基質(zhì)金屬蛋白酶在感染性疾病中的作用

趙天生，朱桂仙，騫 騰，夏燕華

(南昌大學a.藥學院實驗教學部； b.第二臨床醫(yī)學學院1605班； c.基礎醫(yī)學院微生物學教研室，南昌 330006)

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是鈣鋅依賴的蛋白水解酶，廣泛分布于動植物中，也是動植物體內(nèi)最重要的蛋白水解系統(tǒng)。作為一種單純的基質(zhì)蛋白酶，MMPs在多種生理和病理過程中發(fā)揮作用，如月經(jīng)周期、乳腺發(fā)育、傷口愈合、心血管疾病、風濕性疾病、骨關節(jié)炎以及腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移等[1]。此外它還參與機體的抗感染免疫，如募集白細胞、活化細胞因子和趨化因子、活化防御素和抗菌肽等。然而，過量MMPs活性則可能引發(fā)感染相關的免疫病理損傷，促進病原體的傳播及加劇病情的發(fā)展。為此，筆者就MMPs的結(jié)構(gòu)特點、作用機理及其與感染性疾病、傳染病病理學的關系進行綜述，為MMPs作為感染性疾病治療靶點的可能提供理論參考。

1 MMPs結(jié)構(gòu)特點及作用機理

MMPs首次發(fā)現(xiàn)于蝌蚪的尾巴中[2]，迄今為止已鑒定出至少24種脊椎動物MMPs。根據(jù)底物特異性及一級結(jié)構(gòu)的差異性，MMPs可以分為膠原酶(MMP-1、-8、-13和-18)、明膠酶(MMP-2和-9)，間質(zhì)溶解素(MMP-3，-10和-11)、基質(zhì)降解酶(MMP-7和-26)、膜型MMPs(MT-1-6-MMPs)以及其他MMPs(MMP-19、-20等)六大類[3]。

MMPs家族成員的分子結(jié)構(gòu)具有高度同源性，一般由5個功能不同的結(jié)構(gòu)域組成，包括疏水信號肽序列、前肽區(qū)(保持酶原的穩(wěn)定)、催化活性區(qū)(Zn2+結(jié)合位點)、富含脯氨酸的鉸鏈區(qū)和羧基末端區(qū)(與酶的底物特異性有關)[4]。

許多細胞，如成纖維細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、內(nèi)皮細胞及哺乳類動物成熟心肌細胞均可分泌MMPs，但由于MMPs可引起宿主組織損傷，MMPs的產(chǎn)生及活化在體內(nèi)受到嚴格調(diào)控。首先，MMPs極少被儲存，只有在需要時通過激活MMPs的基因轉(zhuǎn)錄而產(chǎn)生，此即轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控；其次，新產(chǎn)生的MMPs以酶原形式存在，只有經(jīng)蛋白酶水解釋放半胱氨酸殘基后才活化，此為半胱氨酸開關，亦即酶原激活調(diào)控；最后，激活后的MMPs還受到金屬蛋白酶抑制劑(the tissue inhibitors of metalloproteases,TIMPs)的調(diào)控。TIMPs是MMPs的內(nèi)源性特異性抑制因子，通過與MMPs的Zn2+結(jié)合催化結(jié)構(gòu)域相互作用而使酶失活，從而抑制MMPs的生理功能[5]。

作為哺乳動物細胞內(nèi)最重要的水解酶系統(tǒng)，MMPs參與機體幾乎所有組織的發(fā)育和修復，并在炎癥反應、腫瘤的發(fā)生及發(fā)展等過程中發(fā)揮著重要作用。然而其功能已經(jīng)遠不只ECM重塑還包括多種免疫調(diào)節(jié)機制，如裂解細胞因子來增強或抑制它們的功能活性等。

2 MMPs與感染性疾病

當有外源微生物入侵時，機體免疫系統(tǒng)必須首先募集白細胞到感染部位，清除病原體并抑制炎癥反應的持續(xù)發(fā)生。MMPs在這個過程中起著重要的作用，主要表現(xiàn)在以下4個方面。

