基質金屬蛋白酶與腫瘤關系研究進展

孫根林綜述，鮑揚漪審校

(合肥市第一人民醫院腫瘤科 230061)

基質金屬蛋白酶(MM Ps)在腫瘤細胞凋亡、轉移、血管生成等方面起重要作用，并成為藥物研究的靶點。現將相關研究進展綜述如下。

1 分類及結構

按作用底物不同主要分為五大類:間質膠原酶(MM P-1、8、13)、明膠酶又稱Ⅳ型膠原酶(M MP-2、9)、基質溶酶(MM P-3、10、11)、膜型基質金屬蛋白酶(包括 MM P-14、15、16、17)和其他類(MMP-7、12、18、19、20、21、22)。大多數 MM Ps有一個N端信號序列(前端域)，隨后為反應域和C端血紅素結合蛋白結構域。N端的肽包含被包含半胱氨酸。所有的MMPs都是酶，被激活時，通過其他的MMPs或者其他的酶作用域周圍的肽鏈將被移走，域被暴露。反應域含有鋅指樣結構HEXXHXXGXXH，由3個組氨酸殘基結合1個鋅離子和被包繞的蛋氨酸殘基，形成1個蛋氨酸環，這樣有利于保護反應性的鋅離子，MMP-2、MMP-9包含數個纖維連接蛋白Ⅱ結構域插入到反應結構域中，它(們)可能是增強反應結構域與底物的結合能力。除MMP-7和M MP-26外，血紅素結合蛋白結構域出現在所有MMPs中，作為調節的亞單位，一個高可變鉸鏈區可使它和反應結構域分離，這個鉸鏈區通過直接和底物結合或通過影響血紅蛋白和反應結構域構象來穩定MMPs空間結構。通過加入或除去結構域或功能結構域，可分為不同亞組，C端肽鏈的末端結合一個大約含25個氨基酸疏水肽，并插入弗林蛋白絲氨酸蛋白激酶的位置，這就是M T-MMPs的結構;但MMP-14、15、16、24有跨膜和胞漿結構域，MMP-17和-25的 C端肽鏈延長部分充當糖基化磷酸脂酰肌醇錨定信號。在MMPs三維結構中，雖然結構域一級結構基本相同，但反應域多肽鏈高度折疊，反應域包含5個β折疊、3個α螺旋和連接的環，2個鋅離子和3個鈣離子從而形成穩定結構，底物的結合位置包括疏水的可變的在深部的“S1口袋”，它有利于穩定底物的構象。由3個α螺旋和連接的環組成的“半胱氨酸開關”位于底物結合的口袋中，半胱氨酸間形成巰基與鋅離子相互作用;如proMM P-1的前體結構域與血紅素蛋白結合域相互作用導致“關閉”，而激活的MM P-1卻導致“開放”，這就是明膠和明膠酶相互作用機制[1]。

2 在細胞增殖中的作用

MMPs能酶解各種不同的底物，包括其他 MMPs、細胞因子、生長因子和受體及其他非基質蛋白，或者招募促進生長的因子。MMPs通過其酶解作用使得肝素結合表皮生長因子(HB-EGF)從細胞膜上脫落，促進胰島素樣生長因子(IGFs)從胰島素樣生長因子及其結合蛋白(IGFs-IGFBPs)形成復合物中釋放;還可以激活 TGF-β，從而促進細胞增殖。Yoshida等[2]發現順鉑通過誘導生成HB-EGF裂解體而激活 EGFR;抗EGFR單抗阻礙EGFR系統，促進腫瘤生長抑制。上述結果說明，MM Ps具有酶解HB-EGF形成生物活性裂解體的功能，并通過激活EGFR通路而促進細胞生長。Miyamoto等[3]在結腸癌細胞T H29的研究中發現 MMP-7降解 IGFBP-2，從而有利于IGF-Ⅱ在組織環境中發揮促進生長的生物學活性，提示MMPs一方面通過對IGF-Ⅱ/IGFBP-2復合物作用，另一方面通過對ECM的降解，共同促進活性IGF-Ⅱ形成。Joji和McCarthy[4]在pro MMP-1cDNA對黑色素瘤細胞生長的影響的研究中發現，MMP-1直接酶解 TGF-β1產生有活性 TGF-β1(25 k D)，并認為MMP-1的催化產生 TGF-β，而刺激惡性黑色素瘤的生長，提示M MPs至少在惡性腫瘤演變的中、晚期通過TGF-β促進腫瘤細胞生長。HARP和VEGF形成復合物兩者均無活性，通過 MMP-2的水解形成具有活性的分子，其中HARP-N末端誘導細胞增殖[5]。Wang等[6]在肺上皮細胞中癌基因K-Ras調節細胞增殖和黏附的研究顯示，K-Ras轉染后細胞核漿比例增大，MM P-9對E-cad的酶解作用，穩定β連環蛋白，激活WNT信號通路，作者認為COX-2與MM P-9相互作用誘導β-連環蛋白信號，刺激增殖并改變黏附連接點，即COX-2抑制β-連環蛋白磷酸化穩定該蛋白，而 MMP-9使β-連環蛋白從細胞膜上釋放，通過WNT信號途徑促進細胞增殖。

