MMP-28的特性及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

趙志強(qiáng),馬福林,陳敏學(xué),聶元華,朱占弟,康博雄,樊 勇,王 琛

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院普外科四病區(qū),中國(guó)甘肅蘭州730030)

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是一類(lèi)高度保守的鋅離子依賴蛋白水解酶,其在特異性降解細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)成分的同時(shí),還能作用于非ECM成分,以介導(dǎo)ECM釋放和激活可溶性因子,如生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子等[1]。目前,已報(bào)道的MMPs家族共有26個(gè)成員,根據(jù)不同成員的結(jié)構(gòu)和底物特異性可將其分為六類(lèi),分別為膠原酶、明膠酶、溶基質(zhì)素、基質(zhì)溶素、膜型MMPs和其他MMPs[2]。所有的MMPs具有獨(dú)特但部分重疊的功能,從而精確地調(diào)控生物體基本的生理病理過(guò)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(kù)中克隆出來(lái)。目前已證實(shí),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(dá)[5],可參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)、胚胎發(fā)育、血管形成等多種病理生理過(guò)程[6]。此外,與其他MMPs相似,MMP-28在某些腫瘤和癌細(xì)胞系中過(guò)表達(dá),促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[7]。目前,MMP-28和腫瘤相關(guān)的研究日益受到關(guān)注,其作為腫瘤早期診斷標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)的前景廣闊。本文就MMP-28的特性及其在腫瘤進(jìn)展中的作用研究進(jìn)行初步探討,以期為MMP-28表達(dá)異常的腫瘤的早期診斷和治療提供幫助。

1 MMP-28的結(jié)構(gòu)和功能

MMP-28的編碼基因位于第17號(hào)染色體(17q11.2),可編碼520個(gè)氨基酸[8]。與大多數(shù)MMPs相似,MMP-28的基本結(jié)構(gòu)由5個(gè)部分構(gòu)成,即N端的信號(hào)序列、前肽區(qū)、鋅結(jié)合催化結(jié)構(gòu)區(qū)、鉸鏈區(qū)和C端的血紅素類(lèi)似物結(jié)構(gòu)域[9](圖1)。信號(hào)序列可引導(dǎo)其靶向分泌。前肽區(qū)由80個(gè)氨基酸組成,含有半胱氨酸殘基,具有調(diào)節(jié)MMP-28活性的作用；同時(shí),前肽區(qū)內(nèi)存在弗林蛋白酶激活序列,表明MMP-28可以被該酶在細(xì)胞內(nèi)激活[11]。催化結(jié)構(gòu)區(qū)包含3個(gè)組氨酸殘基,它們以配位鍵的形式與鋅離子結(jié)合,是催化MMP-28的關(guān)鍵位點(diǎn)。血紅素類(lèi)似物結(jié)構(gòu)域具有類(lèi)似于四葉螺旋槳的三維結(jié)構(gòu),通過(guò)富含脯氨酸的鉸鏈區(qū)與催化結(jié)構(gòu)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(yīng)[12]。

通常,蛋白質(zhì)特殊的結(jié)構(gòu)往往會(huì)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(diǎn):1)降解細(xì)胞外基質(zhì)的多種成分,調(diào)節(jié)細(xì)胞之間的黏附,促進(jìn)上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[13]；2)參與組織再塑及創(chuàng)傷修復(fù)等過(guò)程[14]；3)直接或間接影響胚胎的發(fā)育和形成[15]；4)參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)[5]；5)與神經(jīng)發(fā)育密切相關(guān),參與神經(jīng)的脫髓鞘作用[16]。

2 MMP-28活性的調(diào)節(jié)

2.1 啟動(dòng)子的調(diào)節(jié)

通過(guò)對(duì)人和小鼠的MMP-28基因的啟動(dòng)子進(jìn)行測(cè)序及比較分析,人們?cè)谵D(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約70 bp處鑒定了一個(gè)與轉(zhuǎn)錄因子特異性蛋白1和3(specificity proteins 1 and 3,Sp1/3)結(jié)合的啟動(dòng)子序列GT-box,該序列在人和小鼠的啟動(dòng)子之間是完全一致的,這暗示GT-box在調(diào)節(jié)基因表達(dá)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(zhì)形成細(xì)胞和精原細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄活性,這一事實(shí)證明了GT-box對(duì)MMP-28活性調(diào)控的重要性[17]。

2.2 轉(zhuǎn)錄因子Sp1的乙酰化調(diào)節(jié)

