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基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMPs)是參和降解包括骨在內(nèi)的全身各種組織細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix，ECM)的蛋白酶家族。自1962年Gross和Lapiere首次報道膠原酶(Collagenase)以來，功能于ECM其它成分的基質(zhì)金屬蛋白酶不斷報道。到目前為止已發(fā)現(xiàn)和純化的MMPs至少有20種,已證實MMPs在幾乎機體各種組織的發(fā)育和修復(fù)、腫瘤發(fā)生發(fā)展、炎癥反應(yīng)等過程中發(fā)揮著重要的功能，已愈來愈引起人們的重視。本文就MMPs在骨發(fā)育、代謝和再生等的改建過程中的最新探究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1MMPs的一般特性

MMPs是一組含Zn2+的能夠降解細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白酶，通常在中性條件下發(fā)揮活性，有ca2+參和時活性最大。其活性受螯合劑抑制，但不受絲氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸蛋白酶類抑制劑的影響。用cDNA猜測氨基酸序列，表明一些哺乳動物MMPs各種類型酶之間，其結(jié)構(gòu)具有高度的恒定性。MMPs家族所有成員具有一些共同的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域是摘要：前肽結(jié)構(gòu)域、信號肽、催化結(jié)構(gòu)域、凝乳酶樣結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域等。通過其中某個區(qū)的增減修飾而形成不同的MMPs。如明膠酶在催化區(qū)有一段纖維連接蛋白樣的插入，MMP-7缺少凝乳酶樣結(jié)構(gòu)域，而膜型MMPs含有跨膜結(jié)構(gòu)域等。MMPs均以酶原形式分泌，其活化需要進(jìn)行蛋白水解，前肽丟失，分子量減少。體外潛伏型MMPs可被有機汞制劑、促溶劑或蛋白酶激活。MMPs有一些共同的生化特征摘要：①催化機制依靠于活化中心的鋅原子；②蛋白酶均以無活性的酶原形式分泌；③酶原可被蛋白酶激活因子或有機汞制劑激活；④激活過程伴隨分子量的減少；⑤不同細(xì)胞來源的MMPs有很高的同源性；⑥激活后的酶可裂解一種或多種細(xì)胞外基質(zhì)成分；⑦酶的活性可被MMPs的天然抑制劑TIMPs抑制；⑧多數(shù)MMPs基因轉(zhuǎn)錄受到內(nèi)源性生長因子和細(xì)胞因子調(diào)節(jié)，如IL-1和IL-6、TNF-α、TGF-α和IFN-γ以及BMP等。

2MMPs的分類

MMPs根據(jù)其結(jié)構(gòu)和底物特異性不同可分為5大類摘要：①間質(zhì)膠原酶，包括MMP-1、-8、-13、-18，主要降解Ⅰ～Ⅲ型膠原及Ⅶ和Ⅹ型膠原，不能降解明膠、Ⅳ型和細(xì)胞外基質(zhì)的其它蛋白成分。膠原酶以潛酶原方式合成。MMP-1(Mr=54×103)是成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞等細(xì)胞來源的成纖維細(xì)胞型膠原酶。而MMP-8(Mr=75×103)是由中性白細(xì)胞合成分泌的中性白細(xì)胞膠原酶；②Ⅳ型膠原酶，也叫明膠酶，包括明膠酶A(MMP-2)和明膠酶B(MMP-9)。明膠酶具有降解變性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原明膠的特異能力，也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型膠原。對纖維結(jié)合素、彈性蛋白也有一定功能。MMP-9(Mr=92×103)是糖化蛋白酶，主要來源于中性白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。MMP-2(Mr=72×103)是非糖化蛋白酶，來源于許多結(jié)締組織細(xì)胞；③基質(zhì)溶解素，包括基質(zhì)溶解素-1(MMP-3)、基質(zhì)溶解素-2(MMP-10)和基質(zhì)溶解素-3(MMP-7)，有廣泛的底物特性，可降解纖粘蛋白、層粘蛋白、彈性蛋白和糖蛋白的蛋白核心以及Ⅳ和Ⅸ型膠原等，另外還可去除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型原膠原N、C末端肽，起原膠原肽酶功能。基質(zhì)溶解素的細(xì)胞來源和MMP-1相似；④膜型MMPs，包括MT1-MMP(MMP-14)、MT2-MMP(MMP-15)、MT3-MMP(MMP-16)以及近來分離命名的MT5-MMP。這種酶表達(dá)于細(xì)胞表面，除可直接降解基質(zhì)，還對MMP-2和MMP-13有激活功能；⑤其它類，包括MMP-4、-5、-6、-20。這些未歸類MMPs的功能較非凡，不能歸類于其它MMPs。MMP-4被稱為端肽酶，Mr為35×103，可從牙齦成纖維細(xì)胞培養(yǎng)液內(nèi)分離。其功能是促進(jìn)MMP-1接近膠原分子切割部位以加速膠原降解。MMP-5又叫3/4膠原肽鏈內(nèi)切酶，Mr為54×103。具有膠原酶、明膠酶活性，可以繼續(xù)降解MMP-1降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原所產(chǎn)生的天然3/4膠原片段。MMP-6適合pH=5.3的酸性環(huán)境，故被稱為酸性金屬蛋白酶。其細(xì)胞來源尚不清楚，Mr為55×103，可以消化軟骨蛋白多糖。MMP-20在牙齒發(fā)育過程中表達(dá)，能夠分解牙釉質(zhì)蛋白。