3 抑制細胞凋亡作用

MMPs通過一些信號途徑抑制腫瘤細胞凋亡。Meyer等[7]用MMPs抑制劑和MMPsiRNA導入SW480結腸腺癌細胞研究顯示，MM Ps保護細胞免于 PKC/p53誘導的凋亡，并且確定MMP-9和MMP-10有這樣保護作用。說明MMPs在腫瘤細胞中具有抗 PKC/p53誘導凋亡作用。Chetty等[8]在MMP-2-siRNA誘導A549肺腺癌細胞凋亡研究中發現，MMP-2-siRNA轉染改變Bax/Bcl-2表達和誘導 caspase-3、8、9以及PARP-1分裂體形成;誘導Bid分裂體形成和細胞色素c的釋放;誘導Fas/FasL的活性和招募FADD(Fas相關死亡域)形成多聚體促進細胞凋亡;增加MMPs組織抑制因子-3(TIMP-3)表達。通過TUNEL染色分析提示MM P-2通過上述途徑發揮抗凋亡作用。有研究顯示，基質溶解因子(MM P-7)是MMPs家族成員之一，MM P-7可促進凋亡抵抗，降低了凋亡的效能[9]。Kippenberger等[10]用E-cad基因轉染黑色素瘤細胞發現，E-cad過表達導致線粒體釋放細胞色素C的增加和caspase-3、caspase-8活性提升而促進凋亡，但缺乏細胞外 E-cad作用結構域的細胞并沒有出現凋亡改變。從細胞、裸鼠模型、人的組織的研究中發現多數MMPs有促進VEGF釋放的作用，如 MTI-MMP上調VEGF的表達，VEGF-A的上調是與MTI-MM P增加VEGF-A的轉錄活性有關而不是增加m RNA的穩定性，能被M MP抑制劑 TIMP 2阻斷，其信號傳導機制可能為通過MTI-MM P信號通路，涉及到S rc酪氨酸激酶[11]，MMP-2通過水解HARP-VEGFF和CTGF-VEGF復合物而釋放活性VEGF[5]。VEGF-siRNA轉染乳腺癌細胞MCF-7實驗中表明，VEGF-siRNA通過降低乳腺癌細胞Bcl-2/Bax表達比例，上調capase-3蛋白表達，促進細胞色素C等從線粒體釋放等誘導凋亡，并且在乳鼠模型中腫瘤生長降低[12]，提示VEGF有抗凋亡作用。

