基质金属蛋白酶（MMPs）：癌症侵袭和转移的主要驱动者
基质金属蛋白酶（MMPs）：癌症侵袭和转移的主要驱动者
基质金属蛋白酶（MMPs）是一类锌依赖性内肽酶，在细胞外基质（ECM）蛋白质降解中发挥重要作用。它们在健康状态下对组织重塑、伤口愈合和维持ECM完整性等具有重要作用，但异常表达会导致组织损伤和疾病恶化。本文将介绍MMPs的结构特征、功能及其在癌症等疾病中的应用。
MMPs概述
基质金属蛋白酶（MMPs）是一个大家族，因其需要Ca、Zn等金属离子作为辅助因子而得名。目前MMPs家族已分离鉴别出26个成员，编号分别为MMP1-26。根据作用底物以及片断同源性分为6类：胶原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13）、明胶酶（MMP-2、MMP-9）、溶血素（MMP-3、MMP-10、MMP-11）、膜型MMPs（MT MMPs）和其他MMP。Ⅳ型胶原酶是其中重要的一类，主要有两种形式，一种被糖化即MMP-9，另一种非糖化即MMP-2。当前对MMP-2、MMP-9的研究较深入。
MMP家族有一个共同的核心结构。典型的MMPs由大约80个氨基酸的前肽、170个氨基酸的金属蛋白酶催化结构域、可变长度的连接肽或铰链区和约200个氨基酸的血红素蛋白结构域组成。不同类型的MMP具有不同于典型MMP的特定结构特征。MMPs中的这些不同结构域、模块和基序参与与其他分子的相互作用，从而影响或决定MMP活性、底物特异性、细胞和组织定位。
MMP体内活性受到多个水平控制。这些酶通常以极低的量表达，其转录受到细胞因子和生长因子（如IL-1、IL-4、IL-6）、转化生长因子（EGF、HGF、TGFβ）的正向或负向严格调控。转录后，MMP活性受到位于新合成酶的N末端的前肽所赋予的潜伏期的限制，可能通过前结构域的构象变化或蛋白水解去除而发生。
MMPs在肿瘤治疗的应用
作为多种疾病的潜在治疗靶点，MMPs引起了研究人员的极大关注。例如，MMP-2和MMP-9在促进癌症转移和侵袭方面具有重要作用。这些蛋白酶是细胞外基质降解的关键因素，已成为抗癌药物开发的重要靶点。MMPs还与心血管疾病有关，聚焦于通过干预来调节其活性，从而预防或治疗动脉粥样硬化和动脉瘤等疾病。此外，由于MMPs在组织破坏和炎症中发挥着关键作用，这些酶还参与炎症性疾病发展（如类风湿性关节炎）。
目前，FDA尚未批准任何靶向MMPs的特效药物，研究人员正在开展从实验室到临床的各项研究。针对各种疾病的MMPs抑制剂发展迅速，特别是MMP-2和MMP-9，广泛用于癌症治疗的临床研究，有望用于治疗转移性恶性肿瘤。MMP-3是另外一个研究重点，可用于关节炎和关节相关疾病的治疗，其他MMPs在炎症和癌症中的作用也正在研究之中。此外，靶向MMP-1、MMP-3、MMP-8和MMP-12的研究主要针对自身免疫性疾病，MMP-2、MMP-9、MMP-12和MMP-13与心血管疾病的临床研究密切相关，MMP-7、MMP-9和MMP-12等靶点推动了许多纤维化和哮喘相关的临床研究。
MMPs在研究中的应用
研究人员利用重组蛋白探索MMPs在各种疾病研究（如癌症、关节炎和心血管疾病研究等）中的作用。例如，Trang团队利用异二聚体盘卷结构域掩蔽抗体结合结构域，该结构域可被MMP-2和MMP-9选择性激活。结果表明，利用重组人MMP-2与CC2B-hBU12共同孵育，裂解掩膜能够恢复抗体结合，从而提高癌症治疗的特异性和疗效，同时减少细胞因子释放，改善抗体半衰期。
Li等人用未破裂颅内动脉瘤（UIA）患者的粪便处理小鼠，明胶酶谱法（含有MMP-9和MMP-2），结果发现其会诱导脑动脉中MMP-9活性。
Lei团队开发一种新型的FRET-肽微阵列方法，通过MMP-2、MMP-3、MMP-9等建立高灵敏度的检测方法，以用来分析甲状腺乳头状癌（PTC）和甲状腺结节（TN）患者临床组织样本中的MMPs的活性。
Lee团队以重组人MMP-8为阳性对照，利用蛋白类生物标记物建立了牙周炎诊断模型。
Saddiqi团队研究发现，重组MMP-9能够抑制糖尿病肾病中的SDF-1/CXCR4信号传导，进一步证实了MMP-9在糖尿病肾病中的重要作用。
MMPs重组蛋白应用
裂解抗体
使用重组人MMP-2裂解CC2B抗体，结果发现有限的蛋白水解可对抗体结合产生较大影响。Doi: 10.1038/s41587-019-0135-x
明胶酶谱法
基质金属蛋白酶（MMP）明胶酶谱法（gelatin-zymography）含有MMP-9和MMP-2，结果显示用UIA患者粪便处理后会诱导脑动脉中MMP-9的活性。Doi: 10.1038/s41467-020-16990-3
活性检测
基于FRET肽微阵列的MEF检测方法的检测限(LOD)和线性范围汇总，其中MMP-2、MMP-3和MMP-9。Doi: 10.1021/acs.analchem.7b01037
磷酸化研究
重组MMP-9在NRK-52E细胞中的作用。A：重组MMP-9对CXCR4磷酸化的影响。B：重组MMP-9预孵育对高糖培养的NRK-52E细胞中SDF-1诱导的Akt磷酸化的影响。Doi: org/10.1210/en.2014-1650
【参考文献】
- Trang, V. H. et al. A coiled-coil masking domain for selective activation of therapeutic antibodies. Nat Biotechnol, 2019
- Li, H. et al. Alterations of gut microbiota contribute to the progression of unruptured intracranial aneurysms. Nat Commun, 2020
- Lei, Z.et al. Peptide microarray-based metal enhanced fluorescence assay for multiple profiling of matrix metalloproteinases activities. Analytical Chemistry, 2017
- Siddiqi, F. S. et al. CXCR4 promotes renal tubular cell survival in male diabetic rats: Implications for ligand inactivation in the human kidney. Endocrinology (United States), 2015