3MMPs的激活

MMPs多數(shù)是以酶原形式分泌，其酶原體的胞外激活機制十分復(fù)雜且尚不完全清楚。膠原酶、明膠酶和基質(zhì)溶解素的激活機制各不相同，現(xiàn)分述如下摘要：①膠原酶的激活摘要：血纖維蛋白溶解酶激活膠原酶原，使其Mr從55×103降為44×103，但酶活性較低。基質(zhì)溶解素繼續(xù)在Glu80-phe81位點切割使Mr進(jìn)一步降為43×103，從而完全激活膠原酶，這時酶活性提高近10倍。②明膠酶的激活摘要：Mr為72×103的成纖維細(xì)胞明膠酶可被成纖維細(xì)胞參和的過程所激活。Seltzer等認(rèn)為Integrin受體參和的信號傳導(dǎo)途徑參和Mr為72×103的明膠酶的激活。而Mr為95×103的明膠酶原可被血纖維蛋白溶解酶激活。另外有探究發(fā)現(xiàn)一些細(xì)胞因子也可激活明膠酶。③基質(zhì)溶解素的激活摘要：基質(zhì)溶解素可被結(jié)締組織細(xì)胞通過依靠血纖維蛋白溶解酶原機制快速激活。此過程中血纖維蛋白溶解酶首先水解基質(zhì)溶解素前肽，所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物再進(jìn)行自身催化切割而被激活。④MMPs之間的相互激活摘要：探究表明部分MMPs之間可相互激活。例如MT1-MMP可激活MMP-2和MMP-13，而MMP-3、MMP-10在MMP-1的激活中起重要功能，同時也可激活MMP-2。

4MMPs在骨改建中的功能

MMPs參和了全身組織的發(fā)育、改建以及疾病的病理過程。如胚胎發(fā)育、組織改建、創(chuàng)傷愈合、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)破壞、牙周炎、腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移等。隨著國內(nèi)外學(xué)者對MMPs的探究日益深入，MMPs在骨胚胎發(fā)育、改建及病理過程中所起的關(guān)鍵功能引起人們的重視。

骨是一種非凡的結(jié)締組織，由多種細(xì)胞和細(xì)胞間的骨基質(zhì)組成。細(xì)胞成分為摘要：成骨細(xì)胞(Osteoblast)、骨細(xì)胞(Osteocyte)、破骨細(xì)胞(Osteoclast)。骨基質(zhì)(bonematrix)主要成分為摘要：膠原纖維(約占90%，主要屬于I型膠原)、蛋白多糖(Proteoglycan)和骨鹽(Bonysalt)。骨改建是一個復(fù)雜的多步驟過程，多種細(xì)胞參和了此過程，其中破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的功能最為關(guān)鍵。而成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞不僅依靠MMPs對骨基質(zhì)成分的直接降解，而且需要MMPs參和介導(dǎo)成骨細(xì)胞對成熟破骨細(xì)胞的活化以及破骨細(xì)胞的遷移和貼附等過程。

