|
關(guān)鍵詞： 基質(zhì)金屬蛋白酶；骨改建
基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)是參與降解包括骨在內(nèi)的全身各種組織細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的蛋白酶家族。自1962年Gross和Lapie re首次報(bào)道膠原酶(Collagenase)以來(lái)，作用于ECM其它成分的基質(zhì)金屬蛋白酶不斷報(bào)道。到目前為止已發(fā)現(xiàn)和純化的MMPs至少有20種,已證實(shí)MMPs在幾乎機(jī)體各種組織的發(fā)育和修復(fù)、腫瘤發(fā)生發(fā)展、炎癥反應(yīng)等過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，已愈來(lái)愈引起人們的重視。本文就MMPs在骨發(fā)育、代謝與再生等的改建過(guò)程中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1 MMPs的一般特性
MMPs是一組含Zn2+的能夠降解細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白酶，通常在中性條件下發(fā)揮活性，有 ca2+參與時(shí)活性最大。其活性受螯合劑抑制，但不受絲氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸蛋白酶 類(lèi)抑制劑的影響。用cDNA預(yù)測(cè)氨基酸序列，表明一些哺乳動(dòng)物MMPs各種類(lèi)型酶之間，其結(jié)構(gòu)具有高度的恒定性。MMPs家族所有成員具有一些共同的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域是：前肽結(jié)構(gòu)域、信號(hào)肽、催化結(jié)構(gòu)域、凝乳酶樣結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域等。通過(guò)其中某個(gè)區(qū)的增減修飾而形成不同的MMPs。如明膠酶在催化區(qū)有一段纖維連接蛋白樣的插入，MMP-7缺少凝乳酶樣結(jié)構(gòu)域，而膜型MMPs含有跨膜結(jié)構(gòu)域等。MMPs均以酶原形式分泌，其活化需要進(jìn) 行蛋白水解，前肽丟失，分子量減少。體外潛伏型MMPs可被有機(jī)汞制劑、促溶劑或蛋白酶激活。MMPs有一些共同的生化特點(diǎn)：①催化機(jī)制依賴(lài)于活化中心的鋅原子；②蛋白酶均以無(wú)活性的酶原形式分泌；③酶原可被蛋白酶激活因子或有機(jī)汞制劑激活；④激活過(guò)程伴隨分子量的減少；⑤不同細(xì)胞來(lái)源的MMPs有很高的同源性；⑥激活后的酶可裂解一種或多種細(xì)胞外基質(zhì)成分；⑦酶的活性可被MMPs的天然抑制劑TIMPs抑制；⑧多數(shù)MMPs基因轉(zhuǎn)錄受到內(nèi)源性生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子調(diào)節(jié)，如IL-1和IL-6、TNF-α、TGF-α和IFN-γ以及BMP等。
2 MMPs的分類(lèi)
MMPs根據(jù)其結(jié)構(gòu)和底物特異性不同可分為5大類(lèi)：①間質(zhì)膠原酶，包括MMP-1、-8、-13、-18，主要降解Ⅰ～Ⅲ型膠原及Ⅶ和Ⅹ型膠原，不能降解明膠、Ⅳ型和細(xì)胞外基質(zhì)的其它蛋白成 分。膠原酶以潛酶原方式合成。MMP-1(Mr=54×103)是成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞等細(xì)胞來(lái)源的成纖維細(xì)胞型膠原酶。而MMP-8(Mr=75×103)是由中性白細(xì)胞 合成分泌的中性白細(xì)胞膠 原酶；②Ⅳ型膠原酶，也叫明膠酶，包括明膠酶A(MMP-2)和明膠酶B (MMP-9)。明膠酶 具 有降解變性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原明膠的特異能力，也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型膠原。對(duì)纖維結(jié)合素、彈性蛋白也有一定作用。MMP-9(Mr=92×103)是糖化蛋白酶，主要來(lái)源于中性白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。MMP-2(Mr=72×103)是非糖化蛋白酶，來(lái)源于許多結(jié)締組織細(xì)胞；③基質(zhì)溶解素，包括基質(zhì)溶解素-1 (MMP- 3)、基質(zhì)溶解素-2(MMP-10)和基質(zhì)溶解素-3(MMP-7)，有廣泛的底物特性，可降解纖粘蛋白、層粘蛋白、彈性蛋白和糖蛋白的蛋白核心以及Ⅳ和Ⅸ型膠原等，另外還可去除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型原膠原N、C末端肽，起原膠原肽酶作用。