4 促進腫瘤細胞侵襲、轉移作用

腫瘤細胞轉移過程包括腫瘤細胞的分離、侵襲、運動、血管侵襲、血循環中的存活、黏附于上皮細胞及溢出血管外[13]。在細胞間和細胞與基質間的黏接中鈣調蛋白和橋黏芯蛋白起重要作用，橋黏芯蛋白在包膜和胞質間流動的改變可能導致腫瘤細胞間黏附的喪失，在 MMP抑制的 SCC68上皮細胞中，MMPs抑制導致黏接的橋黏芯蛋白-2的聚集，減少內化，并且橋黏蛋白比鈣黏蛋白更敏感，而鈣黏蛋白增加黏附強度;MMPs能使橋黏芯蛋白-2從細胞表面脫落[14]。又有實驗顯示MMP-7通過調節非基底膜蛋白而促進腫瘤細胞侵襲，E-cad蛋白通過與連環蛋白細胞質尾相互作用調節細胞黏附，MM P-7、MMP-3使 E-cad蛋白外功能區脫落釋放可溶性E-cad[9]，通過旁分泌可溶性E-cad抑制E-cad的功能而刺激腫瘤細胞侵襲和轉移[15]。除了降解作用外還調節與細胞生理學相關生物活性分子的活性，這些分子包括細胞因子及其受體和黏附分子，如:細胞表面錨定 M MP-9激活轉化因子β(TGF-β)刺激MMPs表達并促進腫瘤侵襲和血管形成[9]。組織MMPs抑制物(TIMP)和MMPs形成復合物導致MMPs失活而影響腫瘤的侵襲和擴散，TIMP-3 抑制 MM P-1、MM P-2、MMP-3，TIM P-3的表達降低與腫瘤患者存活的降低有關，同時還認為食管腺癌發展過程中分別在早期和晚期侵襲轉移導致患者死亡中起重要作用，TIM P-3分子恢復重建是基因治療的一個研究方向[16]。值得一提的是 ChiIp等在肝癌細胞跨膜基金蛋白-1(MTI-MMP)基因轉染研究中發現，過多表達MTI-MM P增加致瘤性和轉移能力，增強腫瘤的擴散和生長，延遲失巢現象(即黏附的細胞失去和基質黏附后，很短時間內將凋亡)。推測認為:M TI-MMP刺激肝癌細胞的致瘤性，并通過增加腫瘤生長和侵襲能力實現肝內轉移，更重要的是M TI-MMP促進存活，保護肝癌細胞免于凋亡在腫瘤細胞分離后24 h，M TI-MMP的作用不限于基質的降解，而是在分離后環境(如進入血循環)中改變了包括存活優勢在內的細胞行為，有助于腫瘤轉移的實現[17]。陳莉萍和楊鷹[18]通過對子宮內膜癌基質金屬蛋白酶-2表達檢測及與腫瘤發生、發展的關系研究推測MM P-2主要通過以下機制促進腫瘤浸潤及轉移:(1)降解癌細胞周圍細胞外基質和基底膜主要成分Ⅵ、Ⅶ、Ⅹ型膠原及明膠，為癌細胞增殖制造空間，使癌細胞能進出周圍組織，促使腫瘤發生浸潤和轉移;(2)在降解ECM過程中釋放促血管生成因子如VEGF、b-FGF、TGF-β、TGF2等，促進新生血管形成，產生腫瘤轉移的血行通路。

5 促進血管生成

Du等[19]在M MP-2基因剔除鼠星狀膠質母細胞移植瘤研究中發現:MM P-2通過調節血管側支影響血管密度;M MP-2影響VEGFR-2的表達水平;MMP-2調節周細胞的活性和活性分子招募;MMP-2影響腫瘤血管的功能。由于MMP-2缺乏削弱血管成熟，認為剔除MMP-2基因的星狀膠質母細胞移植瘤生長較慢，雖然腫瘤細胞仍然沿血管浸潤，但乳鼠存活時間顯著延長，MMP-2可作為藥物研究靶點。Chantrain等[20]通過分析已有的一些研究認為MMPs可能從以下6個方面促進周細胞在腫瘤血管形成中的招募作用:(1)通過對ECM的降解直接刺激周細胞的侵襲;(2)通過ECM改變刺激周細胞的增殖和免于凋亡;(3)通過釋放ECM上的生長因子激活周細胞;(4)和新生血管表面受體相互作用;(5)促進新生血管信號傳導的整合;(6)招募源于骨髓的干細胞。Suhr等[21]認為MMPs促進腫瘤血管生成至少表現在3個方面:(1)MMPs通過降解ECM，刺激干細胞和內皮細胞遷移而侵襲血管區域;(2)MMPs能釋放血管生成因子，如FGF-2、TGF-β和 VEGF;(3)白明膠酶通過作用于ECM上的分子產生抗血管生成片段，如內皮抑素和腫瘤抑素。在體內和體外上調TIMP-2能抗血管生成，重組TIMP-2蛋白或TIMP-2表達結構轉染都能抑制表皮細胞侵襲和腫瘤血管形成。另外，MMPs與其他活性分子協同促進腫瘤血管生成，如呂鋼等[22]通過賁門癌研究發現MMP-7和E-cadherin表達之間呈現顯著的負相關，M MP-7與E-cadherin的相互作用，MMP-7降解細胞外基質是VEGF的促血管內皮細胞生成的前提，MM P-7和VEGF都具有降解血管基底膜作用，MMP-7與VEGF之間可能存在相互促進、相互協同的促進血管生成的機制。

總之，在腫瘤演變過程中，MMPs所起的作用是復雜的，其主要作用是促進腫瘤細胞增殖、抑制凋亡、刺激侵襲轉移和腫瘤血管形成;但也有與主要作用不一致的方面，如M MP-2的水解HARP-VEGF復合物形成具有活性的分子，HARP-N末端誘導細胞增殖，而HARP-C末端誘導抑制細胞增殖和血管形成[5];MMPs在對TNF-α的作用中，有研究認為促進腫瘤細胞凋亡，但又有研究認為促進 TNF-α表達，可促進MM Ps表達進而促進細胞增殖和轉移等等，需要進一步研究和探索。

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