4.1破骨細(xì)胞活化過程中MMPs的介導(dǎo)功能

成熟破骨細(xì)胞的活化是骨吸收的前提，而成骨細(xì)胞通過分泌MMPs來完成對破骨細(xì)胞的活化過程。其中，MMPs中的膠原酶發(fā)揮重要的介導(dǎo)功能。Holliday等［1］發(fā)現(xiàn)在膠原酶抑制劑存在條件下破骨細(xì)胞的骨吸收功能被明顯抑制，而在半胱氨酸蛋白酶抑制劑或其它MMPs抑制劑存在條件下破骨細(xì)胞的骨吸收功能只能部分減弱。這表明鄰近破骨細(xì)胞的基質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞通過釋放大量膠原酶分解膠原產(chǎn)生膠原質(zhì)片段從而激活破骨細(xì)胞的骨吸收功能。可見膠原酶不僅直接參和破骨細(xì)胞的骨吸收過程，而且是成骨細(xì)胞誘導(dǎo)破骨細(xì)胞骨吸收的中介因子之一。另外，PTH對骨吸收的誘導(dǎo)功能必須依靠膠原酶對I型膠原的裂解。Zhao等［2］的探究表明PTH直接功能于成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)間質(zhì)膠原酶轉(zhuǎn)錄和合成。從而間接促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化和骨吸收功能。Kusano等［3］認(rèn)為IL-1、-6通過促進(jìn)破骨細(xì)胞合成分泌MmPs來提高破骨細(xì)胞的骨吸收功能。

4.2破骨細(xì)胞遷移和貼附過程中MMPs的功能

探究表明MMPs也參和了被活化的破骨細(xì)胞向礦化骨表面的移行和貼附過程。Sato等［4］在兔破骨細(xì)胞中檢測到高表達(dá)的MT1-MMP，而且MT1-MMP和相應(yīng)于板狀偽足和偽足小體(podosome)區(qū)域的基底膜反應(yīng)。推測MT1-MMP和破骨細(xì)胞的遷移和貼附有關(guān)。另外Sato等［4］將純化的破骨細(xì)胞分別培養(yǎng)于涂或未涂膠原的骨片上。在未涂膠原的骨片上MMPs抑制劑未能抑制骨陷窩的形成，而在涂有膠原的骨片上MMPs抑制劑有效的抑制了骨陷窩的形成。使用其它類的蛋白酶抑制劑沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。表明破骨細(xì)胞依靠于部分MMPs的活動以移行到骨吸收區(qū)域。可見，MMPs不僅直接參和骨基質(zhì)降解，而且破骨細(xì)胞的遷移和貼附也依靠于部分MMPs的活動。當(dāng)破骨細(xì)胞移行骨吸收區(qū)域，骨表面的類骨質(zhì)需要成骨細(xì)胞和襯里細(xì)胞等細(xì)胞釋放膠原酶分解，以使破骨細(xì)胞貼附于礦化骨表面行使骨吸收功能。這一點在腫瘤細(xì)胞對骨的侵襲時錨著于骨表面的過程中顯得尤為重要。Ohishi等［5］在體外培養(yǎng)實驗中發(fā)現(xiàn)和乳腺癌細(xì)胞H-31共同培養(yǎng)的成骨細(xì)胞所分泌的MMP-1明顯增加。說明腫瘤細(xì)胞在誘導(dǎo)破骨細(xì)胞進(jìn)行溶骨之前，必須動員成骨細(xì)胞合成分泌膠原酶以去除骨表面的類骨質(zhì)。而在腫瘤轉(zhuǎn)移時要突破的基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)中所包含的膠原也同樣需要MMPs的降解。例如基底膜中的Ⅳ型膠原就需要明膠酶的特異分解。

4.3破骨細(xì)胞溶解吸收骨基質(zhì)成分過程中MMPs功能

破骨細(xì)胞在貼附于礦化骨表面后分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，并在破骨細(xì)胞和骨表面之間形成密閉腔隙，將一些酶類分泌于其中來降解骨基質(zhì)中的其它成分。在這些酶中MMPs起關(guān)鍵功能。現(xiàn)已證實有多種MMPs參和了骨基質(zhì)的吸收過程，包括MMP-1、-2、-3、-9、-10、-13［3］以及MT1-MMP［6］和MT2-MMP等。這些MMPs根據(jù)不同的底物特異性分解骨基質(zhì)中包括膠原在內(nèi)大部分蛋白成分。這一過程由MMPs單獨完成或是和其它類蛋白酶共同完成。Sires等［7］探究表明MMPs在降解骨基質(zhì)時和其它類蛋白酶有協(xié)調(diào)功能。例如膠原酶在降解Ⅹ型膠原時產(chǎn)生mr=32×103的片段，而這個片段不能繼續(xù)被膠原酶以及其它類基質(zhì)金屬蛋白酶降解。但卻能被破骨細(xì)胞來源的組蛋白B快速分解。這一點也可從破骨細(xì)胞分泌不同蛋白酶存在一定順序的現(xiàn)象中得到證實。Everts等［8］探究表明摘要：在破骨細(xì)胞貼附于礦化骨表面后創(chuàng)造一個低pH值的吸收環(huán)境，在這個酸性環(huán)境中半胱氨酸蛋白酶首先發(fā)揮功能，降解部分骨蛋白。當(dāng)pH值逐漸回升到中性時基質(zhì)金屬蛋白酶才開始行使其功能。

