MMP-28的特性及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

趙志強,馬福林,陳敏學,聶元華,朱占弟,康博雄,樊 勇,王 琛

(蘭州大學第二醫(yī)院普外科四病區(qū),中國甘肅蘭州730030)

基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是一類高度保守的鋅離子依賴蛋白水解酶,其在特異性降解細胞外基質(extracellular matrix,ECM)成分的同時,還能作用于非ECM成分,以介導ECM釋放和激活可溶性因子,如生長因子和細胞因子等[1]。目前,已報道的MMPs家族共有26個成員,根據(jù)不同成員的結構和底物特異性可將其分為六類,分別為膠原酶、明膠酶、溶基質素、基質溶素、膜型MMPs和其他MMPs[2]。所有的MMPs具有獨特但部分重疊的功能,從而精確地調控生物體基本的生理病理過程[3]。

MMP-28又名上皮水解素(epilysin),最早于2001年由Lohi等[4]自人角化上皮及睪丸的cDNA文庫中克隆出來。目前已證實,MMP-28在正常胎兒(肺、腦、腎)和成人(睪丸、腸、皮膚和肺等)組織中廣泛表達[5],可參與機體的炎癥反應、胚胎發(fā)育、血管形成等多種病理生理過程[6]。此外,與其他MMPs相似,MMP-28在某些腫瘤和癌細胞系中過表達,促進腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[7]。目前,MMP-28和腫瘤相關的研究日益受到關注,其作為腫瘤早期診斷標志物和治療靶點的前景廣闊。本文就MMP-28的特性及其在腫瘤進展中的作用研究進行初步探討,以期為MMP-28表達異常的腫瘤的早期診斷和治療提供幫助。

1 MMP-28的結構和功能

MMP-28的編碼基因位于第17號染色體(17q11.2),可編碼520個氨基酸[8]。與大多數(shù)MMPs相似,MMP-28的基本結構由5個部分構成,即N端的信號序列、前肽區(qū)、鋅結合催化結構區(qū)、鉸鏈區(qū)和C端的血紅素類似物結構域[9](圖1)。信號序列可引導其靶向分泌。前肽區(qū)由80個氨基酸組成,含有半胱氨酸殘基,具有調節(jié)MMP-28活性的作用；同時,前肽區(qū)內存在弗林蛋白酶激活序列,表明MMP-28可以被該酶在細胞內激活[11]。催化結構區(qū)包含3個組氨酸殘基,它們以配位鍵的形式與鋅離子結合,是催化MMP-28的關鍵位點。血紅素類似物結構域具有類似于四葉螺旋槳的三維結構,通過富含脯氨酸的鉸鏈區(qū)與催化結構區(qū)相連,此區(qū)具有選擇特異性底物的功能,可發(fā)生激活、抑制、錨定和二聚化等反應[12]。

通常,蛋白質特殊的結構往往會決定其多樣性的功能,目前MMP-28已知的功能主要有以下幾點:1)降解細胞外基質的多種成分,調節(jié)細胞之間的黏附,促進上皮細胞向間充質轉化[13]；2)參與組織再塑及創(chuàng)傷修復等過程[14]；3)直接或間接影響胚胎的發(fā)育和形成[15]；4)參與機體的炎癥反應[5]；5)與神經(jīng)發(fā)育密切相關,參與神經(jīng)的脫髓鞘作用[16]。

2 MMP-28活性的調節(jié)

2.1 啟動子的調節(jié)

通過對人和小鼠的MMP-28基因的啟動子進行測序及比較分析,人們在轉錄起始位點上游約70 bp處鑒定了一個與轉錄因子特異性蛋白1和3(specificity proteins 1 and 3,Sp1/3)結合的啟動子序列GT-box,該序列在人和小鼠的啟動子之間是完全一致的,這暗示GT-box在調節(jié)基因表達中可能發(fā)揮核心作用[5]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),GT-box的突變或缺失顯著降低了MMP-28基因在角質形成細胞和精原細胞中的轉錄活性,這一事實證明了GT-box對MMP-28活性調控的重要性[17]。

2.2 轉錄因子Sp1的乙?；{節(jié)

