MMP2 在腫瘤侵襲和轉移中的調(diào)控機制研究

柳森森毛玉寧張彩勤師長宏*

(1.空軍軍醫(yī)大學實驗動物中心,西安 710032;2.延安大學醫(yī)學院,陜西 延安 716000)

侵襲和轉移是腫瘤預后不良的重要原因,其發(fā)生涉及多個因素,如腫瘤細胞之間的粘附力減弱,細胞外基質(zhì)降解等,都會促進腫瘤的轉移。 細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)作為腫瘤侵襲和轉移的天然屏障,有效的阻止了腫瘤的轉移。 但是許多的惡性腫瘤往往是發(fā)生轉移的,轉移的腫瘤需要有降解ECM 的能力,而ECM 的降解需要特異性蛋白酶發(fā)揮作用。 發(fā)揮主要作用的有四種酶,基質(zhì)金屬蛋白酶、絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶和天門冬氨酸蛋白酶,它們基本能降解ECM 中大多成分,其中基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)發(fā)揮了重要作用。 MMPs 是鋅依賴性內(nèi)切蛋白酶家族,在機體的生理過程中起著重要的作用,包括組織重塑、器官發(fā)育[1]、炎癥過程的調(diào)節(jié)[2]以及癌癥等疾病[3]。 現(xiàn)已報道的MMPs 有20 多種,根據(jù)其結構特點以及對作用底物的敏感性不同將MMPs 分 為 五 類: 間 質(zhì) 膠 原 酶(MMP1、 MMP8、MMP13);明膠酶(MMP2、MMP9);間質(zhì)溶解素(MMP3、MMP7、MMP10);膜型基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP14、 MMP15、 MMP16、 MMP17); 其 他 類(MMP11 等)[4]。 明膠酶因其獨特的酶活性可以降解Ⅳ型膠原蛋白,使基底膜形成缺損,導致癌細胞的轉移,因此在腫瘤研究中格外引起人們的關注。

雖然MMP2 和MMP9 降解底物中存在大量的相同成分,但MMP9 無直接水解膠原蛋白的能力[5]。 MMP2 因其獨特的作用機制,可介導細胞外基質(zhì)降解,最終導致腫瘤細胞侵襲和轉移[6]。 本文就MMP2 在腫瘤侵襲和轉移中發(fā)揮作用的調(diào)控機制研究進行綜述,以期為惡性腫瘤的診斷和治療提供新靶點。

1 MMP2 的結構與功能

典型的MMP 由前肽、催化金屬蛋白酶的結構域、連接肽(鉸鏈區(qū))以及血凝素結構域組成。 前肽具有半胱氨酸開關PRCGXPD,其中半胱氨酸巰基(-sH)基團與活性位點鋅離子螯合,使MMP 保持潛在的MMP2 前體(Pro MMP)酶原形式[7]。 催化結構域包括鋅離子結合基序列HEXXHXXGXXH,2 個Zn2+離子(1 個起催化作用,1 個維持結構作用)。 其特異性的S1,S2,…Sn 和S1’,S2’,…Sn’口袋(賦予特異性)與2 個或3 個Ca2+結和保持穩(wěn)定[7]。

明膠酶包括明膠酶A(MMP2) 和明膠酶B(MMP9),它們在結構上與MMP 家族中的其他蛋白酶類似,但不同之處在于它們有1 個獨特的膠原結合結構域,該結構域由催化結構域N 端3 個II 型纖連蛋白串聯(lián)重復序列組成,這是與明膠結合所必須的[8]。 已證實,MMP2 和MMP9 主要參與ECM 蛋白水解,但MMP9 無直接水解膠原蛋白的能力[5],因此MMP2 在腫瘤研究中更加廣泛。

