膜1型基質金屬蛋白酶在骨代謝作用中的研究進展

馮小力 裴啟霖 王霞* 王彬*

1重慶醫科大學生命科學研究院，重慶 400016

2重慶醫科大學附屬兒童醫院，重慶 400014

基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)是一種鋅依賴性內肽酶，參與細胞外基質(extracellular matrix，ECM)中各種蛋白質(如膠原蛋白、層粘連蛋白、彈性蛋白等)的降解，在各種生理病理過程的組織重塑中發揮作用[1-3]。膜1型基質金屬蛋白酶(membrane type-1 matrix metalloproteinase，MT1-MMP或MMP14)是一種I型跨膜基質金屬蛋白酶。MT1-MMP可調節ECM降解、proMMP-2激活和各種細胞過程(包括細胞遷移和生存能力)[4]。MT1-MMP參與骨骼肌再生、骨重塑、腫瘤細胞侵襲轉移、血管生成和抑制淋巴管生成等動態生理病理過程[5-9]。

骨穩態和骨重塑主要通過成骨細胞(osteoblast)的成骨作用和破骨細胞(osteoclast)的骨吸收來維持動態平衡。骨細胞(osteocytes)作為骨內最多的一類細胞，穴居于鈣化胞外基質中，可通過旁分泌調節成骨形成和破骨吸收，參與骨穩態的調節[10]。骨的ECM介導細胞粘附、機械轉導、礦化成核和生長因子的固定等，保護ECM免受損傷或降解[11]。MT1-MMP是目前已知僅有的一種在富含膠原蛋白的環境中促進細胞遷移的基質金屬蛋白酶, 可靶向胞外基質蛋白，參與ECM的胞周蛋白水解[12-13]。MT1-MMP對骨細胞ECM的調節對于骨穩態和骨重塑過程具有重要意義。因此，了解MT1-MMP在骨骼中的功能對于治療骨骼相關疾病至關重要。本文擬就近年來MT1-MMP對于骨重塑的相關研究展開綜述。

1 MT1-MMP參與成骨形成

骨形成和骨吸收之間的平衡受MMPs的調節，MT1-MMP被認為是驅動成骨細胞分化的重要因素。Barthelemi等[14]發現MT1-MMP缺陷小鼠的骨髓成骨細胞嚴重缺乏成骨活性。MT1-MMP通過激活TGF-β，幫助保持成骨細胞存活和骨細胞分化[15]。膜型MMPs(尤其是MT1-MMP)賦予非侵入性細胞侵入的特性。成骨形成是一種主動的侵入性過程，需要切割膠原蛋白以維持骨細胞表型。骨細胞表型是通過主動的侵襲過程獲得的，并通過MT1-MMP介導的細胞相關基質的持續溶解來維持和延長時間[16]。MT1-MMP是膠原吞噬作用所必需的，吞噬作用是成人組織中膠原降解的主要途徑。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原都是MT1-MMP的底物，其中MT1-MMP主要作用于Ⅰ型膠原[17]。Ⅰ型膠原是骨組織的主要胞外蛋白，是骨組織最豐富的基質蛋白。在成骨細胞轉變為骨細胞的過程中，細胞逐漸減少Ⅰ型膠原蛋白的合成，使Ⅰ型膠原維持相對穩定狀態。骨細胞的表型及骨細胞的生成高度依賴Ⅰ型膠原蛋白的連續裂解[17]。

組織中的細胞遷移是許多生理和病理事件所必需的過程。在成骨細胞的生成過程中，MT1-MMP通過蛋白水解和非蛋白水解兩種途徑促進細胞遷移，進一步研究其機制將有助于鑒定不同骨骼疾病的發病機理，為將來發現控制不良細胞入侵的新手段提供新思路。研究[18]表明，MT1-MMP通過控制3 D特異性細胞外基質重塑程序來指導骨骼干細胞譜系的分化；該程序通過調節細胞形狀變化并啟動下游RhoGTPase-actomyosin信號級聯來觸發β1-整合素激活，從而驅動TAZ / YAP上轉錄激活子的核定位。缺失MT1-MMP的骨骼干細胞成骨分化受阻，并伴隨成脂和成軟骨潛力的代償性增加。較早的研究[19]表明，終末分化的成骨細胞或軟骨細胞中MT1-MMP蛋白水解活性的喪失直接影響骨骼發育，這是膠原重構或FGFR2信號轉導受損的原因。棕櫚酰化(即在蛋白質上添加16碳棕櫚酸酯)使MT1-MMP錨定到細胞膜上，MT1-MMP翻譯后修飾可能影響MT1-MMP正確的膜定位，從而降低成骨細胞和軟骨細胞中骨鈣素和血管內皮生長因子的表達，對骨發育和骨組織代謝產生重大影響。此外 MT1-MMP對破骨細胞的再吸收也至關重要[5]。MT1-MMP的非蛋白水解功能是由其胞質尾部介導的，其中獨特的酪氨酸(Y573)控制著細胞內的信號傳遞。MT1-MMP Y573 D突變(MT1-MMPY573 D/Y573 D)的小鼠表現出與MT1-MMP-/-小鼠相似的異常。MT1-MMPY573 D/Y573 D小鼠的骨骼干細胞表現出與小鼠表型一致的分化缺陷。這些結果首次在體內證明：通過一種獨立于蛋白水解的機制，MT1-MMP經由控制骨骼干細胞的分化來調節骨、軟骨和脂肪的動態平衡。MT1-MMP通過蛋白水解和非蛋白水解兩種機制控制骨骼干細胞的分化，而這兩種功能的平衡是正常分化所必需的[20]。