有研究表明,乙?；饔每烧{節(jié)多種蛋白質的活性,例如結構蛋白、細胞內信號分子和轉錄因子等[18]。Swingler等[19]研究發(fā)現(xiàn),組蛋白去乙?；敢种苿┩ㄟ^作用于轉錄因子Sp1誘導MMP-28的表達。在該實驗中,組蛋白去乙?；敢种苿┳饔玫陌悬c是Sp1而非組蛋白,這可能是由于Sp1的活性受轉錄因子本身的乙?；饔谜{節(jié)[20]。該研究結果進一步強調了Sp1/3在MMP-28基因啟動子中的重要性。

2.3 半胱氨酸開關的調節(jié)

MMP-28合成后以無活性酶原的形式釋放,這主要和前肽區(qū)內的半胱氨酸開關有關[6]。半胱氨酸殘基與催化結構區(qū)中的鋅離子相互作用,從而使催化活性受到抑制。當MMP-28接觸到各類激活劑時,半胱氨酸和鋅離子分離,暴露活性中心,使得激活劑和活性中心結合,從而激活MMP-28。

圖1 MMP-28的結構示意圖(參照文獻[5]和[10]修改)SS:信號序列；Pro:前肽區(qū)；Fu:弗林蛋白酶激活位點；Catalytic:鋅結合催化結構區(qū)；Hi:鉸鏈區(qū)；H:血紅素類似物結構域。Fig.1 The structure schematic of MMP-28(modified from references[5]and[10])SS,signal sequence；Pro,propeptide；Fu,furin-cleavage site；Catalytic,catalytic domain；Hi,hinge region；H,four-bladed haemopexin domain.

2.4 細胞區(qū)室化的調節(jié)

在生物體內,MMP-28不是隨機釋放到細胞外,而是通過調節(jié)其對不同底物的親和力及嚴格控制活性蛋白酶的空間分布來實現(xiàn)的,即所謂的區(qū)室化[13]。MMP-28本身不包含跨膜結構域或膜錨定序列,但其通過血紅素類似物結構域與細胞表面的特定受體分子相互作用,將具有水解活性的蛋白酶引導至細胞周圍環(huán)境,裂解細胞表面蛋白,改變細胞信號傳導,從而影響細胞的生物學行為[13]。

2.5 BCMO1及其底物的調節(jié)

β,β-胡蘿卜素-15,15′-單加氧酶(β,β-carotene-15,15′-monooxygenase,BCMO1)是參與體內類胡蘿卜素轉化為維生素A的主要代謝酶,其催化β-胡蘿卜素等產(chǎn)生視黃醛,后者再進一步轉化為視黃醇或視黃酸[21]。Pham等[22]發(fā)現(xiàn),抑制BCMO1的表達,MMP-28的表達和活性增強；此外,在培養(yǎng)基中增加β-胡蘿卜素的含量后,MMP-28的活性受到抑制,這可能是由于β-胡蘿卜素是BCMO1的催化底物,當?shù)孜餄舛仍黾訒r,機體通過反饋作用,使BCMO1的表達上調,進而抑制了MMP-28的活性。

3 MMP-28在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中的作用

研究報道,MMP-28在肝癌、胃癌、膀胱癌、肺癌和腦膠質瘤等的癌組織中廣泛表達,且影響患者的預后[7,13,23～25]。它的表達和激活在腫瘤細胞凋亡、侵襲轉移和血管生成等關鍵過程中發(fā)揮著至關重要的作用。目前已證實MMP-28主要經(jīng)以下方式促進腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。

3.1 通過誘導EMT促進腫瘤的進展

上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮細胞獲得更多間充質表型的基本生物學過程,其特征是細胞-細胞黏附受體的丟失、細胞外基質降解以及中間絲細胞骨架成分的改變,它是誘導細胞運動的一個關鍵過程,為癌細胞侵入周圍組織提供了手段[26]。癌組織侵襲和轉移的關鍵環(huán)節(jié)是降解癌周組織,其中最重要的就是水解細胞外基質。MMP-28通過誘導EMT,打破細胞外基質的降解平衡,從而促進腫瘤的侵襲和轉移[10]。Illman等[13]通過對肺癌細胞展開研究發(fā)現(xiàn),MMP-28在表達異常的情況下可誘導EMT,促進肺癌細胞的侵襲和轉移。這表明MMP-28誘導的EMT導致上皮表型發(fā)生改變,為腫瘤細胞提供了侵襲特性。Heiskanen等[27]在犬腎上皮細胞系的研究中發(fā)現(xiàn),MMP-28的過表達會導致基底膜外側的細胞外基質急劇減少,同時引起Ⅳ型膠原、層粘連蛋白和纖連蛋白消失。此外,MMP-28還可以由間充質細胞產(chǎn)生,這一分泌作用可促進上皮細胞向間充質轉化,進一步降解細胞外基質,創(chuàng)造有利于腫瘤侵襲轉移的條件,促進癌細胞侵入周圍組織、血管和淋巴管[28]。然而,當前關于MMP-28如何誘導EMT的研究是有限的,因此,有必要在EMT過程中進行更深入的探索。

