基质金属蛋白酶

    肿瘤侵袭和转移是一个主动过程，Litta [1] 曾经把这一一过程概括为三个步骤:(1)肿瘤细胞与细胞外基质成分粘附;(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下迁移。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。

    细胞外基质和基底膜重塑是癌细胞侵袭转移过程中的关键环节，需借助于蛋白降解酶的表达和激活。目前所知与肿瘤侵袭、转移有关的基质降解酶有两大类;蛋白酶类和糖苷酶类，前者主要降解细胞外基质中的蛋白成分，如Ⅳ型胶原，层粘连蛋白及蛋白聚糖中的核心蛋白部分，后者主要降解其中的糖蛋白及蛋白聚糖中的多糖链。现已识别的蛋白酶类有四种:丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)。它们能够降解基质成份，并具有不同程度的特异性。基质金属蛋白酶是一组重要的细胞外基质降解酶，它通过对细胞外基质中不同成份的降解，在肿瘤侵袭转移中起关键性作用。, 百拇医药     1 基质金属蛋白酶族主要成员调控机制及其作用

    1.1 基质金属蛋白酶族主要成员 基质金属蛋白酶是一个大家族，目前已分离鉴别出20个成员，编号分别为MMP1～20。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。MMPs的家族成员具有相似的结构，一般由5个功能不同的结构域组成 [2] :(1)疏水信号肽序列;(2)前肽区，主要作用是保持酶原的稳定。当该区域被外源性酶切断后，MMPs酶原被激活;(3)催化活性区，有锌离子结合位点，对酶催化作用的发挥至关重要;(4)富含脯氨酸的铰链区;(5)羧基末端区，与酶的底物特异性有关。其中酶催化活性区和前肽区具有高度保守性。MMPs成员上述结构的基础上各有特点。各种MMP间具有一定的底物特异性，但不是绝对的。同一种MMP可降解多种细胞外基质成份，而某一种细胞外基质成分又可被多种MMP降解，但不同酶的降解效率可不同。

    1.2 MMPs的调控机制 现有研究表明MMPs活性的表达受酶原合成、酶原活化和抑制剂抑制三个水平调控。, 百拇医药     生长因子和细胞因子等活性介质如表皮生长因子是酶原合成阶段主要的调节因素，它们不仅能促进或抑制MMP mRNA的转录，而且能影响其半衰期;一些粘附分子(受体)、TPA等致癌剂以及细胞外环境等因素均对MMP的转录有调控作用。此外，纤维蛋白溶解酶在调节MMP表达和活性中也起非常重要的作用 [3] 。

    MMPs的抑制可能在两个层次上，一是在基质转化为活性形态时，二是其活性被体内天然的组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs)通过与活性形式结合的方式而抑制 [4] 。MMPs和TIMPs之间的平衡是MMPs活性一个关键控制点，TIMPs抵抗MMP的确切机制，目前还不完全清楚。TIMPs在体内分布广泛，目前已发现了4种，可与活化的MMPs以1:1的比例结合，抑制其活性。正常情况下MMPs与TIMPs在体内保持着相对的平衡状态，它们的平衡和相互影响决定着细胞基质是降解还是解聚，从而在组织的修复、重塑、胚胎的植入、肿瘤细胞的浸润与转移中具有重要的意义。, 百拇医药     可见，MMP的众多调控因素构成微妙的调节网络，正是这种精确的调控机制，保证了机体内生理状态下的细胞迁移和细胞外基质重构;而调节失控，就成为肿瘤细胞侵袭和转移等病理过程发生的原因。

    1.3 基质金属蛋白酶的主要作用 基质金属蛋白酶的主要作用是降解细胞外基质。理论上，在细胞外基质降解过程中，无需每一种MMPs均参加，只要其中几种，或与其它类蛋白水解酶有机搭配起来，几乎能降解细胞外基质的所有成份。