4.4MMPs在骨的胚胎發(fā)育中的功能

骨的胚胎發(fā)育過程以骨的快速形成為特征，而在新骨骨基質(zhì)堆積前必須依靠成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞或其它細(xì)胞合成分泌MMPs，溶解吸收骨表面的軟、硬組織以及陳舊的骨內(nèi)基質(zhì)，為新骨開辟空間。在骨形成活躍處可檢測到有大量高活性的MMPs表達(dá)說明了這一點。Rice等［9］通過原位雜交觀測到胚胎發(fā)育16d的小鼠顱骨中破骨細(xì)胞分泌大量MMP-9，而且集中于骨形成活躍的區(qū)域。推測MMP-9在骨的早期發(fā)育中占有重要功能。Gack等［10］通過原位雜交在14d的小鼠胚胎的各種發(fā)育骨中檢測到MMP-1，非凡是在長骨中。這些MMP-1主要由骨形成活躍區(qū)域的肥大軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分泌。推測MMP-1在胚胎發(fā)育階段早期骨形成中發(fā)揮重要功能。

4.5MMPs的調(diào)節(jié)對骨改建的影響

在正常的骨改建過程中MMPs的基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄和活性受到多種因素調(diào)節(jié)而維持在正常水平。例如BMP-2、-4、-6在mRNA水平和蛋白質(zhì)水平抑制MMP-13合成［11］。Delany［12］等發(fā)現(xiàn)由成骨細(xì)胞分泌的基質(zhì)溶解素-3在成纖維細(xì)胞生長因子-2(FGF-2)短期功能下mRNA表達(dá)明顯下降，基因轉(zhuǎn)錄并不受影響。而在FGF-2長期功能下基質(zhì)溶解素-3的mRNA表達(dá)趨于穩(wěn)定，基因轉(zhuǎn)錄卻明顯增加。TGF-β1通過抑制MMPs產(chǎn)生促使細(xì)胞外基質(zhì)沉積。Mattot等［13］對小鼠胚胎發(fā)育的探究發(fā)現(xiàn)，在長骨和肋骨的肥大軟骨細(xì)胞中或遷移到長骨骨形成區(qū)域的成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中有膠原酶的轉(zhuǎn)錄積聚，而TIMP-2的基因轉(zhuǎn)錄要提前于膠原酶。提示TIMP-2不僅局限在轉(zhuǎn)錄后，而且在轉(zhuǎn)錄水平對其有調(diào)控功能。而在病理骨改建中對MMPs的調(diào)控功能的失調(diào)導(dǎo)致MMPs的過量表達(dá)。Rubin［14］等通過建立廢用尺骨的動物模型探究膠原酶-1的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)膠原酶-1在廢用尺骨骨細(xì)胞中的表達(dá)明顯高于正常尺骨。在對骨質(zhì)疏松的探究中發(fā)現(xiàn)摘要：在骨質(zhì)疏松小鼠的脛骨中破骨細(xì)胞釋放的MMP-9較正常小鼠高約4倍。Bord［15］等發(fā)現(xiàn)在正常的新生肋骨中破骨細(xì)胞持續(xù)表達(dá)一定數(shù)量的TIMP-1，而在病理性骨和異位骨中破骨細(xì)胞不表達(dá)或表達(dá)很少的TIMP-1。這表明TIMP和MMPs之間的平衡影響骨的轉(zhuǎn)換和改建過程。

5展望

骨的改建貫穿于人的整個生命過程，而包括基質(zhì)金屬蛋白酶在內(nèi)的各種蛋白酶在骨改建中的功能被逐漸揭示的同時也日益得到人們的重視。非凡是在骨的發(fā)育、生理改建和病理改建過程中各種調(diào)控機制對基質(zhì)金屬蛋白酶的功能機理有待進(jìn)一步的探究。這將大大推動臨床對于一些骨代謝失衡疾病如骨質(zhì)疏松、佝僂病以及骨腫瘤的治療。