基质金属蛋白酶MMP

基质金属蛋白酶MMP-14与肿瘤侵袭转移的关系【摘要】目前肿瘤是危害人类健康最严重的疾病之一。肿瘤的侵袭和转移是恶性肿瘤最重要也是最本质的生物学特征，是引起恶性肿瘤患者预后不良和死亡的主要原因。据临床统计,有80%以上的肿瘤病人死于侵袭和转移若没有侵袭和转移的发生，预后一般较好。因此,对肿瘤侵袭转移方面的研究可以为肿瘤侵袭转移的早期诊断和靶向治疗提供帮助和依据，正成为目前抗癌治疗研究的热点。肿瘤的侵袭及远处转移是一个相当复杂的病理过程，与肿瘤细胞穿破细胞外基质(extraeellullaniatiix,ECM)屏障、血管壁基膜及进入宿主微环等过程密切相关【％大量实验证明，肿瘤细胞侵袭转移能力的强弱与其诱导产生的蛋白酶降解ECM及基膜的能力密切相关，而基质金属蛋白酶(MMP)则是其最重要的一组蛋白酶I,在肿瘤的侵袭和转移中起着重要的作用2-1成为近年来研究的热点。【关键词】肿瘤侵袭转移MMP-14ECM肿瘤的侵袭和转移是一个复杂的、多步骤的、多阶段的病理过程。肿瘤细胞向周围组织运动时会遇到一系列的屏障，肿瘤细胞单靠自身运动能力是不能克服这些屏障的，需要依赖于某些能降解基质和基底膜成分的酶的共同作用⑶。ECM和基底膜的降解及破坏是肿瘤转移多阶段过程中的关键步骤之一，恶性肿瘤对这些结构的破坏需要多种酶的参与，其中基质金属蛋白酶类(MMPs)在肿瘤的侵袭和转移过程中发挥着重要的作用。MMPs是自然界进化中高度保守的一类酶，其广泛分布于植物、脊椎动物、无脊椎动物中，是ECM降解过程中必不可少的酶，几乎能降解ECM的所有成分［9】。它们是一组锌离子依赖性肽链内切酶，大小各异，底物不尽相同，能裂解维系蛋白结构的肽链，主要参与结缔组织的降解。根据底物的特异性，序列的相似性及区域组成，脊椎动物的MMPs可分为六个亚群:(1)胶原酶：MMp—1、MMp—8、MMP一13、MMp—185,此类酶的主要特征为能够分解间质I、n、m型胶原，同时也可消化其它一些细胞外基质(ECM)成分及非ECM分子。(2)明胶酶：MMP-2及MMP—9,它们可以消化非天然的胶原、明胶。这两种能在它们的催化区域存在有三段重复n型纤拈蛋白区，它可结合明胶、胶原和层粘连蛋白。(3)间质溶解素：MMP—3及MMP-10都有相似的底物，但MMP-3的蛋白溶解效率要高于NIMP—10o除了消化ECM成分外，MMP—3可活化多种MMP的前体，而且它对于部分活化的前MMP—1转变为全活性的MMP—1是非常重要的。(4)基质溶解素：基质MMP一7及MMP-26,基质溶解素的特点是血凝素结合区的缺失。MMP一7除了分解ECM成分外，还作用于细胞表面的一些分子，如前a一防御素、Fas一配体、前肿瘤坏死因子(TNF-—a)、表皮钙钻附素。MMP—26同样也分解一定数量的ECM成分。(5)膜型基质金属蛋白酶(MT-MMP)：:MTI—MMP(膜型基质金属蛋白酶一1,MMP一14)、MT2—MMP(膜型基质金属蛋白酶一2,MMP—15)、MT3—MMP(膜型基质金属蛋白酶一3,MMP一16)、MT4-MMP(膜型基质金属蛋白酶一4,MMP—17)。这些酶同样也可消化ECM成分。MTI—MMP(MMP14)是最典型的成员之一，它的表达与许多细胞及生理病理过程相关网。MTI一MMP对ECM组成有着广泛的识别域，包括I和II型胶原、纤维连接蛋白、玻璃连接蛋白、层素、纤维蛋白和蛋白多糖凹然而，除了ECM组成成分以外，它还有更广泛的作用底物，包括CD44g,亦整合素前体【】3】和转谷氨猷胺酶，它与整合素相连参与&.坛。介导的TGF一B的激活并旦MTI—MMP具有消化【、I【、II【型胶原的活性。MTI一MMP缺失的小鼠出生后可由于缺乏胶原溶解活性而表现为骨骼发育的异常。