3.2 通過激活TGF-β促進腫瘤的進展

在哺乳動物中,轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)可參與胚胎發(fā)育、器官發(fā)生、細胞凋亡、免疫調節(jié)和應激反應等多種生物學行為[29]。正是由于其功能的多樣性,TGF-β信號傳導異?？赡芘c腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉移密切相關[30]。Wang等[31]通過對神經(jīng)膠質瘤細胞的研究發(fā)現(xiàn),MMP-28通過激活TGF-β來誘導腫瘤細胞生長并減少神經(jīng)膠質瘤細胞的凋亡,而且神經(jīng)膠質瘤患者經(jīng)治療后血清中TGF-β的濃度明顯降低,腫瘤浸潤能力下降。此外,MMP-28可通過增強TGF-β及其下游信號分子的溶解性來促進腫瘤組織血管的生成,進而促進腫瘤的生長和侵襲[32]?？傊?MMP-28可經(jīng)誘導TGF-β促進腫瘤的進展,通過監(jiān)測血清中TGF-β的濃度可在一定程度上評估腫瘤的惡性程度和臨床療效,這可能為患者預后療效的評估提供了一種新的方法。

3.3 通過誘導其他MMPs的表達促進腫瘤的進展

研究發(fā)現(xiàn),在腫瘤微環(huán)境中,MMP-28可以通過誘導MMP-9和MMP-14的表達來促進腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[13]。Mehner等[33]通過對乳腺癌細胞的研究發(fā)現(xiàn),MMP-9具有降解鈣黏素的功能,可引起乳腺癌細胞間黏附性下降,活動度增加,從而在某種程度上促進癌細胞的侵襲和轉移。Meyer等[34]發(fā)現(xiàn),MMP-9能夠保護結腸腺癌細胞免于蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)/p53誘導的調亡,說明MMP-9具備抗PKC/p53誘導腫瘤細胞調亡的功效。此外,有研究顯示,MMP-14和MMP-9還可以加強血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)及其受體(VEGFR)在腫瘤早期階段的結合,促進新生血管的形成[35～36]；而且,隨著MMP-9表達的增加,VEGF和VEGFR2的表達也相應增加[35]。這一系列證據(jù)說明MMP-28可通過誘導其他MMPs的表達來增強自身的促瘤作用。

4 展望

MMP-28在結構上屬于MMP-19亞家族,是MMPs最新的成員之一,它在早期妊娠的胎兒組織、傷口邊緣、成人正常組織中廣泛表達,參與了傷口修復、胚胎發(fā)育、血管形成等多種病理生理過程[7]。近年來,MMP-28在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中的作用得到了較為廣泛的研究,Zhou等[24]通過對肝細胞癌的研究發(fā)現(xiàn),MMP-28的表達與腫瘤大小、分期、侵襲和轉移密切相關,并提示預后不良；Zhang等[37]在胃癌組織的研究中也得到了相似的結論。這一系列證據(jù)說明MMP-28的表達與激活在腫瘤細胞的增殖、分化、侵襲、轉移、血管生成和凋亡等關鍵過程發(fā)揮了至關重要的作用。

鑒于MMP-28在癌組織中的表達特點和作用,越來越多的研究將其作為惡性腫瘤潛在的治療靶點。相關研究報道,MMP-28的底物酪蛋白已被鑒定為一種新型的腫瘤進展抑制劑[38～39]；MMP-28的幾種活性抑制劑可抑制乳腺癌[40]和結直腸癌[41]的進展,并已被應用于相應腫瘤的治療[42],這可能為化療耐藥的腫瘤進行靶向治療提供了一種有效的治療方案。然而,目前關于化療或靶向治療耐藥的腫瘤組織中是否廣泛存在MMP-28抑制劑耐藥性的問題尚不清除,還需進一步探索。此外,MMP-28表達水平的改變在腫瘤進展中的具體作用機制還需進一步闡明,這有助于加深人們對腫瘤靶向治療的認識,從而為開發(fā)有效治療惡性腫瘤的藥物及方法提供理論支持。