MMP-28的特性及其在肿瘤发生发展中的作用

赵志强,马福林,陈敏学,聂元华,朱占弟,康博雄,樊 勇,王 琛

(兰州大学第二医院普外科四病区,中国甘肃兰州730030)

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是一类高度保守的锌离子依赖蛋白水解酶,其在特异性降解细胞外基质(extracellular matrix,ECM)成分的同时,还能作用于非ECM成分,以介导ECM释放和激活可溶性因子,如生长因子和细胞因子等[1]。目前,已报道的MMPs家族共有26个成员,根据不同成员的结构和底物特异性可将其分为六类,分别为胶原酶、明胶酶、溶基质素、基质溶素、膜型MMPs和其他MMPs[2]。所有的MMPs具有独特但部分重叠的功能,从而精确地调控生物体基本的生理病理过程[3]。

MMP-28又名上皮水解素(epilysin),最早于2001年由Lohi等[4]自人角化上皮及睾丸的cDNA文库中克隆出来。目前已证实,MMP-28在正常胎儿(肺、脑、肾)和成人(睾丸、肠、皮肤和肺等)组织中广泛表达[5],可参与机体的炎症反应、胚胎发育、血管形成等多种病理生理过程[6]。此外,与其他MMPs相似,MMP-28在某些肿瘤和癌细胞系中过表达,促进肿瘤的发生与发展[7]。目前,MMP-28和肿瘤相关的研究日益受到关注,其作为肿瘤早期诊断标志物和治疗靶点的前景广阔。本文就MMP-28的特性及其在肿瘤进展中的作用研究进行初步探讨,以期为MMP-28表达异常的肿瘤的早期诊断和治疗提供帮助。

1 MMP-28的结构和功能

MMP-28的编码基因位于第17号染色体(17q11.2),可编码520个氨基酸[8]。与大多数MMPs相似,MMP-28的基本结构由5个部分构成,即N端的信号序列、前肽区、锌结合催化结构区、铰链区和C端的血红素类似物结构域[9](图1)。信号序列可引导其靶向分泌。前肽区由80个氨基酸组成,含有半胱氨酸残基,具有调节MMP-28活性的作用；同时,前肽区内存在弗林蛋白酶激活序列,表明MMP-28可以被该酶在细胞内激活[11]。催化结构区包含3个组氨酸残基,它们以配位键的形式与锌离子结合,是催化MMP-28的关键位点。血红素类似物结构域具有类似于四叶螺旋桨的三维结构,通过富含脯氨酸的铰链区与催化结构区相连,此区具有选择特异性底物的功能,可发生激活、抑制、锚定和二聚化等反应[12]。

通常,蛋白质特殊的结构往往会决定其多样性的功能,目前MMP-28已知的功能主要有以下几点:1)降解细胞外基质的多种成分,调节细胞之间的黏附,促进上皮细胞向间充质转化[13]；2)参与组织再塑及创伤修复等过程[14]；3)直接或间接影响胚胎的发育和形成[15]；4)参与机体的炎症反应[5]；5)与神经发育密切相关,参与神经的脱髓鞘作用[16]。

2 MMP-28活性的调节

2.1 启动子的调节

通过对人和小鼠的MMP-28基因的启动子进行测序及比较分析,人们在转录起始位点上游约70 bp处鉴定了一个与转录因子特异性蛋白1和3(specificity proteins 1 and 3,Sp1/3)结合的启动子序列GT-box,该序列在人和小鼠的启动子之间是完全一致的,这暗示GT-box在调节基因表达中可能发挥核心作用[5]。此外,有研究发现,GT-box的突变或缺失显著降低了MMP-28基因在角质形成细胞和精原细胞中的转录活性,这一事实证明了GT-box对MMP-28活性调控的重要性[17]。