    根据作用底物以及片断同源性，将MMPs分为4类。明胶酶(即Ⅳ型胶原酶)为其中重要的一类，它主要有两种形式，一种被糖化，分子量为92kD，命名为MMP-9;另一种非糖化，分子量为72kD，由许多结缔组织细胞分泌，被称为MMP-2。基质和基底膜的主要成分是胶原，胶原成分的破坏则有利于肿瘤的浸润和转移。明胶酶能降解基底膜胶原、纤连蛋白和弹性蛋白，并具明胶溶解作用。它以无活性的酶原形式分泌，可被纤溶酶、胰酶等激活。大量研究表明，明胶酶在多种恶性肿瘤组织、培养的肿瘤细胞及癌基因转化细胞中活性增强，体内、外侵袭实验均证实肿瘤细胞的高侵袭能力与明胶酶的活性增强有关，因而被认为可能是肿瘤侵袭、转移过程中主要蛋白水解酶。越来越多的研究表明MMP-2在肿瘤细胞介导的细胞外基质降解中起关键作用。MMP-2活性和表达的增加与人类多种恶性肿瘤侵袭转移潜能及预后密切相关 [5] ，因而成为近年来肿瘤侵袭和转移研究的热点。, 百拇医药     2 MMP-2基因及其表达和激活的调节

    MMP-2基因位于人类染色体16q21，由13个外显子和12个内含子所组成，结构基因总长度为27kb，与其他金属蛋白酶不同，MMP-2基因5’旁侧序列促进子区域含有2个GC盒而不是TATA盒 [6] 。MMP-2以前酶原的形式由多种细胞分泌，如成纤维细胞、巨噬细胞、内皮细胞和恶性肿瘤细胞等。与其他金属蛋白酶相似，MMP-2分子含有氨基末端片段、金属结合片段及羧基末端片段，其中带有高度保守序列PRCGV/NPD的氨基末端具有一个不配对的半胱氨酸残基，该残基与激活位点的锌原子相互作用介导着MMP-2的前状态;金属结合片段是公认的锌结合部位，其含旁侧有2个组氨酸的保守序列HE-GH;羧基末端具有类似凝血酶的片段，该片段的具体功能尚未明确。此外，MMP-2还具有一个58个氨基酸残基组成的明胶结合片段 [7] 。目前认为，MMP-2表达和功能的调节发生于转录、分泌、前酶原的激活、细胞表面的结合以及与来源于肿瘤或宿主细胞的MMP抑制剂的相互作用等多个不同的水平。, 百拇医药     3 MMP-2与肿瘤侵袭和转移关系

    MMP-2与人类肿瘤的侵袭有关 [8] ，活化的MMP-2定位于细胞穿透基质的突出部位，估计其有“钻头”的作用。通过转染MMP-2的激活因子-膜结合型MMPs，能增强肿瘤细胞穿过基底膜基质的功能。体外实验结果显示，ras基因诱导的恶性肿瘤细胞株的MMP-2表达增加，激活MMP-2的单克隆抗体能促进A2085细胞株的侵袭能力，而抑制MMP-2的单抗则使A2085细胞株穿透重组基底膜的能力明显减弱。TIMP-2对肿瘤侵袭转移的抑制是MMP-2与肿瘤侵袭转移相关性的又一佐证。TIMP-2过度表达，能抑制转移性ras转化小鼠胚胎成纤维细胞裸鼠静脉注射后肺转移灶的形成，以及体内肿瘤的生长速度和癌细胞的浸润特性 [9] 。Vaisanene认为[10] MMP-2表达是皮肤黑色素瘤的独立预后因素:Levy [11] 采用Northern印迹分析技术发现72%的直、结肠腺癌MMP-2mRNA水平异常增高;Poulˉsom等 [12] 采用原位杂交技术，结果显示结肠肿瘤组织间质细胞能合成MMP-2，且与肿瘤细胞一起参与浸润癌特异性的组织重塑和基底膜降解过程。Davies [5] 研究表明膀胱癌组织中MMP-2mRNA主要位于间质细, 百拇医药     胞而不是肿瘤上皮细胞，MMP-2表达水平与肿瘤分化程度及浸润深度密切相关。