基質(zhì)溶解素的細(xì)胞來(lái)源與MMP-1相似；④膜型MMPs，包括MT1-MMP(MMP-14)、MT2-MMP(MMP-15)、MT3-MMP(MMP-16)以及近來(lái)分離命名的MT5-MMP。這種酶表達(dá)于細(xì)胞表面，除可直接降解基質(zhì)，還對(duì)MMP-2和MMP-13有激活作用；⑤其它類(lèi)，包括MMP-4、-5、-6、-20。這些未歸類(lèi)MMPs的作用較特殊，不能歸類(lèi)于其它MMPs。MMP-4被稱(chēng)為端肽酶，Mr為35×103，可從牙齦成纖維細(xì)胞培養(yǎng)液內(nèi)分離。其作用是促進(jìn)MMP-1接近膠原分子切割部位以加速膠原降解。MMP-5又叫3/4膠原肽鏈內(nèi)切酶，Mr為54×103。具有膠原酶、明膠酶活性，可以繼續(xù)降解MMP-1降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原所產(chǎn)生的天然3/4膠原片段。MMP-6適合pH=5.3的酸性環(huán)境，故被稱(chēng)為酸性金屬蛋白酶。其細(xì)胞來(lái)源尚不清楚，Mr為55×103，可以消化軟骨蛋白多糖。MMP-20在牙齒發(fā)育 過(guò)程中表達(dá)，能夠分解牙釉質(zhì)蛋白。
3 MMPs的激活
MMPs多數(shù)是以酶原形式分泌，其酶原體的胞外激活機(jī)制十分復(fù)雜且尚不完全清楚。膠原酶、明膠酶和基質(zhì)溶解素的激活機(jī)制各不相同，現(xiàn)分述如下：①膠原酶的激活：血纖維蛋白溶解酶激活膠原酶原，使其Mr從55×103降為44×103，但酶活性較低�；|(zhì)溶解素繼續(xù)在Glu80-phe81位點(diǎn)切割使Mr進(jìn)一步降為43×103，從而完全激活膠原酶，這時(shí)酶活 性提高近10倍。②明膠酶的激活：Mr為72×103的成纖維細(xì)胞明膠酶可被成纖維細(xì)胞參與的過(guò)程所激活。Seltzer等認(rèn)為Integrin受體參與的信號(hào)傳導(dǎo)途徑參與Mr為72×103的明膠酶的激活。而Mr為95×103的明膠酶原可被血纖維蛋白溶解酶激活。另外有研究發(fā) 現(xiàn)一些細(xì)胞因子也可激活明膠酶。③基質(zhì)溶解素的激活：基質(zhì)溶解素可被結(jié)締組織細(xì)胞通過(guò)依賴(lài)血纖維蛋白溶解酶原機(jī)制快速激活。此過(guò)程中血纖維蛋白溶解酶首先水解基質(zhì)溶解素前肽，所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物再進(jìn)行自身催化切割而被激活。④MMPs之間的相互激活：研究表明部分MMPs之間可相互激活。例如MT1-MMP可激活MMP-2和MMP-13，而MMP-3、MMP-10在MMP-1的激活中起重要作用，同時(shí)也可激活MMP-2。
4 MMPs在骨改建中的作用
MMPs參與了全身組織的發(fā)育、改建以及疾病的病理過(guò)程。如胚胎發(fā)育、組織改建、創(chuàng)傷愈合、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)破壞、牙周炎、腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移等。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MMPs的研究日益深入，MMPs在骨胚胎發(fā)育、改建及病理過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用引起人們的重視。
骨是一種特殊的結(jié)締組織，由多種細(xì)胞和細(xì)胞間的骨基質(zhì)組成。細(xì)胞成分為：成骨細(xì)胞(Ost eoblast)、骨細(xì)胞(Osteocyte)、破骨細(xì)胞(Osteoclast)。骨基質(zhì)(bone matrix)主要成分為 ：膠原纖維(約占90%，主要屬于I型膠原)、蛋白多糖(Proteoglycan)和骨鹽(Bony salt)。骨改建是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過(guò)程，多種細(xì)胞參與了此過(guò)程，其中破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的作用最為關(guān)鍵。而成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞不僅依賴(lài)MMPs對(duì)骨基質(zhì)成分的直接降解，而且需要MMPs參與介導(dǎo)成骨細(xì)胞對(duì)成熟破骨細(xì)胞的活化以及破骨細(xì)胞的遷移和貼附等過(guò)程。
4.1 破骨細(xì)胞活化過(guò)程中MMPs的介導(dǎo)作用
