膜1型基質(zhì)金屬蛋白酶在骨代謝作用中的研究進(jìn)展

馮小力 裴啟霖 王霞* 王彬*

1重慶醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)研究院，重慶 400016

2重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院，重慶 400014

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)是一種鋅依賴性內(nèi)肽酶，參與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)中各種蛋白質(zhì)(如膠原蛋白、層粘連蛋白、彈性蛋白等)的降解，在各種生理病理過程的組織重塑中發(fā)揮作用[1-3]。膜1型基質(zhì)金屬蛋白酶(membrane type-1 matrix metalloproteinase，MT1-MMP或MMP14)是一種I型跨膜基質(zhì)金屬蛋白酶。MT1-MMP可調(diào)節(jié)ECM降解、proMMP-2激活和各種細(xì)胞過程(包括細(xì)胞遷移和生存能力)[4]。MT1-MMP參與骨骼肌再生、骨重塑、腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成和抑制淋巴管生成等動態(tài)生理病理過程[5-9]。

骨穩(wěn)態(tài)和骨重塑主要通過成骨細(xì)胞(osteoblast)的成骨作用和破骨細(xì)胞(osteoclast)的骨吸收來維持動態(tài)平衡。骨細(xì)胞(osteocytes)作為骨內(nèi)最多的一類細(xì)胞，穴居于鈣化胞外基質(zhì)中，可通過旁分泌調(diào)節(jié)成骨形成和破骨吸收，參與骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)[10]。骨的ECM介導(dǎo)細(xì)胞粘附、機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)、礦化成核和生長因子的固定等，保護(hù)ECM免受損傷或降解[11]。MT1-MMP是目前已知僅有的一種在富含膠原蛋白的環(huán)境中促進(jìn)細(xì)胞遷移的基質(zhì)金屬蛋白酶, 可靶向胞外基質(zhì)蛋白，參與ECM的胞周蛋白水解[12-13]。MT1-MMP對骨細(xì)胞ECM的調(diào)節(jié)對于骨穩(wěn)態(tài)和骨重塑過程具有重要意義。因此，了解MT1-MMP在骨骼中的功能對于治療骨骼相關(guān)疾病至關(guān)重要。本文擬就近年來MT1-MMP對于骨重塑的相關(guān)研究展開綜述。

1 MT1-MMP參與成骨形成

骨形成和骨吸收之間的平衡受MMPs的調(diào)節(jié)，MT1-MMP被認(rèn)為是驅(qū)動成骨細(xì)胞分化的重要因素。Barthelemi等[14]發(fā)現(xiàn)MT1-MMP缺陷小鼠的骨髓成骨細(xì)胞嚴(yán)重缺乏成骨活性。MT1-MMP通過激活TGF-β，幫助保持成骨細(xì)胞存活和骨細(xì)胞分化[15]。膜型MMPs(尤其是MT1-MMP)賦予非侵入性細(xì)胞侵入的特性。成骨形成是一種主動的侵入性過程，需要切割膠原蛋白以維持骨細(xì)胞表型。骨細(xì)胞表型是通過主動的侵襲過程獲得的，并通過MT1-MMP介導(dǎo)的細(xì)胞相關(guān)基質(zhì)的持續(xù)溶解來維持和延長時(shí)間[16]。MT1-MMP是膠原吞噬作用所必需的，吞噬作用是成人組織中膠原降解的主要途徑。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原都是MT1-MMP的底物，其中MT1-MMP主要作用于Ⅰ型膠原[17]。Ⅰ型膠原是骨組織的主要胞外蛋白，是骨組織最豐富的基質(zhì)蛋白。在成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞的過程中，細(xì)胞逐漸減少Ⅰ型膠原蛋白的合成，使Ⅰ型膠原維持相對穩(wěn)定狀態(tài)。骨細(xì)胞的表型及骨細(xì)胞的生成高度依賴Ⅰ型膠原蛋白的連續(xù)裂解[17]。

