分子细胞生物学

基质金属蛋白酶---MMPs汇报人：周吉芳＋＋0301分类&特点02结构&功能 活性调节&作用过程目录概述基质金属蛋白酶(matrix

metalloproteinases,MMP)是降解细胞外基质(ECM)的重要酶类,几乎能降解细胞外基质的所有成分.现已发现26种MMP,称为MMP家族.MMP能通过破坏基质的降解平衡而促进肿瘤细胞突破基底膜和细胞外基质构成的组织屏障作用,从而侵袭周围组织.组织金属蛋白酶抑制剂(TIMP)是MMP的天然抑制物,是一组能抑制MMP活性的多功能因子,目前已经在人体内发现有4种TIMP.肿瘤细胞外基质和基底膜(BM)的降解是肿瘤侵袭转移的关键步骤之一.TIMP与MMP之间的平衡关系在调节ECM的稳定中有重要作用.MMP是自然进化中高度保守的一类酶,广泛分布于植物、脊椎动物、无脊椎动物中.在正常稳定状态的组织中,MMP表达量极少;而在涉及人体多种生理和病理过程中,如炎症、胚胎发生、血管形成、肿瘤侵袭转移时,其表达量上升.概述01分类&特点ONEMMP

是细胞外基质降解过程中的重要酶,按作用底物不同可将MMP

分为以下几类:胶原酶:包括间质胶原酶(MMP-1)、多形核胶原酶(MMP-8)、胶原酶3(MMP-13)明胶酶:包括明胶酶B(MMP-9)基质溶素:包括基质溶素-1(MMP-3)、基质溶素-2(MMP-10)、基质溶素-3(MMP-11)膜型基质金属蛋白酶:包括I膜型基质金属蛋白酶(MMP-14)、II膜型基质金属蛋白酶(MMP-15)、III膜型基质金属蛋白酶(MMP-16)、IV膜型基质金属蛋白酶(MMP-17)其他:基质溶解因子(MMP-7)、金属弹力蛋白酶(MMP-12)、釉质溶解素(MMP-20)分类催化机制依赖于活性中心的锌离子;蛋白酶以酶原形式分泌;酶原可被蛋白酶或有机汞制剂激活;激活过程伴随着约10000相对分子质量的丢失;cDNA序列均显示与胶原酶的同源性;激活后的酶可裂解一种或多种细胞外基质成分;酶的活性可被组织金属蛋白酶抑制物抑制.主要特点02结构&功能TWOMMP是锌离子依赖性内肽酶,它们大小各异,底物不尽相同,但都含有信号肽、前肽和催化区等3个结构区域:人MMP中除MMP-14外均有一个信号肽序列,信号肽的作用是引导翻译后的新生肽链至胞浆内质网;MMP主要以酶原形式分泌至细胞外,需在激活剂作用下脱去前肽,才有酶活性;前肽区内含有保守的PRCGV/NPD序列,其中保守的半胱氨酸残基在大多数MMP酶原活化中有重要作用;而MMP-11/14/15/16/17直接以酶活性形式分泌至胞外;催化区有9个Zn2+结合区和至少1个Ca2+结合区，2个Zn2+结合区中一个为催化性Zn2+,位于活性中心内,涉及MMP的催化过程另一个为结构性Zn2+.结构MMP的三维结构大部分都是催化结构域与肽类、拟肽类或非肽类抑制剂的复合物.MMP的催化结构域呈球形,包括4个平行的β片层,1个反平行的β片层和3个长α螺旋,1个与3个组氨酸残基螯合的催化锌离子,1个与3个组氨酸及1个天冬氨酸残基螯合的结构锌离子和至少2个以八面体形式螯合的结构钙离子.结构功能降解细胞外基质

细胞外基质是细胞生存的重要内环境,不仅含有胶原、糖蛋白、蛋白多糖等成分,而且含有大量的蛋白酶、细胞因子、黏附分子.ECM,尤其是其中的基底膜,

是肿瘤转移过程中必须克服的生理屏障,在肿瘤侵袭过程中,肿瘤细胞首先与基底膜表面受体如纤维连接蛋白(FN)和层黏蛋白(LN)结合,然后分泌MMP等降解酶或诱导基质细胞分泌酶类,降解基底膜和基质,最终肿瘤细胞沿基底膜缺损和基质空隙向周围生长.在新生血管形成中的作用

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.体外实验表明,在血管形成与肿瘤转移的过程中,血管内皮细胞与肿瘤均能分泌蛋白水解酶降解ECM.

研究证实在肿瘤结节内新生血管形成的早期,MMP-2有重要的作用.MMP-2外源性抑制物或反义核酸均能导致肿瘤蛋白水解能力及新生血管能力的丧失.2.功能调节细胞黏附

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.如黑色素瘤细胞可表达胞间黏附分子-1(ICAM-1),可与白细胞黏附,有利于瘤细胞在血管内聚集及穿出瘤细胞.研究表明,整合素在细胞侵袭中有重要作用,能直接调节细胞在ECM中的移行,

同时也能调节MMP的表达.

