病的預(yù)防及診斷具有潛在的指導(dǎo)意義。

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(2014－04－05收稿 2014－06－10修回)