運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老的骨骼肌中MMPs及TIMPs的影響

楊洲

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200241)

運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老的骨骼肌中MMPs及TIMPs的影響

楊洲

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200241)

衰老過(guò)程中會(huì)伴隨著肌肉質(zhì)量的下降；細(xì)胞外基質(zhì)的減少；膠原蛋白沉積?；|(zhì)金屬單蛋白(Matrix metalloproteinases,MMPs)能降解膠原蛋白，運(yùn)動(dòng)能影響基質(zhì)金屬蛋白、基質(zhì)金屬蛋白抑制劑(Tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的表達(dá)，從而對(duì)膠原蛋白產(chǎn)生影響，以致影響骨骼肌。這在一定程度上為骨骼肌重塑提供了思路。

骨骼肌 細(xì)胞外基質(zhì) 衰老 運(yùn)動(dòng) MMPs TIMPs

骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)約占骨骼肌重量的10%，而骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)中膠原蛋白的含量約為85%。衰老與稠密的細(xì)胞外基質(zhì)沉淀物和肌衛(wèi)星細(xì)胞功能丟失有緊密聯(lián)系，這會(huì)導(dǎo)致再生能力和力量的減少[1]。MMP和TIMPs共同維護(hù)膠原蛋白的穩(wěn)態(tài)，本文通過(guò)介紹骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)，闡述衰老對(duì)骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)的影響以及運(yùn)動(dòng)對(duì)MMPs、TIMPs的影響。

1 細(xì)胞外基質(zhì)與骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)

1.1 細(xì)胞外基質(zhì)

細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular Matrix，ECM)是由細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外，分布在細(xì)胞表面或細(xì)胞之間的大分子物質(zhì)，由基底膜(basement membrane，BM)和細(xì)胞間基質(zhì)組成，是阻止腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的重要組織屏障。其主要成分包括糖胺聚糖、蛋白聚糖、膠原蛋白和彈性蛋白、纖連蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)和層粘連蛋白(laminin，LN)。細(xì)胞外基質(zhì)通過(guò)膜整合蛋白將細(xì)胞內(nèi)外連成整體，參與細(xì)胞生存及調(diào)亡，決定細(xì)胞的形狀并控制細(xì)胞的分化及細(xì)胞的遷移[2-5]。

1.2 骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)

細(xì)胞外基質(zhì)在骨骼肌組織發(fā)育，結(jié)構(gòu)維持和力量傳遞中發(fā)揮著重要作用。細(xì)胞外基質(zhì)占肌肉重量的10%左右，由三層組成，肌內(nèi)膜，其包裹單一的肌纖維，肌束膜，其分開肌肉呈束，肌外模，其為整個(gè)肌肉提供外部支持?；啄な羌?xì)胞外基質(zhì)的特殊層，其存在與每條肌纖維膜和和周圍肌內(nèi)膜之間。其再被分為網(wǎng)狀板，主要包括：(1)膠原纖維(膠原蛋白1，3，6)和纖維連接蛋白；(2)內(nèi)部基底膜，有非纖維膠原蛋白(膠原蛋白4，)和層粘連蛋白組成[1]。

2 膠原蛋白

膠原蛋白(也稱膠原)是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的主要成分，約占膠原纖維固體物85%，占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%～30%。膠原中含有大量的甘氨酸，約占總氨基酸的27%，其一級(jí)結(jié)構(gòu)均為“Gly-X-Y”重復(fù)序列，其中脯氨酸和羥脯氨酸的含量特高，占膠原氨基酸的14%，這兩種氨基酸是膠原特有，而色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低，因此，膠原屬不完全蛋白質(zhì).膠原呈乳白色的一種多糖蛋白，具有很強(qiáng)的延伸力，不溶于水，在酸中可溶解[6]。

膠原是骨骼肌ECM最豐富的結(jié)構(gòu)成分，不僅支持組織結(jié)構(gòu)，而且為肌細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和形變提供條件和遷移的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。骨骼肌膠原主要(超過(guò)90%)包括3種亞型，即膠原蛋白I、III，IV。I型和IV型膠原蛋白屬于纖維類膠原，IV型膠原蛋白是基底膜最豐富的結(jié)構(gòu)成分[7-8]。