MMP2 也被稱為明膠酶A 或Ⅳ型膠原酶,在染色體16q13-q21 上有1 個基因座。 MMP2 切割膠原分為兩個階段,第一個階段類似于間質(zhì)膠原酶可降解間質(zhì)膠原,第二個階段是纖維連接蛋白結構域促進的明膠溶解[9-10]。 pro-MMP2 被募集到細胞表面,在膜型基質(zhì)金屬蛋白酶(membrane type matrix metalloproteinase,MT-MMP)復合物的支持下,在細胞表面進行自催化裂解,從而在細胞內(nèi)積累并引起明顯的局部膠原溶解活性的提升,發(fā)揮降解細胞外基質(zhì)的作用,從而促進腫瘤轉移的發(fā)生。 已證實,胃癌的發(fā)生與幽門螺桿菌(HP)的感染密切相關。HP 可上調(diào)MMPs 的活性[11],其作用的機制為促進MMPs 分泌以及其他多種因素共同作用促進胃癌的侵襲與轉移。

MMPs 的調(diào)控因素錯綜復雜但又相互關聯(lián),這種復雜的調(diào)控機制維持著機體內(nèi)生理狀態(tài)下ECM的正常狀態(tài),但是在病理狀態(tài)下,MMPs 功能的異常,常常成為腫瘤侵襲和轉移的主要原因。 腫瘤細胞分泌或誘導間質(zhì)細胞產(chǎn)生蛋白酶,溶解細胞外基質(zhì)成分,使基底膜形成缺損,更有利于腫瘤細胞的通過,造成腫瘤的轉移。

2 調(diào)控MMP2 發(fā)揮作用的信號分子

2.1 GLUT1 調(diào)控MMP2 在腫瘤細胞中的表達

腫瘤細胞在增殖和侵襲方面需要消耗更多的能量,通過線粒體有氧呼吸獲取能量已不能滿足需求,于是這些惡性增殖的細胞通過糖酵解獲得能量。 葡萄糖轉運蛋白1 (glucose transporter 1,GLUT1)是糖酵解的限速酶,腫瘤細胞的增殖和侵襲所需的大量能量來自于糖酵解,因此可通過對GLUT1 的調(diào)控來影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。 研究表明,GLUT1 與MT1-MMP 有關,MT-MMP 可錨定于細胞膜表面,以水溶性酶形式存在,MT1-MMP 是首個被發(fā)現(xiàn)的MT-MMP,在腫瘤的侵襲、轉移等方面發(fā)揮重要作用。 MMP2 的生成過程中,MT1-MMP 與TIMP2 形成復合物,使pro-MMP2 連接到細胞膜表面受體,隨后pro-MMP2 通過蛋白水解機制轉化成為活化的MMP2。 MT1-MMP 作為MMP2 的上游分子,在MMP2 的激活中發(fā)揮重要的作用,因此被稱為MMP2 的誘導劑[12]。 Liao 等[13]研究表明,細胞中過表達GLUT1,可以使MT1-MMP 和MMP2 的表達升高,提示GLUT1/MT1-MMP2/MMP2 在腫瘤侵襲和轉移中起重要作用。

因為MMP2 在降解Ⅳ型膠原蛋白中具有酶促活性,現(xiàn)在人們普遍認為MMP2 可作為一種腫瘤侵襲和轉移的生物標志物[14]。 MMP2 可降解Ⅳ型膠原蛋白,從而使惡性腫瘤細胞通過受損的基底膜侵入淋巴和血管,使腫瘤細胞遷移到鄰近的組織和器官中[15]。 GLUT1 通過影響MT1-MMP/MMP2 的表達促進腫瘤的侵襲和轉移[16],這為腫瘤研究提供了一種新思路,從糖酵解和細胞供能方面繼續(xù)探索,可能會尋找到影響腫瘤轉移新通路及分子機制。

