基質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，也是動植物體內最重要的蛋白水解系統(tǒng)。作為一種單純的基質蛋白酶，MMPs在多種生理和病理過程中發(fā)揮作用，如月經周期、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的結構特點、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結構特點及作用機理

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。根據底物特異性及一級結構的差異性，MMPs可以分為膠原酶(MMP-1、-8、-13和-18)、明膠酶(MMP-2和-9)，間質溶解素(MMP-3，-10和-11)、基質降解酶(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家族成員的分子結構具有高度同源性，一般由5個功能不同的結構域組成，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的產生及活化在體內受到嚴格調控。首先，MMPs極少被儲存，只有在需要時通過激活MMPs的基因轉錄而產生，此即轉錄水平的調控；其次，新產生的MMPs以酶原形式存在，只有經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)的調控。TIMPs是MMPs的內源性特異性抑制因子，通過與MMPs的Zn2+結合催化結構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。然而其功能已經遠不只ECM重塑還包括多種免疫調節(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。當小鼠的淋巴結中檢測到抗原時，淋巴細胞跨過高內皮靜脈進入淋巴結需要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通過調節(jié)趨化因子梯度來驅動炎癥細胞的募集。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構而殺死細菌。α-膜型防御素經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，甚至單獨的細菌成分如鞭毛蛋白也可上調MMP-7[13]，表明MMP-7是宿主對感染產生的早期反應產物。

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元死亡并伴隨著大量激活的巨噬細胞和小膠質細胞流。神經元死亡的確切機制尚不清楚，但有證據表明與腦脊髓液中過量的MMP-9有關。HIV的多種蛋白可上調MMP-9的表達與分泌，如包膜糖蛋白gp120能增加T細胞和膠質瘤細胞MMP-9的分泌[14]。往大鼠腦池內注射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神經毒性動物模型中抑制MMP活性可防止神經功能缺損的發(fā)展[16]。此外，MMPs通過調節(jié)腦組織ECM重構，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的高表達有利于結核分枝桿菌的組織播散，在活動性肺結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MMPs來破壞ECM促進自身的擴散。

4 總結及展望

機體發(fā)生感染時，正常范圍內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，都有基質金屬蛋白酶的參與。

MMPs是動植物體最重要的內源性水解酶系統(tǒng)，由于其對ECM強大的水解能力，其產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，這種限制性所構建的平衡被打破了。在過去的十多年中，越來越多的證據表明，MMPs在正?？垢腥久庖咧衅鹱饔玫耐瑫r，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。