2.2 转录因子Sp1的乙酰化调节

有研究表明,乙酰化作用可调节多种蛋白质的活性,例如结构蛋白、细胞内信号分子和转录因子等[18]。Swingler等[19]研究发现,组蛋白去乙酰化酶抑制剂通过作用于转录因子Sp1诱导MMP-28的表达。在该实验中,组蛋白去乙酰化酶抑制剂作用的靶点是Sp1而非组蛋白,这可能是由于Sp1的活性受转录因子本身的乙酰化作用调节[20]。该研究结果进一步强调了Sp1/3在MMP-28基因启动子中的重要性。

2.3 半胱氨酸开关的调节

MMP-28合成后以无活性酶原的形式释放,这主要和前肽区内的半胱氨酸开关有关[6]。半胱氨酸残基与催化结构区中的锌离子相互作用,从而使催化活性受到抑制。当MMP-28接触到各类激活剂时,半胱氨酸和锌离子分离,暴露活性中心,使得激活剂和活性中心结合,从而激活MMP-28。

图1 MMP-28的结构示意图(参照文献[5]和[10]修改)SS:信号序列；Pro:前肽区；Fu:弗林蛋白酶激活位点；Catalytic:锌结合催化结构区；Hi:铰链区；H:血红素类似物结构域。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 细胞区室化的调节

在生物体内,MMP-28不是随机释放到细胞外,而是通过调节其对不同底物的亲和力及严格控制活性蛋白酶的空间分布来实现的,即所谓的区室化[13]。MMP-28本身不包含跨膜结构域或膜锚定序列,但其通过血红素类似物结构域与细胞表面的特定受体分子相互作用,将具有水解活性的蛋白酶引导至细胞周围环境,裂解细胞表面蛋白,改变细胞信号传导,从而影响细胞的生物学行为[13]。

2.5 BCMO1及其底物的调节

β,β-胡萝卜素-15,15′-单加氧酶(β,β-carotene-15,15′-monooxygenase,BCMO1)是参与体内类胡萝卜素转化为维生素A的主要代谢酶,其催化β-胡萝卜素等产生视黄醛,后者再进一步转化为视黄醇或视黄酸[21]。Pham等[22]发现,抑制BCMO1的表达,MMP-28的表达和活性增强；此外,在培养基中增加β-胡萝卜素的含量后,MMP-28的活性受到抑制,这可能是由于β-胡萝卜素是BCMO1的催化底物,当底物浓度增加时,机体通过反馈作用,使BCMO1的表达上调,进而抑制了MMP-28的活性。

3 MMP-28在肿瘤发生和发展中的作用

研究报道,MMP-28在肝癌、胃癌、膀胱癌、肺癌和脑胶质瘤等的癌组织中广泛表达,且影响患者的预后[7,13,23～25]。它的表达和激活在肿瘤细胞凋亡、侵袭转移和血管生成等关键过程中发挥着至关重要的作用。目前已证实MMP-28主要经以下方式促进肿瘤的发生与发展。

3.1 通过诱导EMT促进肿瘤的进展

上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮细胞获得更多间充质表型的基本生物学过程,其特征是细胞-细胞黏附受体的丢失、细胞外基质降解以及中间丝细胞骨架成分的改变,它是诱导细胞运动的一个关键过程,为癌细胞侵入周围组织提供了手段[26]。癌组织侵袭和转移的关键环节是降解癌周组织,其中最重要的就是水解细胞外基质。MMP-28通过诱导EMT,打破细胞外基质的降解平衡,从而促进肿瘤的侵袭和转移[10]。Illman等[13]通过对肺癌细胞展开研究发现,MMP-28在表达异常的情况下可诱导EMT,促进肺癌细胞的侵袭和转移。这表明MMP-28诱导的EMT导致上皮表型发生改变,为肿瘤细胞提供了侵袭特性。Heiskanen等[27]在犬肾上皮细胞系的研究中发现,MMP-28的过表达会导致基底膜外侧的细胞外基质急剧减少,同时引起Ⅳ型胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白消失。此外,MMP-28还可以由间充质细胞产生,这一分泌作用可促进上皮细胞向间充质转化,进一步降解细胞外基质,创造有利于肿瘤侵袭转移的条件,促进癌细胞侵入周围组织、血管和淋巴管[28]。然而,当前关于MMP-28如何诱导EMT的研究是有限的,因此,有必要在EMT过程中进行更深入的探索。