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黏连蛋白-5.Folkman分离得到了一种具有很强的抗血管增生活性的蛋白质---血管抑制素,这种蛋白质是由原位增殖性肿瘤分泌的具有抑制肿瘤转移和生长能力的因子.

测序表明,血管抑制素是无蛋白水解活性的血纤维蛋白原的一个片段.随后证实,MMP-3、7、9、12都可使血纤维蛋白原降解为血管抑制素的类似片段.03活性调节&作用过程THREEMMP在癌症病理生理过程中的作用分为3个阶段,它们导致癌细胞增长及扩散:发病:MMP分解健康组织的基质结构使肿瘤增生;转移:MMP使组织结构松弛,以便癌细胞转移;组织的自我分解也促使MMP的释放,从而引起进一步的肿瘤增生;血管生成:在胞外基质降解的同时,还有助于为新的血管生长提供空间作用过程基质MMP的活性调节一般在3个水平上(基因转录水平、酶原的活化激活、抑制剂抑制调控,近年研究热点主要在后2个方面:MMP的转录水平调节

激素、生长因子、癌基因和细胞周期素均可影响MMP的转录.IL-1、IL-12、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子α(TGFα)、肿瘤坏死因子α(TNFα)均能上调MMP的表达.PKC、ras和src作为MMP

生长调控因子的介质,也能调节MMP

的产生.TGFβ、IFNγ、类固醇激素(包括糖皮质激素)和视黄醛则下调MMP

的表达.酶原的活化

MMP是以无活性的酶原形式分泌的,只有被活化后才能降解基质蛋白。这是控制细胞外基质降解的重要的调节机制。

一些刺激物通过干扰金属蛋白酶前体催化位点的锌离子与高度保守的PRCGVPDV序列中半胱氨酸残基的作用来激活此酶。对MMP活性的调节

TIMP由多基因家族成员组成,包括保守的胱氨酸和色脯氨酸残基.内皮细胞也能产生TIMP.TIMP中的TIMP-1和TIMP-2能与MMP的催化区以1:1的比例可逆性结合,

抑制MMP的活性.活性调节MMP的天然抑制剂概述TIMP是近年来发现的MMP的天然抑制剂,是一组能抑制MMP活性的多功能因子,在肿瘤组织与间质细胞中均可表达.它通过对

MMP的抑制,在正常细胞外基质改建和各种病理过程中发挥重要作用.迄今发现有4种TIMP,TIMP-1、2、4为可溶性分泌蛋白,TIMP-3是一种结合ECM的非可溶性蛋白.TIMP在多个环节抑制MMP的活性,亦可抑制新生血管形成的作用,如阻碍MMP介导的内皮细胞移动,抑制基质中促血管生成因子的释放,防止ECM降解.结构TIMP分子包括2个蛋白质结构域,N端结构域拥有MMP抑制活性,C端结构域可能与明胶酶原的蛋白定位或复合物的形成有关.保守性最强的区域是N端的前22个氨基酸残基(在信号肽断裂位点附近),已表明这个区域包含着活化位点,在这位点中的第7个组氨酸和第9个甘氨酸与Zn2+的相互作用尤显重要.通过X线晶体结构法分析,发现TIMP三维结构呈楔形TIMP主要从2个方面抑制MMP的激活:在酶原活化阶段,TIMP与MMP可形成稳定的复合体,并阻碍MMP的酶原自我激活在活化的MMP阶段,TIMP可直接与活化的MMP形成紧密的1:1复合体,抑制其活性TIMP的主要功能是对MMP的抑制作用,调节细胞外基质的代谢，同时还在细胞生长、繁殖及刺激血管生成等生理和病理学方面发挥一定的作用。1.

抑制MMP的活性

研究表明,TIMP对MMP的抑制作用既有一定的交叉性又有特定的选择性,

在调节细胞外基质的代谢中起重要的作用,

但不同的TIMP成员又各有其特殊性:TIMP-1主要与MMP-1、MMP-3结合形成1:1化学复合物;此外,它还可以与明胶酶原B特异性结合使其失活.TIMP-2亦可与MMP-1和MMP-3呈1:1结合;此外,TIMP-2还对MMP-2具有双重阻滞活性,它通过细胞膜相关机制既可以与激活的明胶酶原A结合使其失活,又可以与明胶酶A共价结合阻止其与细胞表面接触从而抑制明胶酶A的活性.TIMP-1及TIMP-2与明胶酶原结合后,仍能抑制MMP活性,提示TIMP可与明胶酶原及MMP形成三重复合物.功能TIMP的主要功能是对MMP的抑制作用,调节细胞外基质的代谢，同时还在细胞生长、繁殖及刺激血管生成等生理和病理学方面发挥一定的作用。2.

有人观察了TIMP-1对成纤维细胞,上皮细胞,平滑肌细胞及淋巴细胞等的影响,发现TIMP-1可以促进这些细胞的生长