1)MMPs通過降解基質(zhì)成分在ECM中開辟一條通道便于白細胞遷移。免疫細胞從血液遷移至感染部位需要基底膜降解。體外研究[6]表明，T細胞和樹突狀細胞的遷移部分依賴于MMP-9。當小鼠的淋巴結(jié)中檢測到抗原時，淋巴細胞跨過高內(nèi)皮靜脈進入淋巴結(jié)需要MMPs活性的存在，如在MMP-3缺失小鼠中，中性粒細胞喪失了遷移至炎性肺組織的能力[7]。

2)MMPs通過調(diào)節(jié)趨化因子梯度來驅(qū)動炎癥細胞的募集。在MMP-7基因敲除小鼠中，中性粒細胞表現(xiàn)出遷移障礙，原因是MMP-7可釋放一種細胞表面蛋白多糖syndecan-1，這種蛋白多糖與趨化因子CXCL1絡合后可建立一個調(diào)節(jié)中性粒細胞流到肺泡的趨化因子梯度。當MMP-7基因被敲除時就不能形成這種趨化因子梯度，中性粒細胞就不能定向遷移至感染部位[8]。

3)MMPs可直接調(diào)節(jié)細胞因子和趨化因子活性。MMP-1、-2、-3、-7、-9和-12的膜錨定前體都可釋放活性α-腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)，其作用機制類似于TNF-α轉(zhuǎn)化酶[9]。MMPs既可以蛋白裂解的方式激活白介素(Interleukin,IL)1β前體，又可以切割活化形式的IL-1β使其失活，從而實現(xiàn)了正負兩方面的調(diào)控。MMP-9水解IL-8后得到的一個片段其活性為母體分子的10倍[10]。相反，單核細胞趨化蛋白CCL7被MMP-2水解后得到的片段可作為CCL7受體拮抗劑使用[11]。這種趨化因子被MMPs降解后產(chǎn)生拮抗劑的機制提供了一個有效的負反饋循環(huán)，可及時抑制炎癥細胞流并結(jié)束炎癥反應。

4)MMPs還能活化防御素和抗菌肽促進細菌的殺滅。防御素和抗菌肽通過破壞細菌的膜結(jié)構(gòu)而殺死細菌。α-膜型防御素經(jīng)MMP-7切割后活化，因此，MMP-7基因敲除小鼠需要更長時間才能清除病原菌的感染[12]。大腸桿菌感染肺上皮細胞可引起MMP-7表達上調(diào)，甚至單獨的細菌成分如鞭毛蛋白也可上調(diào)MMP-7[13]，表明MMP-7是宿主對感染產(chǎn)生的早期反應產(chǎn)物。

3 MMPs與傳染病病理學

在感染發(fā)生過程中，適量MMPs活性對抗感染免疫是有益且必需的，然而過量MMPs也可能導致感染相關的免疫病理損傷，從而加劇疾病的發(fā)展。

艾滋癡呆癥是慢性HIV感染的嚴重并發(fā)癥，其標志是廣泛的神經(jīng)元死亡并伴隨著大量激活的巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞流。神經(jīng)元死亡的確切機制尚不清楚，但有證據(jù)表明與腦脊髓液中過量的MMP-9有關。HIV的多種蛋白可上調(diào)MMP-9的表達與分泌，如包膜糖蛋白gp120能增加T細胞和膠質(zhì)瘤細胞MMP-9的分泌[14]。往大鼠腦池內(nèi)注射HIV Nef蛋白可導致血腦屏障的崩潰，檢測發(fā)現(xiàn)腦脊液中MMP-9的水平顯著升高[15]。在HIV神經(jīng)毒性動物模型中抑制MMP活性可防止神經(jīng)功能缺損的發(fā)展[16]。此外，MMPs通過調(diào)節(jié)腦組織ECM重構(gòu)，還參與了細菌性腦膜炎等疾病的發(fā)病機制[17]。