3 衰老對(duì)骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)的影響

肌肉細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)果變化與隨年齡增加的肌肉力量和機(jī)械性能有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)膠原沉積。

進(jìn)一步的研究表明I型膠原比例增加III型膠原比例下降。隨著年齡的增長(zhǎng)慢肌基底膜IV型膠原濃度增加，層粘蛋白濃度下降。肌肉的彈性橫量會(huì)隨年齡的增加而增加。膠原沉積會(huì)造成基膜厚度增加，這會(huì)影響衛(wèi)星細(xì)胞與肌纖維的物理聯(lián)合。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白如，纖連蛋白，彈性蛋白，層粘蛋白的受損降解產(chǎn)生的蛋白水解碎片積累增加，會(huì)近進(jìn)一步限制衛(wèi)星細(xì)胞與鄰近細(xì)胞和肌纖維的相互作用。通過(guò)利用剛度可調(diào)節(jié)水凝膠顯示，彈性橫量為2kPa時(shí)衛(wèi)星細(xì)胞更有可能增殖，彈性橫量為18kPa（與在受損老年肌纖維中觀察到的相同）時(shí)衛(wèi)星細(xì)胞更有經(jīng)歷分化，因此細(xì)胞外基質(zhì)的這些變化在老年骨骼肌再生能力下降這個(gè)方面有重要影響[7-9]。骨骼肌細(xì)胞外基成分的變化是改變其物理特性的關(guān)鍵，而正是這改變的物理特性影響了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的生物特性。

4 MMPs/TIMPs

Gross和Lapiere在1962首次發(fā)現(xiàn)MMP[10]，MMPs可由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及癌細(xì)胞細(xì)胞分泌[11]。

MMPs被稱為基質(zhì)金素蛋白，由于其活性依賴于鋅、鈣、鎂等離子，所以稱之為金屬蛋白酶[12-13]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和組織特異性，MMPs可被分為6組：膠原酶，明膠酶，間質(zhì)溶解素，解素，膜型MMPs，以及其他的未劃分MMPs。其中膠原酶包括M M P1、M M P8、M M P13；明膠酶包括MMP2、MMP9；基質(zhì)水解酶包括MMP3、MMP7、MMP10、MMP11、MMP12；模型MMPs包括MMP14、MMP15、MMP16、MMP17；未劃分的MMPs包括MMP19和MMP20[14]。

相關(guān)研究報(bào)道MMPs大都含有幾個(gè)高度保守的相同結(jié)構(gòu)片段。(1)信號(hào)肽區(qū)域；(2)前肽區(qū)域(激活時(shí)去除)；(3)含Zn2+結(jié)合區(qū)催化區(qū)域；(4)鉸鏈區(qū)域；(5)血紅素結(jié)合蛋白區(qū)域，在乙酰氨基苯汞（APMA）作用下，切斷末端，形成具有活性的酶，選擇作用與肽鏈中，其斷端具有共同序列PRCGVPD，催化區(qū)域含Zn2+結(jié)合區(qū)，MMP2和MMP9具有明膠酶結(jié)合區(qū)，膜型金屬蛋白酶有細(xì)胞膜貫通區(qū)域，這些都與MMPs結(jié)合并降解ECM有關(guān)[15]。其中MMP9的分子量為92～97kDa，可降解Ⅳ、V、Ⅺ、Ⅸ型膠原。且主要以Ⅳ型膠原為主。眾多研究證實(shí)Ⅳ型膠原是基底膜的重要成分。

M M Ps受特殊組織金屬蛋白酶抑制劑（TI M Ps）調(diào)整，TIMP家族已經(jīng)確定的成員有四個(gè)其中包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4。TIMP-1由大多數(shù)的結(jié)締組織和巨噬細(xì)胞分，TIMP-1降解所有類型的膠原酶，基質(zhì)溶解酶、明膠酶。