MTI—•MMP同时在血管生成中也发挥着重要作用°(6)其他MMP：还有七种MMP未被列入以上分类。MMP-12,MMP-19.MMP-20,MMP-22,MMP-23.MMP-28.在正常稳定状态下，组织中MMP的表达量极少，而在炎性细胞因子、激素、生长因子刺激和细胞转化过程中其表达量明显升高。此过程涉及人体多种生理及病理过程，如炎症、胚胎发生、血管形成、肿瘤侵袭转移等。其中MMP在肿瘤侵袭转移中作用机制的研究较多，一般认为，其主要作用包括:①肿瘤的发生。MMP分解健康组织的基质成分，使肿瘤增殖;②肿瘤的侵袭及转移，MMP导致组织结构松弛，使癌细胞转移。组织的自我分解也促使MMP释放，从而进一步引起肿瘤增殖;③血管生成。在ECM降解的同时，MMP有助于为新生血管的生长提供空间。新生血管形成的过程包括毛细血管内皮层下基底膜降解，内皮细胞迁移和增殖，新生血管形成和新的基底膜形成等一系列过程;④调节细胞黏附:肿瘤细胞之间及与宿主细胞之间的黏附在肿瘤侵袭与转移中起重要作用;⑤激活具有潜在活性的蛋白质:研究表明MMP能激活两类具有潜在活性的蛋白质，即血浆纤维蛋白原和层粘连蛋白一5,二者在吸引炎症细胞及自发刺激肿瘤细胞迁移中具有重要作用。有研究表明，在肿瘤组织中，其多种MMP的表达均明显升高，MMP与多种肿瘤侵袭转移的能力呈明显正相关。因此，关于MMP的研究方兴未艾。1994年Sato等首次克隆鉴定膜型基质金属蛋白酶家族的第一个成员MT1-MMP(MMP-14),随着分子基因学的进展，目前认为它们参与了细胞外基质的降解，故在细胞的增殖分化、肿瘤的侵袭转移、凋亡、纤维化等领域里的研究越来越受重视。基质金属蛋白酶MMP—14是MMP家族中的一个亚家族，它主要位于肿瘤细胞膜上，能激活前MMP—2,使之转变为活性形式，同时能直接降解细胞外基质，导致肿瘤的浸润和转移。而MMP—2的作用底物是型胶原，它能直接分解基底膜中的纤维连接蛋白和层粘连蛋白，在肿瘤细胞突破基底膜屏障引起浸润转移中起重要作用。MMP-14具有MMPS家族的基本基因结构:信号肽区域，前肽区域，催化区域，血红素结合蛋白区域。此外它具有三个独特区域：(1)在前肽区及催化区之间有一个含弗林蛋白酶识别部位(RXKR)的结构区。(2)在催化区域有一个含8个氨基酸的序列，其功能目前尚未明确。(3)C末端的疏水跨膜区，该结构使其儒于细胞膜上，也因此而得名。目前对于MMPs家族的染色体定位基本明确125],大部分MMPS丛集于11号染色体上，而MTS一MMP的染色体定位较分散，例如MNIP-14位于14qll,而MMP-15位于16ql3oMMP-2、MMp—15蛋白表达部位虽然常一致，但二者染色体定位却不靠近，然而MNIP-15与MMP—2却共同位于16号染色体上，还是否存在一定的生物学意义有待进一步研究。MMP-14本身以酶原形式合成，经氟林蛋白酶样蛋白水解酶识别RXKR后酶解活化，然后分泌至细胞外而表露于细胞膜上。MTS一MMP的最主要生物学特征是它能激活MMp—2,故转移®/MTs-MMP/MMP酶链激活系统可能成为酶原激活水平上调控ECM降解的新途径，但其激活机制尚未明确，目前三分子复合物学说【】习特别受到重视，即表达于细胞膜上的MT-MMP在蛋白水解酶作用下活化，似细胞膜受体一样结合TIMP一2的N末端，然后该复合体再以受体形式结合MMP2形成MT-MMP/TEvIP一2ZMPS三分子复合物。除了激活MMP—2夕卜，最近研究还认为皿MMp-14能激活胶原酶III,且能直接降解多种ECM成分，如报道【风可•降解纤维连接蛋白、键蛋白、纤维连接蛋白等。HiraokaS】报道MMP-144作为细胞周纤维蛋白溶酶调节新血管的形成，而Belien[⑵尚报道MMP-14可消化中枢神经系统髓磷脂抑制蛋白，参与神经胶质瘤的转移。