慢性乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)感染與肝炎甚至是肝細胞癌的發(fā)生有關。在急性HBV感染中，過度的炎癥反應導致肝細胞壞死，這與抗原非特異性淋巴細胞被MMP-8和MMP-9招募到肝實質(zhì)有關[18]。乙肝病毒X蛋白(HBx)對肝細胞癌的發(fā)展至關重要，而過量MMPs的誘導可能是腫瘤侵襲的關鍵。HBx可上調(diào)MMP14的表達與分泌，MMP-14活化可導致小鼠模型和臨床肝癌患者腫瘤生長和侵襲[19]。

胃潰瘍和胃癌都與幽門螺桿菌(helicobacter pylori，Hp)的慢性感染有關，二者均涉及到ECM的異常降解。體內(nèi)外研究[20-21]表明，Hp感染可誘生炎性因子TNF-α和IL-1b，在TNF-α和IL-1b的作用下胃上皮細胞高水平分泌多種MMP，其中MMP-24可作為胃癌轉(zhuǎn)移的分子標記，而MT1-MMP則與腫瘤細胞的侵襲有關。

分枝桿菌(mycobacterium)感染可導致肺結(jié)核。肺部ECM破潰形成空洞對細菌擴散極為重要，也是病情惡化的表現(xiàn)。VERMA等[22]研究表明，MMPs的高表達有利于結(jié)核分枝桿菌的組織播散，在活動性肺結(jié)核患者支氣管肺泡灌洗液中出現(xiàn)了大量MMP-9 mRNA，多臟器受累的結(jié)節(jié)病患者的MMP-1基因表達顯著增加。動物實驗研究[23]發(fā)現(xiàn)，在分枝桿菌感染的小鼠組織中，MMP-2和MMP-9的水平增加，這表明細菌通過上調(diào)MMPs來破壞ECM促進自身的擴散。

4 總結(jié)及展望

機體發(fā)生感染時，正常范圍內(nèi)的抗感染免疫有助于清除病原體，然而，過度的炎癥反應則可能導致組織損傷，這種組織的破壞甚至有利于病原體的傳播或持續(xù)感染。無論是清除病原體還是免疫病理損傷，都有基質(zhì)金屬蛋白酶的參與。

MMPs是動植物體最重要的內(nèi)源性水解酶系統(tǒng)，由于其對ECM強大的水解能力，其產(chǎn)生及活性是嚴格受到限制的，以此保證MMPs的有效性和機體的安全性。然而，在感染性疾病中，這種限制性所構(gòu)建的平衡被打破了。在過去的十多年中，越來越多的證據(jù)表明，MMPs在正常抗感染免疫中起作用的同時，也有助于免疫病理的發(fā)展。一般來說，適量的MMPs活性是抗感染免疫反應所必需的，而過量的MMPs活性則有助于造成免疫病理損傷。

調(diào)控MMPs活性，利用MMPs抗感染的有利面，避免過量MMPs所造成的病原體擴散及疾病加重的不利面，是治療感染性疾病的一個思路。最初對MMPs的關注主要集中在癌癥治療的進展上，并已取得可喜的結(jié)果，如通過開發(fā)同時具有抑制MMPs基因表達和抑制MMPs酶活性的靶向藥物，已實現(xiàn)對部分腫瘤組織MMPs的特異性抑制[24]。將MMPs應用于感染性疾病的治療也已有初步的進展，如在肺炎球菌性腦膜炎大鼠模型中，抑制MMPs及其TNF-α轉(zhuǎn)化酶活性可降低大鼠的死亡率[25]，而利用化學修飾過的四環(huán)素來抑制MMPs活性則可降低膿毒癥模型中大鼠的死亡率[26]。MMP-9單克隆抗體GS-5745可使約45%的重度潰瘍性結(jié)腸炎到控制[27]。未來能否將MMPs廣泛應用于人類感染性疾病的治療還有待進一步對MMPs功能的認識。