組織中的細(xì)胞遷移是許多生理和病理事件所必需的過程。在成骨細(xì)胞的生成過程中，MT1-MMP通過蛋白水解和非蛋白水解兩種途徑促進(jìn)細(xì)胞遷移，進(jìn)一步研究其機(jī)制將有助于鑒定不同骨骼疾病的發(fā)病機(jī)理，為將來發(fā)現(xiàn)控制不良細(xì)胞入侵的新手段提供新思路。研究[18]表明，MT1-MMP通過控制3 D特異性細(xì)胞外基質(zhì)重塑程序來指導(dǎo)骨骼干細(xì)胞譜系的分化；該程序通過調(diào)節(jié)細(xì)胞形狀變化并啟動下游RhoGTPase-actomyosin信號級聯(lián)來觸發(fā)β1-整合素激活，從而驅(qū)動TAZ / YAP上轉(zhuǎn)錄激活子的核定位。缺失MT1-MMP的骨骼干細(xì)胞成骨分化受阻，并伴隨成脂和成軟骨潛力的代償性增加。較早的研究[19]表明，終末分化的成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞中MT1-MMP蛋白水解活性的喪失直接影響骨骼發(fā)育，這是膠原重構(gòu)或FGFR2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受損的原因。棕櫚?；?即在蛋白質(zhì)上添加16碳棕櫚酸酯)使MT1-MMP錨定到細(xì)胞膜上，MT1-MMP翻譯后修飾可能影響MT1-MMP正確的膜定位，從而降低成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞中骨鈣素和血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)，對骨發(fā)育和骨組織代謝產(chǎn)生重大影響。此外 MT1-MMP對破骨細(xì)胞的再吸收也至關(guān)重要[5]。MT1-MMP的非蛋白水解功能是由其胞質(zhì)尾部介導(dǎo)的，其中獨(dú)特的酪氨酸(Y573)控制著細(xì)胞內(nèi)的信號傳遞。MT1-MMP Y573 D突變(MT1-MMPY573 D/Y573 D)的小鼠表現(xiàn)出與MT1-MMP-/-小鼠相似的異常。MT1-MMPY573 D/Y573 D小鼠的骨骼干細(xì)胞表現(xiàn)出與小鼠表型一致的分化缺陷。這些結(jié)果首次在體內(nèi)證明：通過一種獨(dú)立于蛋白水解的機(jī)制，MT1-MMP經(jīng)由控制骨骼干細(xì)胞的分化來調(diào)節(jié)骨、軟骨和脂肪的動態(tài)平衡。MT1-MMP通過蛋白水解和非蛋白水解兩種機(jī)制控制骨骼干細(xì)胞的分化，而這兩種功能的平衡是正常分化所必需的[20]。

2 MT1-MMP參與破骨細(xì)胞的骨吸收

破骨細(xì)胞是造血起源的唯一骨吸收細(xì)胞。當(dāng)骨吸收發(fā)生時(shí)，破骨細(xì)胞會酸化吸收腔，導(dǎo)致胞外基質(zhì)(包括羥磷灰石)的無機(jī)成分溶解，使骨基質(zhì)的有機(jī)成分(如Ⅰ型膠原蛋白)暴露，然后被組織蛋白酶K和基質(zhì)金屬蛋白酶等蛋白酶降解[21-22]。MT1-MMP活性的增加可加速骨吸收，造成骨質(zhì)流失。研究[23]證實(shí)，在純化培養(yǎng)的破骨細(xì)胞中MT1-MMP高表達(dá)；MT1-MMP在體內(nèi)破骨細(xì)胞封閉區(qū)的分布定位表明，該酶修飾骨表面，促進(jìn)破骨細(xì)胞的遷移和附著，以清除再吸收腔隙。

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclearfactor-κB ligand，RANKL)是一種跨膜糖蛋白，在破骨細(xì)胞的發(fā)育中具有重要作用。MT1-MMP活性的增加可刺激sRANKL的產(chǎn)生，進(jìn)而增加破骨細(xì)胞的數(shù)量和骨吸收[5,24]。MT1-MMP缺陷小鼠成骨細(xì)胞產(chǎn)生的可溶性RANKL顯著降低，其破骨細(xì)胞活性得到增強(qiáng)[25]。MT1-MMP/ RANKL / RANK /信號轉(zhuǎn)導(dǎo)軸參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的生成，MT1-MMP對于正常骨形成至關(guān)重要[5]。