2 MT1-MMP參與破骨細胞的骨吸收

破骨細胞是造血起源的唯一骨吸收細胞。當骨吸收發生時，破骨細胞會酸化吸收腔，導致胞外基質(包括羥磷灰石)的無機成分溶解，使骨基質的有機成分(如Ⅰ型膠原蛋白)暴露，然后被組織蛋白酶K和基質金屬蛋白酶等蛋白酶降解[21-22]。MT1-MMP活性的增加可加速骨吸收，造成骨質流失。研究[23]證實，在純化培養的破骨細胞中MT1-MMP高表達；MT1-MMP在體內破骨細胞封閉區的分布定位表明，該酶修飾骨表面，促進破骨細胞的遷移和附著，以清除再吸收腔隙。

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclearfactor-κB ligand，RANKL)是一種跨膜糖蛋白，在破骨細胞的發育中具有重要作用。MT1-MMP活性的增加可刺激sRANKL的產生，進而增加破骨細胞的數量和骨吸收[5,24]。MT1-MMP缺陷小鼠成骨細胞產生的可溶性RANKL顯著降低，其破骨細胞活性得到增強[25]。MT1-MMP/ RANKL / RANK /信號轉導軸參與調節成骨細胞和破骨細胞的生成，MT1-MMP對于正常骨形成至關重要[5]。

在破骨細胞的遷移和骨吸收過程中，MT1-MMP同樣具有蛋白水解功能和非蛋白水解功能：①在蛋白水解功能中，只有蛋白水解活性形式的酶參與破骨細胞介導的骨吸收；②在非蛋白水解功能中，MT1-MMP通過其在Tyr573位點磷酸化的胞質尾區(cytoplasmic tail，CT)與Rac1的適配蛋白p130 Cas相互作用促進骨髓細胞在破骨細胞形成過程中的遷移和融合[12]。在不存在MT1-MMP的情況下，該信號通路的受損會降低片狀脂蛋白活性和細胞遷移，從而導致無效的細胞融合[26-27]。由于機械刺激減少了骨細胞的凋亡，單獨靶向MT1-MMP或者MMP9在體外或體內均不影響破骨細胞分化或骨吸收；條件性MMP9/MT1-MMP雙基因敲除小鼠降低了動態平衡的骨轉換，并免受病理性骨丟失的影響。MMP9和MT1-MMP作為鼠/人破骨細胞活性的關鍵調節因子調節骨膠原溶解活性，其雙重缺失減少了破骨細胞性骨吸收，而不影響破骨細胞數量，從而維持了正常的成骨細胞性骨形成[28]。對CD44-/-破骨細胞的觀察表明，CD44-TIMP2-MT1-MMP軸調節MMP9活性；MT1-MMP敲低研究表明MT1-MMP作為pro-MMP9的上游調節劑。CD44的表面表達，MT1-MMP在細胞表面的定位以及pro-MMP9的激活是破骨細胞遷移所必需的進展順序[23]。