应用免疫组化、Westernblot及RT—PCR方法对基质金属蛋白酶MMP—14在胃癌组织及胃周正常粘膜的表达进行了研究【农发现MMP-14表达集中在肿瘤侵袭生长的边缘区，以瘤细胞为主，胞质分布，少数基质细胞亦表达。MMP-14在正常胃组织不表达，而在胃癌组织中显著表达。MMP一14的表达高低与胃癌浸润深度、有无淋巳结转移以及分化程度也成正相关，MMP—14蛋白表达在胃癌III、IV期明显高于I、I【期，两组间差别亦有统计学意义，这提示MMP—14参与了胃癌的直接浸润和淋巴结转移，MMP—14基因的表这水平反映了胃癌的生物学行为。MMP—2、MMP-14在胃癌组织中的表达呈正相关，这可能与MMP—14能活化MMP—2有关，提示MMP-14.MMP-2基因与胃癌浸润转移的生物学行为相关，能反映胃癌的浸润、转移潜能，可望作为新的肿瘤生物学标志物，为胃癌患者的预后判断提供帮助。利用免疫组化及RT-PCR检测胃癌中MMP-2、MNIP-14的表达来判断肿瘤的恶性程度及预后，指导手术及术后综合治疗具有一定的临床意义。MMP-14在肝细胞癌组织中的阳性表达率明显高于癌旁肝组织和正常肝组织［8】。MMP-14的表达则与性别、门静脉癌栓、AFP及肿瘤包膜有关。MMP-14的表达机会与性别水平亦有一定关系，除样本含量较少、由于肝癌本身的发病特点导致男女患病情况分布不均外，尚应考虑男女性患者ECM的生理性差别。另一方面，MMP—14与AFP的关联也可推测部分原因可能是由于MMP—14高表达的组织中基质屏障被削弱，从而有可能引起甲胎蛋白释放入循环并被检测到的可能性增加。门静脉癌栓是导致肝癌复发转移、预后不良的重要因素。合并门静脉癌栓导致肝癌患者肝内肿瘤播散和血行转移的机会显著增加，并使得切除率下降、肝内亚临床病灶潜伏的机会增加，从而造成不能手术或手术后复发率升高。同时，门静脉癌栓还导致患者的肝功能恶化,与门静脉高压及肝功能衰竭相关的并发症发生率上升，是评价肝癌恶性程度和侵袭能力的重要指标之一。MMP-14在肝癌组织中的表达与门静脉癌栓的发生呈正相关，这表明MMP一14则可能通过促使门静脉癌栓生成和进展而进一步增加患者复发转移的机会。国外学者的研究表明【W,MMP一14介导的MMP-2活化在血管平滑肌细胞迁移中具有重要作用，能够促进血管平滑肌细胞增殖、迁移并破坏血管内膜完整性，从而有利于肿瘤性栓子附着。肿瘤包膜由结缔组织包绕肿瘤形成，在大体病理上是抵挡肿瘤侵袭转移的第一屏障。肿瘤包膜较为完整的病例，MMP-14蛋白表达的机会下降。这一过程推测可能与以下三方面有关：(1)对肿瘤生长方式的调节。MMP-14通过对ECM的破坏使肿瘤浸润性生长。(2)对萎缩组织纤维化过程的调节。MMP—14对I型胶原的破坏可能阻断了成纤维细胞的纤维化作用而导致肿瘤周闱难以形成完整的包膜0(3)对肿瘤血管的调节作用。迅速增生的肿瘤血管可能造成包膜早期被突破，MMP—14能够加速肿瘤新生血管的形成和延续。乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一，目前己经成为女性恶性肿瘤的主要死亡原因。乳腺癌的侵袭和转移成为人们广泛关注的问题。MMP-14主要表达于乳腺癌的癌细胞质，阳性着色的肿瘤细胞质多呈弥漫分布。MMP-14在正常乳腺组织中虽有表达，但表达量很低,而在乳腺癌中表达则明显升高田习。姚广玉、杨名添研究发现［MMMP—14蛋白随着乳腺肿瘤直径的增大和腋窝淋巴结转移数目的增多阳性率明显增高(P<0.05),在I期、II期和III期乳腺癌中，MMP-14蛋白的阳性率也有显著性差异，分期越晚，阳性率越高(P<0.05),由此可见，MMP-14蛋白的表达与乳腺癌的大小、淋巴结转移、临床分期等呈正相关。