基质金属蛋白酶与骨改建

基质金属蛋白酶与骨改建关键词：基质金属蛋白酶；骨改建

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)是参与降解包括骨在内的全身各种组织细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的蛋白酶家族。自1962年Gross和Lapie re首次报道胶原酶(Collagenase)以来，作用于ECM其它成分的基质金属蛋白酶不断报道。到为止已发现和纯化的MMPs至少有20种，已证实MMPs 在几乎机体各种组织的发育和修复、肿瘤发生、炎症反应等过程中发挥着重要的作用，已愈来愈引起人们的重视。本文就MMPs在骨发育、代谢与再生等的改建过程中的最新进展进行综述。

1 MMPs的一般特性

MMPs是一组含Zn2+的能够降解细胞外基质的蛋白酶，通常在中性条件下发挥活性，有 ca2+参与时活性最大。其活性受螯合剂抑制，但不受丝氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸蛋白酶类抑制剂的。用cDNA预测氨基酸序列，表明一些哺乳动物MMPs各种类型酶之间，其结构具有高度的恒定性。MMPs家族所有成员具有一些共同的氨基酸序列和结构域。这些结构域是：前肽结构域、信号肽、催化结构域、凝乳酶样结构域、跨膜结构域等。通过其中某个区的增减修饰而形成不同的MMPs。如明胶酶在催化区有一段纤维连接蛋白样的插入，MMP-7缺少凝乳酶样结构域，而膜型MMPs含有跨膜结构域等。MMPs均以酶原形式分泌，其活化需要进行蛋白水解，前肽丢失，分子量减少。体外潜伏型MMPs可被有机汞制剂、促溶剂或蛋白酶激活。MMPs有一些共同的生化特点：①催化机制依赖于活化中心的锌原子；②蛋白酶均以无活性的酶原形式分泌；③酶原可被蛋白酶激活因子或有机汞制剂激活；

④激活过程伴随分子量的减少；⑤不同细胞来源的MMPs有很高的同源性；⑥激活后的酶可裂解一种或多种细胞外基质成分；⑦酶的活性可被MMPs的天然抑制剂TIMPs抑制；⑧多数MMPs基因转录受到内源性生长因子和细胞因子调节，如IL-1和IL-6、TNF-α、TGF-α和IFN-γ以及BMP等。

2 MMPs的分类

MMPs根据其结构和底物特异性不同可分为5大类：①间质胶原酶，包括MMP-1、-8、-13、-18，主要降解Ⅰ～Ⅲ型胶原及Ⅶ和Ⅹ型胶原，不能降解明胶、Ⅳ型和细胞外基质的其它蛋白成分。胶原酶以潜酶原方式合成。MMP-1(Mr=54×103)是成纤维细胞、巨噬细胞、上皮细胞等细胞来源的成纤维细胞型胶原酶。而MMP-

8(Mr=75×103)是由中性白细胞合成分泌的中性白细胞胶原酶；②Ⅳ型胶原酶，也叫明胶酶，包括明胶酶A(MMP-2)和明胶酶B (MMP-9)。明胶酶具有降解变性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原明胶的特异能力，也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型胶原。对纤维结合素、弹性蛋白也有一定作用。MMP-9(Mr=92×103)是糖化蛋白酶，主要来源于中性白细胞和巨噬细胞。MMP-2(Mr=72×103)是非糖化蛋白酶，来源于许多结缔组织细胞；③基质溶解素，包括基质溶解素-1 (MMP- 3)、基质溶解素-2(MMP-10)和基质溶解素-3(MMP-7)，有广泛的底物特性，可降解纤粘蛋白、层粘蛋白、弹性蛋白和糖蛋白的蛋白核心以及Ⅳ和Ⅸ型胶原等，另外还可去除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型原胶原