    对胃癌中MMP-2表达的研究提示MMP-2高表达胃癌患者预后较差，MMP-2表达的检测有助于胃癌病期进展的评估 [13，14] 。Nomura等 [13] 研究发现MMP-2与肿瘤的血管侵袭密切相关，认为MMP-2前体的激活是胃癌细胞扩散的关键环节。血管侵袭阳性的胃癌MMP-2前体阳性率显著高于阴性者。然而，有研究表明MMP-2表达仅与胃癌患者生存率有单因素相关的趋势，而不是预后的独立指标。MMP-2在乳腺癌的很早期即可在乳腺癌细胞中表达，被认为是导致肿瘤形成的早期事件。Talvensaari-Mattiˉla等 [15] 发现MMP-2蛋白阳性者生存期明显短于阴性者，认为MMP-2阳性为乳腺癌患者低生存率的独立预后因素。在一些纤维腺病和非浸润型良性肿瘤组织中也能测到MMP-2，且表达水平与肿瘤分级有相关性。有文献表明，某些癌基因也能增加MMPs在乳腺肿瘤中的表达。转染了HER-2meu和C-ras的细胞，能诱导MMP-2的合成和更强的侵袭能力 [16] 。, 百拇医药     MMP-2与胰腺癌侵袭转移的关系是近年来开展的新课题。Bramhall等 [17] 检测了27例胰腺癌、12例壶腹癌、3例胆管癌、3例神经内分泌肿瘤和5例慢性胰腺组织中MMP-2的表达。发现在胰腺癌和壶腹癌中MMP-2明显高于在其他组织中的表达，并且在胰腺癌和壶腹癌恶性上皮细胞的免疫反应性明显高于基质组织，并且MMP-2免疫反应性的增加与肿瘤的分化程度呈正相关。Kuniyasr等 [18] 的研究显示在人胰腺癌周围组织中MMP-2的表达有显著的预后意义。

    Koshiba等 [19] 利用明胶酶图(Gelatin zymograph)检测了13例正常胰腺组织、14例慢性胰腺炎组织和33例胰腺癌组织中MMP-2的潜伏和激活的形式，并用Western blot分析进一步证实了这种结果。结果显示在所有的胰腺癌，慢性胰腺炎和正常组织中都检测到了MMP-2的潜伏形式，胰腺癌中MMP-2活性形式在所有组织中全部表达(33/33)，其激活率明显高于慢性胰腺炎和正常组织中的激活率。pT3期肿瘤中的激活率显著高于pT1期肿瘤。在胰腺癌组织中那些有局部淋巴结转移和远处转移的组织中MMP-2的激活率也显著高于没有转移的组织。在6个月内复发的病人MMP-2的激活率也显著高于没有转移的组织。在6个月内复发的病人MMP-2的活化率显著高于6个月内没有复发的病人。结果提示MMP-2的激活在胰腺癌侵袭和转移中起了重要作用。另一项研究也发现在所有检测的胰腺癌组织的转移淋巴结中均有MMP-2的表达，而正常组织中却没有。, 百拇医药     对MMP-2及其与胰腺癌关系的研究尚处于初始阶段。上述资料均表明，MMP-2表达与胰腺癌侵袭转移及预后密切相关。但也有研究认为虽然MMP-2mRNA主要在胰腺癌基质中表达，但胰腺癌MMP-2mRNA的表达与预后无显著性意义 [20] 。因此，有必要在这一方面进行深入研究。

    4 前景与展望

    综上所述，MMPs是一类与肿瘤的侵袭和转移关系密切的蛋白水解酶。目前的研究结果也提示人们可通过阻断的MMPs作用来抑制肿瘤的侵袭与转移，从而达到控制和治疗肿瘤的目的。由于MMP-2在肿瘤细胞介导的细胞外基质降解中所起的关键作用，对与MMP-2密切相关的基质蛋白降解调节机制的深入剖析，将有助于对恶性肿瘤侵袭转移机制的进一步认识，从而为将来的抗癌转移治疗方案提供方向性的目标。

    参考文献

    1 Liotta LA.Tumor invasion and metastases-role of the extracellularˉmatrix:Rhoads Memorial Award lecture.Cancer Res，1986，46(1):1-7., 百拇医药     2 Nagase H.Activation mechanisms of matrix metalloproteinases.Biol Chem，1997，378;151-159.

    3 Ward RV，Hembry RM，Reynolds jj，et al.The purification of tissue inˉhibitor of metalloproteinases-2from its72kDa progelatinase complex.Demonstration of the biochemical similarities of tissue inhibitor of metalˉloproteinases-2and tissue inhibitor of metalloproteinases-1.Biochem J，1991，15;278(Pt1):179-187.