有研究表明,乙?；饔每烧{(diào)節(jié)多種蛋白質(zhì)的活性,例如結(jié)構(gòu)蛋白、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子和轉(zhuǎn)錄因子等[18]。Swingler等[19]研究發(fā)現(xiàn),組蛋白去乙?；敢种苿┩ㄟ^(guò)作用于轉(zhuǎn)錄因子Sp1誘導(dǎo)MMP-28的表達(dá)。在該實(shí)驗(yàn)中,組蛋白去乙酰化酶抑制劑作用的靶點(diǎn)是Sp1而非組蛋白,這可能是由于Sp1的活性受轉(zhuǎn)錄因子本身的乙?；饔谜{(diào)節(jié)[20]。該研究結(jié)果進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了Sp1/3在MMP-28基因啟動(dòng)子中的重要性。

2.3 半胱氨酸開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)

MMP-28合成后以無(wú)活性酶原的形式釋放,這主要和前肽區(qū)內(nèi)的半胱氨酸開(kāi)關(guān)有關(guān)[6]。半胱氨酸殘基與催化結(jié)構(gòu)區(qū)中的鋅離子相互作用,從而使催化活性受到抑制。當(dāng)MMP-28接觸到各類(lèi)激活劑時(shí),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(jié)合,從而激活MMP-28。

圖1 MMP-28的結(jié)構(gòu)示意圖(參照文獻(xiàn)[5]和[10]修改)SS:信號(hào)序列；Pro:前肽區(qū)；Fu:弗林蛋白酶激活位點(diǎn)；Catalytic:鋅結(jié)合催化結(jié)構(gòu)區(qū)；Hi:鉸鏈區(qū)；H:血紅素類(lèi)似物結(jié)構(gòu)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(xì)胞區(qū)室化的調(diào)節(jié)

在生物體內(nèi),MMP-28不是隨機(jī)釋放到細(xì)胞外,而是通過(guò)調(diào)節(jié)其對(duì)不同底物的親和力及嚴(yán)格控制活性蛋白酶的空間分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即所謂的區(qū)室化[13]。MMP-28本身不包含跨膜結(jié)構(gòu)域或膜錨定序列,但其通過(guò)血紅素類(lèi)似物結(jié)構(gòu)域與細(xì)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(dǎo)至細(xì)胞周?chē)h(huán)境,裂解細(xì)胞表面蛋白,改變細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo),從而影響細(xì)胞的生物學(xué)行為[13]。

2.5 BCMO1及其底物的調(diào)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(nèi)類(lèi)胡蘿卜素轉(zhuǎn)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為視黃醇或視黃酸[21]。Pham等[22]發(fā)現(xiàn),抑制BCMO1的表達(dá),MMP-28的表達(dá)和活性增強(qiáng)；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(dāng)?shù)孜餄舛仍黾訒r(shí),機(jī)體通過(guò)反饋?zhàn)饔?使BCMO1的表達(dá)上調(diào),進(jìn)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(bào)道,MMP-28在肝癌、胃癌、膀胱癌、肺癌和腦膠質(zhì)瘤等的癌組織中廣泛表達(dá),且影響患者的預(yù)后[7,13,23～25]。它的表達(dá)和激活在腫瘤細(xì)胞凋亡、侵襲轉(zhuǎn)移和血管生成等關(guān)鍵過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前已證實(shí)MMP-28主要經(jīng)以下方式促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。

3.1 通過(guò)誘導(dǎo)EMT促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展

上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮細(xì)胞獲得更多間充質(zhì)表型的基本生物學(xué)過(guò)程,其特征是細(xì)胞-細(xì)胞黏附受體的丟失、細(xì)胞外基質(zhì)降解以及中間絲細(xì)胞骨架成分的改變,它是誘導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程,為癌細(xì)胞侵入周?chē)M織提供了手段[26]。癌組織侵襲和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是降解癌周組織,其中最重要的就是水解細(xì)胞外基質(zhì)。MMP-28通過(guò)誘導(dǎo)EMT,打破細(xì)胞外基質(zhì)的降解平衡,從而促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移[10]。Illman等[13]通過(guò)對(duì)肺癌細(xì)胞展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn),MMP-28在表達(dá)異常的情況下可誘導(dǎo)EMT,促進(jìn)肺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。這表明MMP-28誘導(dǎo)的EMT導(dǎo)致上皮表型發(fā)生改變,為腫瘤細(xì)胞提供了侵襲特性。Heiskanen等[27]在犬腎上皮細(xì)胞系的研究中發(fā)現(xiàn),MMP-28的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致基底膜外側(cè)的細(xì)胞外基質(zhì)急劇減少,同時(shí)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(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生,這一分泌作用可促進(jìn)上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步降解細(xì)胞外基質(zhì),創(chuàng)造有利于腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移的條件,促進(jìn)癌細(xì)胞侵入周?chē)M織、血管和淋巴管[28]。然而,當(dāng)前關(guān)于MMP-28如何誘導(dǎo)EMT的研究是有限的,因此,有必要在EMT過(guò)程中進(jìn)行更深入的探索。