3.2 通过激活TGF-β促进肿瘤的进展

在哺乳动物中,转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)可参与胚胎发育、器官发生、细胞凋亡、免疫调节和应激反应等多种生物学行为[29]。正是由于其功能的多样性,TGF-β信号传导异常可能与肿瘤的发生、发展和转移密切相关[30]。Wang等[31]通过对神经胶质瘤细胞的研究发现,MMP-28通过激活TGF-β来诱导肿瘤细胞生长并减少神经胶质瘤细胞的凋亡,而且神经胶质瘤患者经治疗后血清中TGF-β的浓度明显降低,肿瘤浸润能力下降。此外,MMP-28可通过增强TGF-β及其下游信号分子的溶解性来促进肿瘤组织血管的生成,进而促进肿瘤的生长和侵袭[32]。总之,MMP-28可经诱导TGF-β促进肿瘤的进展,通过监测血清中TGF-β的浓度可在一定程度上评估肿瘤的恶性程度和临床疗效,这可能为患者预后疗效的评估提供了一种新的方法。

3.3 通过诱导其他MMPs的表达促进肿瘤的进展

研究发现,在肿瘤微环境中,MMP-28可以通过诱导MMP-9和MMP-14的表达来促进肿瘤的发生与发展[13]。Mehner等[33]通过对乳腺癌细胞的研究发现,MMP-9具有降解钙黏素的功能,可引起乳腺癌细胞间黏附性下降,活动度增加,从而在某种程度上促进癌细胞的侵袭和转移。Meyer等[34]发现,MMP-9能够保护结肠腺癌细胞免于蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)/p53诱导的调亡,说明MMP-9具备抗PKC/p53诱导肿瘤细胞调亡的功效。此外,有研究显示,MMP-14和MMP-9还可以加强血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)及其受体(VEGFR)在肿瘤早期阶段的结合,促进新生血管的形成[35～36]；而且,随着MMP-9表达的增加,VEGF和VEGFR2的表达也相应增加[35]。这一系列证据说明MMP-28可通过诱导其他MMPs的表达来增强自身的促瘤作用。

4 展望

MMP-28在结构上属于MMP-19亚家族,是MMPs最新的成员之一,它在早期妊娠的胎儿组织、伤口边缘、成人正常组织中广泛表达,参与了伤口修复、胚胎发育、血管形成等多种病理生理过程[7]。近年来,MMP-28在肿瘤发生和发展中的作用得到了较为广泛的研究,Zhou等[24]通过对肝细胞癌的研究发现,MMP-28的表达与肿瘤大小、分期、侵袭和转移密切相关,并提示预后不良；Zhang等[37]在胃癌组织的研究中也得到了相似的结论。这一系列证据说明MMP-28的表达与激活在肿瘤细胞的增殖、分化、侵袭、转移、血管生成和凋亡等关键过程发挥了至关重要的作用。

鉴于MMP-28在癌组织中的表达特点和作用,越来越多的研究将其作为恶性肿瘤潜在的治疗靶点。相关研究报道,MMP-28的底物酪蛋白已被鉴定为一种新型的肿瘤进展抑制剂[38～39]；MMP-28的几种活性抑制剂可抑制乳腺癌[40]和结直肠癌[41]的进展,并已被应用于相应肿瘤的治疗[42],这可能为化疗耐药的肿瘤进行靶向治疗提供了一种有效的治疗方案。然而,目前关于化疗或靶向治疗耐药的肿瘤组织中是否广泛存在MMP-28抑制剂耐药性的问题尚不清除,还需进一步探索。此外,MMP-28表达水平的改变在肿瘤进展中的具体作用机制还需进一步阐明,这有助于加深人们对肿瘤靶向治疗的认识,从而为开发有效治疗恶性肿瘤的药物及方法提供理论支持。