TIMPs蛋白含有184～194個(gè)氨基酸，其分子量約為21kDa[16]。TIMPs成員大約有40%的氨基序列相同，TIMPs的抑制能力也來(lái)源于N-末端區(qū)[17]。蛋白酶抑制功能涉及五個(gè)關(guān)鍵的N-末端氨基酸(Cys1 Thr Cys Val Pro5)其使“楔型”的TIMPs蛋白形成了一個(gè)脊，這個(gè)脊嵌入到基質(zhì)金屬蛋白的激活位點(diǎn)即保守的Cys1殘基處于催化的Zn2+之上，取代肽鍵水解所需的原子[16-18]。2～5個(gè)殘基與蛋白酶次位點(diǎn)相互作用決定蛋白酶底物的特異性并促進(jìn)高親和綁定。在TIMP-1中由于9個(gè)殘基，其C-末端區(qū)尾巴更短，TIMP-2和TIMP-4帶負(fù)電荷，TIMP1和TIMP3不帶電，在這里其能被糖基化。這個(gè)區(qū)域是TIMP綁定到MMP血紅素結(jié)合蛋白區(qū)的關(guān)鍵[19]。X射線晶體和核磁共振（NMR）溶液結(jié)構(gòu)，主要用于決定MMP結(jié)合TIMP的N-末端復(fù)合物。TIMP以1∶1摩爾化學(xué)計(jì)量非共價(jià)特異性結(jié)合活化的MMP[18]。TIMP-1是某些膜型基質(zhì)金屬蛋白的弱抑制劑包括膜型1型基質(zhì)金屬蛋白酶（MT1-MMP；也被稱為MMP14）[16]，但其是MMP-3和MMP-7的有效抑制劑，TIMP2、TIMP3T、TIMP4能抑制絕大多數(shù)的MMP[20]。

5 運(yùn)動(dòng)對(duì)MMPs/TIMPs的影響

與年齡相關(guān)的肌再生能力下降是由于肌衛(wèi)星細(xì)胞功能紊亂，老年肌衛(wèi)星細(xì)胞展示了一種纖維轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致纖維化和損傷后的修復(fù)受損。雖然很多研究已經(jīng)證明細(xì)胞外基質(zhì)特性對(duì)干細(xì)胞命運(yùn)的影響。Kristen M等人研究研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加膠原蛋白的曲折會(huì)減少，肌肉的硬度增加。與年齡相關(guān)的細(xì)胞外基質(zhì)的改變直接破壞了肌衛(wèi)星細(xì)胞的應(yīng)答，將肌衛(wèi)星細(xì)胞移植到從離體老年肌肉中分離出來(lái)的細(xì)胞外基質(zhì)與移植到年輕的細(xì)胞外基質(zhì)相比，前者顯示出了更多的纖維化標(biāo)志物，以及降低的肌源性。與年輕的纖維母細(xì)胞相比，從老年的肌肉中分離出的纖維母細(xì)胞顯示出更高的感受器細(xì)胞核水平[21]。由于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞處于基底膜的下方，骨骼肌受損部位需修復(fù)時(shí)，激活的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞需穿過(guò)基底膜到達(dá)受損部位，這樣才能完成之后的修復(fù)過(guò)程。衰老的細(xì)胞外基質(zhì)會(huì)出現(xiàn)膠原沉積，剛度增加，不利于肌衛(wèi)星細(xì)胞的遷移，基質(zhì)金屬蛋白對(duì)于膠原蛋白具有降解作用，運(yùn)動(dòng)對(duì)于基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制的影響是否能改善這種沉積狀況，值得關(guān)注，相關(guān)研究人員對(duì)于運(yùn)動(dòng)對(duì)MMPs/TIMPs的影響有一定的研究