3.2 通過(guò)激活TGF-β促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展

在哺乳動(dòng)物中,轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)可參與胚胎發(fā)育、器官發(fā)生、細(xì)胞凋亡、免疫調(diào)節(jié)和應(yīng)激反應(yīng)等多種生物學(xué)行為[29]。正是由于其功能的多樣性,TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)異?？赡芘c腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[30]。Wang等[31]通過(guò)對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn),MMP-28通過(guò)激活TGF-β來(lái)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)并減少神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的凋亡,而且神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者經(jīng)治療后血清中TGF-β的濃度明顯降低,腫瘤浸潤(rùn)能力下降。此外,MMP-28可通過(guò)增強(qiáng)TGF-β及其下游信號(hào)分子的溶解性來(lái)促進(jìn)腫瘤組織血管的生成,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和侵襲[32]?？傊?MMP-28可經(jīng)誘導(dǎo)TGF-β促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展,通過(guò)監(jiān)測(cè)血清中TGF-β的濃度可在一定程度上評(píng)估腫瘤的惡性程度和臨床療效,這可能為患者預(yù)后療效的評(píng)估提供了一種新的方法。

3.3 通過(guò)誘導(dǎo)其他MMPs的表達(dá)促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展

研究發(fā)現(xiàn),在腫瘤微環(huán)境中,MMP-28可以通過(guò)誘導(dǎo)MMP-9和MMP-14的表達(dá)來(lái)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[13]。Mehner等[33]通過(guò)對(duì)乳腺癌細(xì)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(xì)胞間黏附性下降,活動(dòng)度增加,從而在某種程度上促進(jìn)癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。Meyer等[34]發(fā)現(xiàn),MMP-9能夠保護(hù)結(jié)腸腺癌細(xì)胞免于蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)/p53誘導(dǎo)的調(diào)亡,說(shuō)明MMP-9具備抗PKC/p53誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞調(diào)亡的功效。此外,有研究顯示,MMP-14和MMP-9還可以加強(qiáng)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)及其受體(VEGFR)在腫瘤早期階段的結(jié)合,促進(jìn)新生血管的形成[35～36]；而且,隨著MMP-9表達(dá)的增加,VEGF和VEGFR2的表達(dá)也相應(yīng)增加[35]。這一系列證據(jù)說(shuō)明MMP-28可通過(guò)誘導(dǎo)其他MMPs的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)自身的促瘤作用。

4 展望

MMP-28在結(jié)構(gòu)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(dá),參與了傷口修復(fù)、胚胎發(fā)育、血管形成等多種病理生理過(guò)程[7]。近年來(lái),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(guò)對(duì)肝細(xì)胞癌的研究發(fā)現(xiàn),MMP-28的表達(dá)與腫瘤大小、分期、侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關(guān),并提示預(yù)后不良；Zhang等[37]在胃癌組織的研究中也得到了相似的結(jié)論。這一系列證據(jù)說(shuō)明MMP-28的表達(dá)與激活在腫瘤細(xì)胞的增殖、分化、侵襲、轉(zhuǎn)移、血管生成和凋亡等關(guān)鍵過(guò)程發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

鑒于MMP-28在癌組織中的表達(dá)特點(diǎn)和作用,越來(lái)越多的研究將其作為惡性腫瘤潛在的治療靶點(diǎn)。相關(guān)研究報(bào)道,MMP-28的底物酪蛋白已被鑒定為一種新型的腫瘤進(jìn)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(jié)直腸癌[41]的進(jìn)展,并已被應(yīng)用于相應(yīng)腫瘤的治療[42],這可能為化療耐藥的腫瘤進(jìn)行靶向治療提供了一種有效的治療方案。然而,目前關(guān)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(wèn)題尚不清除,還需進(jìn)一步探索。此外,MMP-28表達(dá)水平的改變?cè)谀[瘤進(jìn)展中的具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步闡明,這有助于加深人們對(duì)腫瘤靶向治療的認(rèn)識(shí),從而為開(kāi)發(fā)有效治療惡性腫瘤的藥物及方法提供理論支持。