    4 Yoshimoto M，Itoh F，Yamamoto H，et al.Expression ofMMP-7(PUMP-1)mRNA inhuman colorectal cancers.Int J Cancer，1993，19;54(4):614-618., http://www.100md.com     5 Davies B，Waxman J，Wasan H，et al.Levels of matrix metalloproteinase in bladder cancer correlate with tumor grade and invasion.Cancer Res，1993，53:5365-5369.

    6 Huhtala P，ChowLT，Tryggvason K.Structure of the human typeⅣcolˉlagenasegene.J Biol Chem，1990，265:1107-1108.

    7 Fridman R，Fuerst TR，Bird RE，et al.Domain structure of human72- kDa，gelatinase typeⅣcollagenase.J Biol Chem，1992，267:15398-15405.

, 百拇医药     8 Chenard MP，Lutz Y，Mechine-Neuville A，et al.Presence of high levˉels of MT1-MMP protein in fibroblastic cells of human invasive carciˉnomas.Int J Cancer，1999，19:829(2):208-212.

    9 Delercd YA，Perez N，Shimada H，et al.Inhibition of invasion and metastasis in cells tansfected with a inhibitor of metalloproteinases.Canˉcer Res，1992，52:701-708.

    10 Vaisanen A，Kallioinen M，Jaskinen PJ，et al.Prognostic value of MMP-2immunoreactive protein72KD typeⅣcollagenase in primary skin melanoma.J Pathol，1998，186:51-58., 百拇医药     11 Levy AT，Cioce V，Sobel ME，et al.Increased expression of the Mr72.000type collagenase in human colonic adenocarcinoma.Cancer Res，1991，51:439-444.

    12 Poulsom R，Pignateli M，Stetler-Stevenson WG，et al.Stromal expresˉsion of72Kda typeⅣcollagenase(MMP-2)and TIMP-2mRNAS in colorectal neoplasis.Am J Pathol，1992，141:389-396.

    13 Nomura H，Fujimoto N，Seiki M，et al.Enhanced production of matrix metall oproteinases and activation of matrix metalloproteinase-2(G glatinase A)in human gastric carcinomas.INT J Cancer，1996，69:9-16., 百拇医药     14 Schwart GK，Wwang H，Lamnpen N，et al.Defining the invasive phenoˉtype of proximal gastric cancer cells.Cancer，1994，73:22-27.

    15 Talvensaari-Mattila A，Pdakko P，Hoyhtya M，et al.Matrix metalloˉproteinase-2immunoreactive protein:a marker of aggressiveness in breast carcinoma.Cancer，1998，Sep15;(6):1153-1162.

    16 Giunciuglio D，Dulty M，Fassina G，et al.Invasive phenotype of MCF10A cells overexpressing c-Ha-ras and c-erbB2oncogenes.Int J Cancer，1995;Dec11;63(6):15-22., http://www.100md.com     17 Bramhall SR Stamp GW，Dunn J，Lemoine NR，et al.Expression of colˉlagenase(MMP2)，stromelysin(MMP3)and tissue inhibitor of the metalloproteinases(TIMP)in pancreatic and ampullary disease.Br J Cancer，1996，73(8):972-978.

    18 Kuniyasu H Ellis LM，Evans KB，Abbruzzese JL，et al.Relative expresˉsion of Ecadherin and typeⅣcollagenase genes predicts disease outˉcome in patients with resectable pancreatic carcinoma.Clin Cancer Res，1999，5(10):25-23., 百拇医药     19 Koshiba T，Hosotani R，Wada M，et al.Involvement of matrix metalloˉproteinase-2activity in vasion and metastasis of pancreatic carcinoˉma.Cancer，1998，15;82(4):642-650.

    20 Maatta MSoini Y，Liakka A，Autio-Harmainen H.Differential expresˉsion of matrix metalloproteinase(MMP)-2，MMP-9，and membrane type1-MMP in hepatocellular and pancreatic adenocarcinoma:impliˉcations for tumor progression and clinical prognosis.Clin Cancer Res，2000，6(7):2726-2734.

    作者单位:022150内蒙古林业总院第一分院

    (收稿日期:2003-05-25)

    (编辑 小川), 百拇医药(谢庆国)