成熟破骨細(xì)胞的活化是骨吸收的前提，而成骨細(xì)胞通過(guò)分泌MMPs來(lái)完成對(duì)破骨細(xì)胞的活化過(guò)程。其中，MMPs中的膠原酶發(fā)揮重要的介導(dǎo)作用。Holliday等［1］發(fā)現(xiàn)在膠原酶抑制劑存在條件下破骨細(xì)胞的骨吸收作用被明顯抑制，而在半胱氨酸蛋白酶抑制劑或其它MMPs抑制劑存在條件下破骨細(xì)胞的骨吸收作用只能部分減弱。這表明鄰近破骨細(xì)胞的基質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞通過(guò)釋放大量膠原酶分解膠原產(chǎn)生膠原質(zhì)片段從而激活破骨細(xì)胞的骨吸收作用�？梢�(jiàn)膠原酶不僅直接參與破骨細(xì)胞的骨吸收過(guò)程，而且是成骨細(xì)胞誘導(dǎo)破骨細(xì)胞骨吸收的中介因子之一。另外，PTH對(duì)骨吸收的誘導(dǎo)作用必須依賴(lài)膠原酶對(duì)I型膠原的裂解。Zhao等［2］的研究表明PTH直接作用于成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)間質(zhì)膠原酶轉(zhuǎn)錄和合成。從而間接促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化和骨吸收功能。Kusano等［3］認(rèn)為IL-1、-6通過(guò)促進(jìn)破骨細(xì)胞合成分泌M mPs來(lái)提高破骨細(xì)胞的骨吸收作用。
4.2 破骨細(xì)胞遷移和貼附過(guò)程中MMPs的作用
研究表明MMPs也參與了被活化的破骨細(xì)胞向礦化骨表面的移行和貼附過(guò)程。Sato等［4］在兔破骨細(xì)胞中檢測(cè)到高表達(dá)的MT1-MMP，而且MT1-MMP與相應(yīng)于板狀偽足和偽足小體( podosome)區(qū)域的基底膜反應(yīng)。推測(cè)MT1-MMP與破骨細(xì)胞的遷移和貼附有關(guān)。另外Sato等［4］將純化的破骨細(xì)胞分別培養(yǎng)于涂或未涂膠原的骨片上。在未涂膠原的骨片上MMPs抑制劑未能抑制骨陷窩的形成，而在涂有膠原的骨片上MMPs抑制劑有效的抑制了骨陷窩的形成。使用其它類(lèi)的蛋白酶抑制劑沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。表明破骨細(xì)胞依賴(lài)于部分MMPs的活動(dòng)以移行到骨吸收區(qū)域�？梢�(jiàn)，MMPs不僅直接參與骨基質(zhì)降解，而且破骨細(xì)胞的遷移和貼附也依賴(lài)于部分MMPs的活動(dòng)。當(dāng)破骨細(xì)胞移行骨吸收區(qū)域，骨表面的類(lèi)骨質(zhì)需要成骨細(xì)胞和襯里細(xì)胞等細(xì)胞釋放膠原酶分解，以使破骨細(xì)胞貼附于礦化骨表面行使骨吸收功能。這一點(diǎn)在腫瘤細(xì)胞 對(duì)骨的侵襲時(shí)錨著于骨表面的過(guò)程中顯得尤為重要。Ohishi等［5］在體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)與乳腺癌細(xì)胞H-31共同培養(yǎng)的成骨細(xì)胞所分泌的MMP-1明顯增加。說(shuō)明腫瘤細(xì)胞在誘導(dǎo)破骨細(xì)胞進(jìn)行溶骨之前，必須動(dòng)員成骨細(xì)胞合成分泌膠原酶以去除骨表面的類(lèi)骨質(zhì)。而在腫瘤轉(zhuǎn)移時(shí)要突破的基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)中所包含的膠原也同樣需要MMPs的降解。例如基底膜中的Ⅳ型膠原就需要明膠酶的特異分解。
4.3 破骨細(xì)胞溶解吸收骨基質(zhì)成分過(guò)程中MMPs作用
破骨細(xì)胞在貼附于礦化骨表面后分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，并在破骨細(xì)胞和骨表面之間形成密閉腔隙，將一些酶類(lèi)分泌于其中來(lái)降解骨基質(zhì)中的其它成分。在這些酶中MMPs起關(guān)鍵作用。現(xiàn)已證明有多種MMPs參與了骨基質(zhì)的吸收過(guò)程，包括MMP-1、-2、-3、-9、-10、-13［3］以及MT1-MMP［6］和MT2-MMP等。這些MMPs根據(jù)不同的底物特異性分解骨基質(zhì)中包括 膠原在內(nèi)大部分蛋白成分。這一過(guò)程由MMPs單獨(dú)完成或是與其它類(lèi)蛋白酶共同完成。Sires等［7］研究表明MMPs在降解骨基質(zhì)時(shí)與其它類(lèi)蛋白酶有協(xié)調(diào)作用。例如膠原酶在降解Ⅹ型膠原時(shí)產(chǎn)生 mr=32×103的片段，而這個(gè)片段不能繼續(xù)被膠原酶以及其它類(lèi)基質(zhì)金屬蛋白酶降解。但卻能被破骨細(xì)胞來(lái)源的組蛋白B快速分解。這一點(diǎn)也可從破骨細(xì)胞分泌不同蛋白酶存在一定順序的現(xiàn)象中得到證明。Everts等［8］研究表明：在破骨細(xì)胞貼附于礦化骨表面后創(chuàng)造一個(gè)低pH值的吸收環(huán)境，在這個(gè)酸性環(huán)境中半胱氨酸蛋白酶首先發(fā)揮作用，降解部分骨蛋白。當(dāng)pH值逐漸回升到中性時(shí)基質(zhì)金屬蛋白酶才開(kāi)始行使其功能。
4.4 MMPs在骨的胚胎發(fā)育中的作用