N、C末端肽，起原胶原肽酶作用。基质溶解素的细胞来源与MMP-1相似；④膜型MMPs，包括MT1-MMP(MMP-14)、MT2-MMP(MMP-15)、MT3-MMP(MMP-16)以及近来分离命名的MT5-MMP。这种酶表达于细胞表面，除可直接降解基质，还对MMP-2和MMP-13有激活作用；⑤其它类，包括MMP-4、-5、-6、-20。这些未归类MMPs的作用较特殊，不能归类于其它MMPs。MMP-4被称为端肽酶，Mr为35×103，可从牙龈成纤维细胞培养液内分离。其作用是促进MMP-1接近胶原分子切割部位以加速胶原降解。MMP-5又叫3/4胶原肽链内切酶，Mr为54×103。具有胶原酶、明胶酶活性，可以继续降解MMP-1降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原所产生的天然3/4胶原片段。MMP-6适合pH=5.3的酸性环境，故被称为酸性金属蛋白酶。其细胞来源尚不清楚，Mr为55×103，可以消化软骨蛋白多糖。MMP-20在牙齿发育过程中表达，能够分解牙釉质蛋白。

3 MMPs的激活

MMPs多数是以酶原形式分泌，其酶原体的胞外激活机制十分复杂且尚不完全清楚。胶原酶、明胶酶和基质溶解素的激活机制各不相同，现分述如下：①胶原酶的激活：血纤维蛋白溶解酶激活胶原酶原，使其Mr从55×103降为44×103，但酶活性较低。基质溶解素继续在Glu80-phe81位点切割使Mr进一步降为

43×103，从而完全激活胶原酶，这时酶活性提高近10倍。②明胶酶的激活：Mr 为72×103的成纤维细胞明胶酶可被成纤维细胞参与的过程所激活。Seltzer等认为Integrin受体参与的信号传导途径参与Mr为72×103的明胶酶的激活。而Mr 为95×103的明胶酶原可被血纤维蛋白溶解酶激活。另外有研究发现一些细胞因子也可激活明胶酶。③基质溶解素的激活：基质溶解素可被结缔组织细胞通过依赖血纤维蛋白溶解酶原机制快速激活。此过程中血纤维蛋白溶解酶首先水解基质溶解素前肽，所产生的中间产物再进行自身催化切割而被激活。④MMPs之间的相互激活：研究表明部分MMPs之间可相互激活。例如MT1-MMP可激活MMP-2和MMP-13，而MMP-3、MMP-10在MMP-1的激活中起重要作用，同时也可激活MMP-2。

4 MMPs在骨改建中的作用

MMPs参与了全身组织的发育、改建以及疾病的病理过程。如胚胎发育、组织改建、创伤愈合、风湿性关节炎的关节破坏、牙周炎、肿瘤侵袭转移等。随着国内外学者对MMPs的研究日益深入，MMPs在骨胚胎发育、改建及病理过程中所起的关键作用引起人们的重视。

骨是一种特殊的结缔组织，由多种细胞和细胞间的骨基质组成。细胞成分为：成骨细胞(Ost eoblast)、骨细胞(Osteocyte)、破骨细胞(Osteoclast)。骨基质(bone matrix)主要成分为：胶原纤维(约占90%，主要属于I型胶原)、蛋白多糖(Proteoglycan)和骨盐(Bony salt)。骨改建是一个复杂的多步骤过程，多种细胞参与了此过程，其中破骨细胞和成骨细胞的作用最为关键。而成骨细胞和破骨细胞不仅依赖MMPs对骨基质成分的直接降解，而且需要MMPs参与介导成骨细胞对成熟破骨细胞的活化以及破骨细胞的迁移和贴附等过程。

4.1 破骨细胞活化过程中MMPs的介导作用

成熟破骨细胞的活化是骨吸收的前提，而成骨细胞通过分泌MMPs来完成对破骨细胞的活化过程。其中，MMPs中的胶原酶发挥重要的介导作用。Holliday等［1］发现在胶原酶抑制剂存在条件下破骨细胞的骨吸收作用被明显抑制，而在半胱