在破骨細(xì)胞的遷移和骨吸收過程中，MT1-MMP同樣具有蛋白水解功能和非蛋白水解功能：①在蛋白水解功能中，只有蛋白水解活性形式的酶參與破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收；②在非蛋白水解功能中，MT1-MMP通過其在Tyr573位點(diǎn)磷酸化的胞質(zhì)尾區(qū)(cytoplasmic tail，CT)與Rac1的適配蛋白p130 Cas相互作用促進(jìn)骨髓細(xì)胞在破骨細(xì)胞形成過程中的遷移和融合[12]。在不存在MT1-MMP的情況下，該信號通路的受損會降低片狀脂蛋白活性和細(xì)胞遷移，從而導(dǎo)致無效的細(xì)胞融合[26-27]。由于機(jī)械刺激減少了骨細(xì)胞的凋亡，單獨(dú)靶向MT1-MMP或者M(jìn)MP9在體外或體內(nèi)均不影響破骨細(xì)胞分化或骨吸收；條件性MMP9/MT1-MMP雙基因敲除小鼠降低了動態(tài)平衡的骨轉(zhuǎn)換，并免受病理性骨丟失的影響。MMP9和MT1-MMP作為鼠/人破骨細(xì)胞活性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)骨膠原溶解活性，其雙重缺失減少了破骨細(xì)胞性骨吸收，而不影響破骨細(xì)胞數(shù)量，從而維持了正常的成骨細(xì)胞性骨形成[28]。對CD44-/-破骨細(xì)胞的觀察表明，CD44-TIMP2-MT1-MMP軸調(diào)節(jié)MMP9活性；MT1-MMP敲低研究表明MT1-MMP作為pro-MMP9的上游調(diào)節(jié)劑。CD44的表面表達(dá)，MT1-MMP在細(xì)胞表面的定位以及pro-MMP9的激活是破骨細(xì)胞遷移所必需的進(jìn)展順序[23]。

3 MT1-MMP對骨細(xì)胞的影響

骨細(xì)胞是骨機(jī)械感受和機(jī)械傳導(dǎo)的主要調(diào)節(jié)劑[29]。骨細(xì)胞通過感知機(jī)械負(fù)荷、協(xié)調(diào)產(chǎn)生骨的成骨細(xì)胞和降解骨的破骨細(xì)胞的活動，在骨對機(jī)械負(fù)荷的適應(yīng)性反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，MT1-MMP通過影響骨細(xì)胞對機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)而在骨細(xì)胞機(jī)械傳感中發(fā)揮作用[30]。一氧化氮(nitric oxide，NO)是骨細(xì)胞對機(jī)械負(fù)荷反應(yīng)的生化信號之一，可誘導(dǎo)骨形成和促進(jìn)骨細(xì)胞存活。在機(jī)械負(fù)荷不足的情況下，NO的產(chǎn)生可導(dǎo)致骨細(xì)胞凋亡并開始骨吸收，使骨結(jié)構(gòu)適應(yīng)低負(fù)荷條件。研究[31-32]發(fā)現(xiàn)，MT1-MMP基因敲除增強(qiáng)了骨細(xì)胞對機(jī)械刺激的反應(yīng)，導(dǎo)致NO產(chǎn)量增加，c-jun和c-fos基因表達(dá)上調(diào)。骨細(xì)胞是甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)調(diào)節(jié)骨骼活動的關(guān)鍵靶細(xì)胞[33]。研究[24]表明，MT1-MMP是骨細(xì)胞中甲狀旁腺素受體(PTH1R)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的新靶標(biāo)基因，其通過調(diào)節(jié)可溶性RANKL介導(dǎo)PTH誘導(dǎo)的骨吸收。PTH1R在牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1-8kb(dentin matrix protein 1‐8kb，DMP1-8kb)表達(dá)細(xì)胞中的表達(dá)對于小鼠機(jī)械負(fù)荷的合成代謝作用是必需的[34]。TAZ / YAP作為力學(xué)刺激敏感因子，可通過調(diào)節(jié)骨細(xì)胞的陷窩-小管重塑影響骨穩(wěn)態(tài)[35-36]。研究表明，MT1-MMP是調(diào)節(jié)骨骼干細(xì)胞(skeletal stem cell，SSC)分化過程中YAP / TAZ表達(dá)和細(xì)胞內(nèi)定位的3 D特異性體內(nèi)調(diào)節(jié)劑。而在骨細(xì)胞中，MT1-MMP缺失減少空骨陷窩數(shù)量，降低骨細(xì)胞的凋亡[31,37]。因此，筆者推測在骨細(xì)胞中MT1-MMP可能與TAZ/YAP信號通路相關(guān)。