骨的胚胎發(fā)育過(guò)程以骨的快速形成為特點(diǎn)，而在新骨骨基質(zhì)堆積前必須依賴(lài)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞或其它細(xì)胞合成分泌MMPs，溶解吸收骨表面的軟、硬組織以及陳舊的骨內(nèi)基質(zhì)，為新骨開(kāi)辟空間。在骨形成活躍處可檢測(cè)到有大量高活性的MMPs表達(dá)說(shuō)明了這一點(diǎn)。Rice等［9］通過(guò)原位雜交觀測(cè)到胚胎發(fā)育16d的小鼠顱骨中破骨細(xì)胞分泌大量MMP-9，而且集中于骨形成活躍的區(qū)域。推測(cè)MMP-9在骨的早期發(fā)育中占有重要作用。Gack等［10］通過(guò)原位雜交在14d的小鼠胚胎的各種發(fā)育骨中檢測(cè)到MMP-1，特別是在長(zhǎng)骨中。這些MMP-1主要由骨形成活躍區(qū)域的肥大軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分泌。推測(cè)MMP-1在胚胎發(fā)育階段早期骨形成中發(fā)揮重要作用。
4.5 MMPs的調(diào)節(jié)對(duì)骨改建的影響
在正常的骨改建過(guò)程中MMPs的基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄和活性受到多種因素調(diào)節(jié)而維持在正常水平。例如BMP-2、-4、-6在mRNA水平和蛋白質(zhì)水平抑制MMP-13合成［11］。Delany［12］等發(fā)現(xiàn)由成骨細(xì)胞分泌的基質(zhì)溶解素-3在成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子-2(FGF-2)短期作用下mRNA表達(dá)明顯下降，基因轉(zhuǎn)錄并不受影響。而在FGF-2長(zhǎng)期作用下基質(zhì)溶解素-3的mRNA表達(dá)趨于穩(wěn)定，基因轉(zhuǎn)錄卻明顯增加。TGF-β1通過(guò)抑制MMPs產(chǎn)生促使細(xì)胞外基質(zhì)沉積。Mattot等［13］對(duì)小鼠胚胎發(fā)育的研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)骨和肋骨的肥大軟骨細(xì)胞中或遷移到長(zhǎng)骨骨形成區(qū)域的成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中有膠原酶的轉(zhuǎn)錄積聚，而TIMP-2的基因轉(zhuǎn)錄要提前于膠原酶。提示TIMP-2不僅局限在轉(zhuǎn)錄后，而且在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)其有調(diào)控作用。而在病理骨改建中對(duì)MMPs的調(diào)控作用的失調(diào)導(dǎo)致MMPs的過(guò)量表達(dá)。Rubin［14］等通過(guò)建立廢用尺骨的動(dòng)物模型研究膠原酶-1的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)膠原酶-1在廢用尺骨骨細(xì)胞中的表達(dá)明顯高于正常尺骨。在對(duì)骨質(zhì)疏松的研究中發(fā)現(xiàn)：在骨質(zhì)疏松小鼠的脛骨中破骨細(xì)胞釋放的MMP-9較正常小鼠高約4倍。Bord［15］等發(fā)現(xiàn)在正常的新生肋骨中破骨細(xì)胞持續(xù)表達(dá)一定數(shù)量的TIMP-1，而在病理性骨和異位骨中破骨細(xì)胞不表達(dá)或表達(dá)很少的TIMP-1。這表明TIMP與MMPs之間的平衡影響骨的轉(zhuǎn)換和改建過(guò)程。
5 展望
骨的改建貫穿于人的整個(gè)生命過(guò)程，而包括基質(zhì)金屬蛋白酶在內(nèi)的各種蛋白酶在骨改建中的作用被逐漸揭示的同時(shí)也日益得到人們的重視。特別是在骨的發(fā)育、生理改建和病理改建過(guò)程中各種調(diào)控機(jī)制對(duì)基質(zhì)金屬蛋白酶的作用機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。這將大大推動(dòng)臨床對(duì)于一些骨代謝失衡疾病如骨質(zhì)疏松、佝僂病以及骨腫瘤的治療。
參考文獻(xiàn)：
�。�1］Holliday LS,Welgus hG,Fliszar CJ,et al.Initiation of osteoclast bone resorption by interstitial collagenase［J］.J Biol Chem,1997,272(35):22053
�。�2］Zhao W,Byrne MH,Boyce BF,et al.Bone resorption induced by parat hyroid hormone is strikingly diminished in collagenase-resistant mutant mice［J］.J clin Invest,1 999,103(4):517
�。�3］Kusano K,Miyaura C,Inada M,et al.Regulation of matrix metallop roteinases(MMP-2,-3,-9,and -13) by interleukin-1 and interleukin-6 in mouse calvaria:association of MMP induction with bone resorption［J］.Endocrinol,1998,139(3):1338