肿瘤侵袭和转移是一个主动过程，分为三个步骤：(1)肿瘤细胞与细胞外基质成分黏附;(2)肿瘤细胞释放或诱导释放蛋白水解酶，降解细胞外基质;(3)降解区域肿瘤细胞在趋化因子引导卜迁移。完善的细胞外基质和基底膜可以限制肿瘤细胞的浸润和转移。在组织学上，基底膜完整性的破坏被认为是恶性肿瘤侵袭开始的一个标志。肿瘤细胞合成及分泌大量基质降解酶，降解细胞外基质是肿瘤细胞侵袭、转移的重要步骤。MMP是ECM降解过程中必不可少的酶。综上所述，MMP-14在肿瘤的侵袭和转移过程中发挥重要的作用。基质金属蛋白酶与血管的新生及肿瘤细胞侵袭、转移相关的细胞外基质(ECM)的降解过程密切相关。这些酶在侵袭性肿瘤的过表达反应肿瘤有更高的恶性生物学行为，并有可能成为恶性肿瘤不良预后的指标。这些酶受多种因素的调节，如多种细胞因子、其它降解酶、内源性抑制因子等。如果我们能够有效的控制其表达，那么就有希望降低恶性肿瘤的侵袭和转移，抑制肿瘤的生长，成为恶性肿瘤治疗的一个新靶点。研究表明，MMP的表达调节大致有以下3个水平:①基因水平调节;②酶原活化调节;③活化后调节。大多数MMP必须经过活化后调节才能发挥降解ECM的作用。这3个环节的相互作用对于维持人体MMP的稳定具有重要意义【街。因此，MMP家族种类众多，其结构中的特异性常与特异的活化及作用机制有关。MMP在体内的调节处于一种微妙的平衡状态,其激活和抑制机制不是孤立的，而是彼此联系的。近年来，人们不断研制新型的天然或合成的MMp抑制剂，以期起到抑制肿瘤侵袭及转移的作用。【参考文献】高进，章静波。癌的侵袭和转移基础与临床.北京:科学出版社.2003.5;86季润元，冯振卿.KAZL基因与肿瘤侵袭、转移、预后的关系[J].医学研究生学报，2004:17(10):949一951.StenilichtMD,Wbrb乙Howmatrixmetalloproteiiiasesregulatecellbehavior[J].AniiuRevCellDevBiol,2001;17(3):463-516EgebladM.WeibZ..Newrolesformatiixmetalloploteiiiasesincancer[J].NatRevCaiieer,2002:2(2):163-176.SternliehtMD,BergersGMatrixinetalloprotemasesasemergingtargetsinanticaiicertherapy:statusandrospects[J].EmeigTherapeutTargets,2000;4(3):609-633McCawleyLJ^MatrisiaiiLM.Matiixinetalloproteinases^hey^enotjustfbnnatiixanymore?[J]CuitOpmCellBoil,2001;13(4):534-540RlieeJS,CoussensLM.RECKnigMMPfunction:uuplicationsforcancerdevelopment[J].TrendsCellBoil,2002;12(5):209-211高进，章静波。癌的侵袭和转移基础与临床.北京:科学出版社.2003.5;86vanWhrtHE,BukedalHH.Thecystemeswitch:aprmcipleofregulationofinetalloprotemaseactivitywitlipotentialapplieabilitytotheentireniatixmetalloprotemasegenefamily[J].ProcNatlAeadSciUSA,1990:87(14):5578—5582YanabSeikiM.MT-MMPsplaypivotalrolesmcancerdisseniiiiation[J].ClinExPMetastasis,2002,19(3):209—225.KoshikawaN,GiaimelliGCirulliV,etal.RoleofcellsurfacemetalloproteaseMTI-MMPinepithelialcellmigrationoverlaniiiiiii5[J].JCellBioL2000,148(3):615一624.KajitaM,ItohY,ChibaT,etal.MembranetypeImatiixmetalloproteinasecleavesCD44andpromotescellniigration[J].JCellBion,2001,153(5):893—904.DeiyugmaELRatnikovBI,PostnovaTLetal.Proeessiiigofintegriiialpha(v)subunitbymembranetypeImatrixmetalloproteinasestuuulatesnugiationofbreastcareinomacellsonvitioneetiiiandenhancestyrosinephosphoiylationoffbealadliesionkuiase[J].JBiolChem,2002,277(12):9749—9756.王江。肝素酶、基质金属蛋白酶MMP—2、MMP—14、钙粘蛋白与胃癌生物学行为关系的研究StionginAY,CollieibBaimikovG,etal.Mechaiiismofcellsurfaceactivationof72一kDatypeIVcollagenase.Isolationoftheaetivatedformofthemembranemetalloprotease.JBiolChem.1995:270:5331一5338.KiiauperV,WillH,Lopez一OtinC,etal.Celhilaimeehanisnisforhumanproeollagenase—3(MMP—13)aetivation.EvideneethatMTleeNDvIP(MMP—14)andgelatiiiasea(MMP一2)areabletogenerateactiveenzyme.JBiolChem.1996:271:17124一17131.D'OrthoMP,WillH,AtkinsonS,etal.Membraiie—*typematrixmetallopioteiiiasesland2exhibitbroad一speetnimproteolyticcapacitiescomparabletomanyinatiixmetallopioteinases.EurJBioehem.1997:250:751—757.HiraokaN,AlleiiE,ApelIJ,etal.Matrixmetalloproteinasesregulateneovaseulaiizationbyactingasperieellulaifibiiiiolysiiis.Cell.1998:95:365一377.BelieiiAT»PaganettiPA,SchwabME,etal.Membiane一type1inatiixinetallopiotease(MTI一MMP)enablesinvasivemigrationofglioniacellsincentralneivoussystemwhitematter.!CellBiol.l999:144:373一384.黄山。RECK和MMP-14蛋白在人肝癌中的表达和意义NeilHenderson,LeeJ,Markwiek,etal.CollagenIan