4 MT1-MMP骨相關(guān)疾病

MT1-MMP在骨骼發(fā)育、重塑和病理過程中的關(guān)鍵作用備受關(guān)注。在小鼠和人體中遺傳沉默MT1-MMP，可導(dǎo)致侏儒癥、骨量減少、全身性關(guān)節(jié)炎和脂肪營養(yǎng)不良[38]。MT1-MMP缺失小鼠在發(fā)育過程中表現(xiàn)出系統(tǒng)性缺陷，特別是在顱面發(fā)育中；MT1-MMP作為去整合素-金屬蛋白酶9(adisintegrin and metalloproteinase 9，ADAM9)活性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子，維持成纖維細(xì)胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR)在顱骨中的作用，它的缺失會導(dǎo)致顱蓋骨發(fā)育受阻[19]。

破骨細(xì)胞在炎癥性骨破壞中起著不可或缺的作用，破骨細(xì)胞是在病理情況下負(fù)責(zé)骨吸收的主要細(xì)胞；巨噬細(xì)胞失調(diào)可替代關(guān)節(jié)炎中的破骨細(xì)胞而引起骨穩(wěn)態(tài)紊亂，表達(dá)MT1-MMP的巨噬細(xì)胞是這種與破骨細(xì)胞無關(guān)的骨吸收的主要原因。即使在沒有破骨細(xì)胞的情況下，c-Fos缺陷型Sh3bp2KI/KI小鼠中的炎癥性骨吸收也由表達(dá)MT1-MMP的巨噬細(xì)胞介導(dǎo)。MT1-MMP是賦予c-Fos缺陷型Sh3bp2KI/KI巨噬細(xì)胞病理性骨吸收能力的關(guān)鍵介質(zhì)。小鼠中的這種非規(guī)范性骨吸收為炎癥性骨病中骨丟失的機(jī)制和治療提供了新見解[39]。MT1-MMP促進(jìn)成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞(fibroblast-like synoviocytes ，F(xiàn)LS)侵襲軟骨，被認(rèn)為是介導(dǎo)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)滑膜浸潤的關(guān)鍵酶[40]。人類RA滑膜細(xì)胞使用MT1-MMP作為主要的效應(yīng)物，負(fù)責(zé)降解和侵襲I型或II型膠原蛋白豐富的結(jié)構(gòu)。MT1-MMP在RA中具有蛋白水解作用，破壞已建立RA關(guān)節(jié)中的軟骨并將致病細(xì)胞遷移至未受影響的關(guān)節(jié)[41]。人類中MT1-MMP的同型等位基因失活導(dǎo)致的溫徹斯特(Winchester)綜合征，是一種罕見的常染色體隱性骨骼發(fā)育異常疾病，其特征是進(jìn)行性關(guān)節(jié)破壞和溶骨，其骨骼表型與在MT1-MMP基因敲除小鼠、MT1-MMP基因敲除斑馬魚中觀察到的相似[42]。此外，MT1-MMP在骨肉瘤與正常骨組織中的表達(dá)有明顯差異，膠原蛋白的降解可能是骨肉瘤的重要生物標(biāo)志[43]。

5 總結(jié)與展望

骨重塑主要通過成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收來維持動態(tài)平衡，骨形成和骨吸收之間的失衡可能導(dǎo)致代謝性骨病(骨質(zhì)疏松癥等)的產(chǎn)生。骨再生和骨修復(fù)均依賴于ECM結(jié)構(gòu)和生化功能的動態(tài)調(diào)節(jié)[11]。而MT1-MMP在骨骼中主要作用于ECM的調(diào)節(jié)，對骨骼的生理動態(tài)維護(hù)至關(guān)重要。在缺乏MT1-MMP的情況下，骨骼會產(chǎn)生一系列的病理生理改變，可能引起多種骨骼疾病，如骨質(zhì)疏松癥、骨轉(zhuǎn)移癌、溫切斯特綜合征、骨肉瘤、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎等。目前，以MT1-MMP為代表的基質(zhì)金屬蛋白酶在骨生物工程中有廣泛的應(yīng)用前景。加強(qiáng)骨細(xì)胞的MT1-MMP對骨相關(guān)疾病影響的研究，或?qū)橐怨羌?xì)胞為靶點(diǎn)的臨床治療提供一定的新思路。