�。�4］Sato T,Hou P,Heegaard AM,et al.Identification of the membrane-type matrix metalloproteinase MT1-MMP in osteoclasts［J］.J Cell Sci,1997,110(5):589
�。�5］Ohishi K,Fujita N,Morinaga Y,et al.H-31 human breast cancer cells stimulate type I collagenase production in osteoblast-like cells and induce bone resorption［J］.Clin Exp Metastasis,1995,13(4):287
［6］Pap T,Pap G,Hummel KM,et al.Membrane-type-1 matrix metalloprote inase is abundantly expressed in fibroblasts and osteoclasts at the bone-implant interface of asepti cally loosened joint arthroplasties insitu［J］.J rheumatol,1999,26(1):166［7］Sires UI,Schmid TM,Fliszar CJ,et al.Complete degradation of type X collagen requires the combined action of interstitial collagenase and osteoclast-derived cathepsi n-B［J］.J Clin invest,1995,95(5):2089
�。�8］Everts V,Delaisse JM,Korper W,et al.Cysteine proteinases and matrix metalloprotein ases play distinct roles in the subosteoclastic resorption zone［J］.J bone Mi ner Res,1998,13(9):1420
［9］Rice DP,Kim HJ,Thesleff I.Detection of gelatinase B expression reveals osteoclastic bone resorption as a feature of early calvarial bone developme nt［J］.Bone,1997,21(6):479
�。�10］Gack S,Vallon R,Schmidt J,et al.Expression of interstitial collagenase during skeletal development of the mouse is restricted to osteoblast-like cells and hypertro phic chondrocytes［J］.Cell Growth Differ,1995,6(6):759
�。�11］Gazzerro E,Rydziel S,Canalis E,et al.Skeletal bone morphogenetic proteins suppress the expression of collagenase-3 by rat osteoblasts［J］.Endocrinol,1999,140(2):562
�。�12］Delany AM,Canalis E.Dual regulation of stromelysin-3 by fibroblast growth factor-2 in murine osteoblasts［J］.J Biol Chem,1998,273(26):16595
［13］Mattot V,Raes MB,Henreit P,et al.Expression of interstitial collagenase is restrict ed to skeletal tissue during mouse embryogenesis［J］.J Cell sci,1995,108 (2):529
�。�14］Rubin C,Sun YQ,Hadjiargyrdl M,et al.Increased expression of matrix metalloproteinase-1 in osteocytes precedes bone resorption as stimulated by disuse:evidence for autoregulation of the cell’s mechanical environment［J］? j Orthop Res,1999,17(3):354
�。�15］Bord S,Hornerm A,Beeon CA,et al.Tissue inhibitor of matrix met alloproteinase-1(TIMP-1) distribution in normal and pathological human bone［J］.Bone,1999,24(3):229
... |