3 MT1-MMP對骨細胞的影響

骨細胞是骨機械感受和機械傳導的主要調節劑[29]。骨細胞通過感知機械負荷、協調產生骨的成骨細胞和降解骨的破骨細胞的活動，在骨對機械負荷的適應性反應中起著關鍵作用，MT1-MMP通過影響骨細胞對機械負荷的反應而在骨細胞機械傳感中發揮作用[30]。一氧化氮(nitric oxide，NO)是骨細胞對機械負荷反應的生化信號之一，可誘導骨形成和促進骨細胞存活。在機械負荷不足的情況下，NO的產生可導致骨細胞凋亡并開始骨吸收，使骨結構適應低負荷條件。研究[31-32]發現，MT1-MMP基因敲除增強了骨細胞對機械刺激的反應，導致NO產量增加，c-jun和c-fos基因表達上調。骨細胞是甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)調節骨骼活動的關鍵靶細胞[33]。研究[24]表明，MT1-MMP是骨細胞中甲狀旁腺素受體(PTH1R)信號轉導的新靶標基因，其通過調節可溶性RANKL介導PTH誘導的骨吸收。PTH1R在牙本質基質蛋白1-8kb(dentin matrix protein 1‐8kb，DMP1-8kb)表達細胞中的表達對于小鼠機械負荷的合成代謝作用是必需的[34]。TAZ / YAP作為力學刺激敏感因子，可通過調節骨細胞的陷窩-小管重塑影響骨穩態[35-36]。研究表明，MT1-MMP是調節骨骼干細胞(skeletal stem cell，SSC)分化過程中YAP / TAZ表達和細胞內定位的3 D特異性體內調節劑。而在骨細胞中，MT1-MMP缺失減少空骨陷窩數量，降低骨細胞的凋亡[31,37]。因此，筆者推測在骨細胞中MT1-MMP可能與TAZ/YAP信號通路相關。

4 MT1-MMP骨相關疾病

MT1-MMP在骨骼發育、重塑和病理過程中的關鍵作用備受關注。在小鼠和人體中遺傳沉默MT1-MMP，可導致侏儒癥、骨量減少、全身性關節炎和脂肪營養不良[38]。MT1-MMP缺失小鼠在發育過程中表現出系統性缺陷，特別是在顱面發育中；MT1-MMP作為去整合素-金屬蛋白酶9(adisintegrin and metalloproteinase 9，ADAM9)活性調節的關鍵負調控因子，維持成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor，FGFR)在顱骨中的作用，它的缺失會導致顱蓋骨發育受阻[19]。

破骨細胞在炎癥性骨破壞中起著不可或缺的作用，破骨細胞是在病理情況下負責骨吸收的主要細胞；巨噬細胞失調可替代關節炎中的破骨細胞而引起骨穩態紊亂，表達MT1-MMP的巨噬細胞是這種與破骨細胞無關的骨吸收的主要原因。即使在沒有破骨細胞的情況下，c-Fos缺陷型Sh3bp2KI/KI小鼠中的炎癥性骨吸收也由表達MT1-MMP的巨噬細胞介導。MT1-MMP是賦予c-Fos缺陷型Sh3bp2KI/KI巨噬細胞病理性骨吸收能力的關鍵介質。小鼠中的這種非規范性骨吸收為炎癥性骨病中骨丟失的機制和治療提供了新見解[39]。MT1-MMP促進成纖維細胞樣滑膜細胞(fibroblast-like synoviocytes ，FLS)侵襲軟骨，被認為是介導類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)滑膜浸潤的關鍵酶[40]。人類RA滑膜細胞使用MT1-MMP作為主要的效應物，負責降解和侵襲I型或II型膠原蛋白豐富的結構。MT1-MMP在RA中具有蛋白水解作用，破壞已建立RA關節中的軟骨并將致病細胞遷移至未受影響的關節[41]。人類中MT1-MMP的同型等位基因失活導致的溫徹斯特(Winchester)綜合征，是一種罕見的常染色體隱性骨骼發育異常疾病，其特征是進行性關節破壞和溶骨，其骨骼表型與在MT1-MMP基因敲除小鼠、MT1-MMP基因敲除斑馬魚中觀察到的相似[42]。此外，MT1-MMP在骨肉瘤與正常骨組織中的表達有明顯差異，膠原蛋白的降解可能是骨肉瘤的重要生物標志[43]。

5 總結與展望

骨重塑主要通過成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收來維持動態平衡，骨形成和骨吸收之間的失衡可能導致代謝性骨病(骨質疏松癥等)的產生。骨再生和骨修復均依賴于ECM結構和生化功能的動態調節[11]。而MT1-MMP在骨骼中主要作用于ECM的調節，對骨骼的生理動態維護至關重要。在缺乏MT1-MMP的情況下，骨骼會產生一系列的病理生理改變，可能引起多種骨骼疾病，如骨質疏松癥、骨轉移癌、溫切斯特綜合征、骨肉瘤、類風濕性關節炎、骨關節炎等。目前，以MT1-MMP為代表的基質金屬蛋白酶在骨生物工程中有廣泛的應用前景。加強骨細胞的MT1-MMP對骨相關疾病影響的研究，或將為以骨細胞為靶點的臨床治療提供一定的新思路。