JS Williams通過(guò)將21只Wistar大鼠隨機(jī)分為3組(n=7組)：對(duì)照（SC）；RT4梯爬（RT-4；50，75，90和100%的最大承載能力）和RT8梯爬(rt-8每個(gè)負(fù)荷進(jìn)行兩組)。8周的RT訓(xùn)練包括垂直的1.1m的梯子和固定于動(dòng)物的尾部的重量。MMP-2和9活性利用明膠酶譜法進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示rt-8與RT-4、SC腓腸肌相比其 MMP-2活性顯著升高(P＜0.05)[22]。在大鼠的等長(zhǎng)，向心和離心訓(xùn)練研究中，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三種類型的訓(xùn)練都會(huì)增加I型和III膠原、MMP-2、TIMP-1和2[23]。

也有研究人員發(fā)現(xiàn)在凍傷的后3天MMP-2的表達(dá)大幅上調(diào)，凍傷7天后其MMP-2 mRNA的數(shù)量開始減少，損傷10天后MMP-2 mRNA恢復(fù)到骨骼肌再生進(jìn)程的在凍傷的后3天MMP-2的表達(dá)大幅上調(diào)，凍傷7天后其MMP-2 mRNA的數(shù)量開始減少，損傷10d后MMP-2 mRNA恢復(fù)到骨骼肌再生進(jìn)程的基線水平[24]。肌肉毒素?fù)p傷脛骨前（TA）的后3天MMP-9的活動(dòng)大幅上調(diào)，3天后MMP-9 mRNA以及MMP-9 的數(shù)量開始下降[25]。

從這些研究中可以看出運(yùn)動(dòng)可使MMP的表達(dá)增加，以及其相應(yīng)的抑制劑表達(dá)下降，但是不同的運(yùn)動(dòng)效果并不想同，甚至相同的運(yùn)動(dòng)結(jié)果卻不一樣，比如在運(yùn)動(dòng)對(duì)與MMP-2的影響上，有些研究發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)可上調(diào)MMP-2的表達(dá)，但是也有研究認(rèn)為有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)于MMP-2的表達(dá)并不能產(chǎn)生影響。某些條件下造成的肌肉損傷能對(duì)MMPs/TIMPs產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)對(duì)MMPs/TIMPs相同的效果。

運(yùn)動(dòng)能上調(diào)部分MMPs的表達(dá)，但對(duì)TIMPs的影響研究較少，MMPs高表達(dá)可降解膠原蛋白，甚至是破壞細(xì)胞外基質(zhì)，但是衰老的骨骼肌細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)基質(zhì)膠原沉積，不利于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的遷移，會(huì)對(duì)骨骼肌再生造成不利影響，但MMPs對(duì)于膠原蛋白的降解作用有利于改善改善膠原沉積，MMPs與TIMPs之間可能存在一定程度上的動(dòng)態(tài)平衡，以達(dá)到改善膠原沉積的狀況，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的恢復(fù)。

6 結(jié)語(yǔ)

MMPs作為唯一能降解纖維類膠原的蛋白酶家族，與其抑制因子TIMPs相互作用，共同維護(hù)細(xì)胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，可能MMPs/TIMPs之間存在一定的比例，而這個(gè)比例由于不同組織和不同的生理年齡而產(chǎn)生變化。MMPs過(guò)多必定會(huì)過(guò)度降解細(xì)胞外基質(zhì)，眾多研究顯示急性運(yùn)動(dòng)會(huì)使MMPs表達(dá)過(guò)多，會(huì)破壞細(xì)胞外基質(zhì)或造成炎癥反應(yīng)，MMPs過(guò)少在生長(zhǎng)發(fā)育期可能會(huì)使膠原的表達(dá)過(guò)度，細(xì)胞外基質(zhì)增厚，造成纖維化。機(jī)體存在一個(gè)高效機(jī)制，能應(yīng)對(duì)外界的變化，調(diào)整自身的機(jī)能狀態(tài)，MMPs/TIMPs的動(dòng)態(tài)變化也在這個(gè)機(jī)制之中。衰老對(duì)于機(jī)體的影響會(huì)使之朝著紊亂發(fā)展，那么相應(yīng)的措施對(duì)于某些機(jī)制的影響就必須采取，利用運(yùn)動(dòng)刺激MMPs的表達(dá)，改善衰老的骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)也有一定的價(jià)值。

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