2.2 TGF-β 調(diào)控MMP2 在腫瘤細胞中的表達

腫瘤發(fā)生轉移是由于腫瘤細胞驅動上皮間質(zhì)轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),從而使其具有了突破基底膜和跨血管轉移的能力,促進腫瘤的轉移[17-18]。 轉化生長因子(TGF-β)是最重要的誘導方式[19],可激活與EMT 相關信號通路的下游蛋白,增強腫瘤細胞轉移的能力[20-21]。 TGF-β可誘導或抑制microRNA 的表達,影響蛋白質(zhì)的轉錄和翻譯。 已證實,TGF-β 可通過調(diào)節(jié)MMP2 的microRNA,導致MMP2 的表達降低,使得腫瘤的侵襲和轉移受到抑制[22]。 Tang 等[23]構建miR-429 高表達的腫瘤細胞系,移植裸鼠后發(fā)現(xiàn)miR-429 可顯著誘導MMP2 的表達,促進肝癌的轉移和侵襲。Yang 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)miR-101/TGF-β/SDF1-VEcadherin/MMP2/LAMC2 網(wǎng)絡可以調(diào)控腫瘤的血管生成,抑制肝癌的轉移,從而提示MMP2 是一個值得探究的癌癥治療靶點。

隨著研究繼續(xù)深入,探究TGF-β 與外泌體中非編碼RNA(noncoding RNA)的關系成為熱點研究。許多證據(jù)表明長鏈非編碼RNA 對轉錄和轉錄后起著監(jiān)管作用,包括轉錄因子募集、組蛋白修飾、以及癌癥的發(fā)生和各種惡性腫瘤的侵襲[25-27]。 Kim等[28]研究表明TGF-β 可影響外泌體中的microRNA表達,進一步研究發(fā)現(xiàn)外泌體中長鏈非編碼RNA 也可促進MMP2 的表達來加快腫瘤的轉移。 Wu等[29]研究表明被TGF-β 處理的A549 細胞與肺癌細胞及肺微血管內(nèi)皮細胞的外泌體中Lnc-MMP2-2含量較高,揭示了lnc-MMP2-2 在TGF-β 處理后的外泌體中顯著富集。 生物信息學分析表明,lnc-MMP2-2 可增加MMP2 表達,MMP2 表達可調(diào)節(jié)肺癌細胞的侵襲和轉移,提示該lncRNA 可能是肺癌的新型治療靶點和預測標志物。

2.3 MAPKs 通路調(diào)控MMP2 在腫瘤細胞中的表達

MAPKs 是一種細胞內(nèi)的蘇氨酸蛋白激酶,可使細胞產(chǎn)生各種腫瘤生物學功能。 有研究表明,MAPKs 通路通過激活MMP2 和MMP9 使得細胞外基質(zhì)發(fā)生降解[30],進而影響腫瘤的轉移。 Li 等[31]研究發(fā)現(xiàn),MAPKs 信號通路的激活可增加絲裂原活化蛋白激酶4(MLK4) 的表達,MLK4 的敲低使MMP2 的表達減弱,進而減少了肝癌細胞增殖和轉移。 在胃癌中,MAPKs 通路可直接激活MMP2 的表達,引發(fā)腫瘤的轉移。 李佳等[32]研究顯示,胃腸安作為一種中藥,調(diào)控MAPKs 通路來影響MMP2、MMP9、VEGF 的表達,進而影響腫瘤的轉移。 李春杰等[33]研究發(fā)現(xiàn)消痰散結方也能降低胃癌中MMP2 的表達。 上述實驗研究表明一些中藥通過MAPKs 通路調(diào)控MMP2 可控制癌前病變,抑制細胞的不正常增殖,抑制腫瘤的侵襲和轉移,以及提升人體免疫力等多種方面都有顯著的作用[34]。

3 基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑類藥物的作用

基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(TIMPS)是基質(zhì)金屬蛋白酶的天然抑制劑,與MMPs 的催化部位相結合,這種結合是穩(wěn)定且不可逆的,進而使MMPs 不能發(fā)揮正常作用,影響水解ECM 的能力,從而抑制了癌癥的轉移[35]。 MMP2 與其抑制劑在腫瘤的侵襲和轉移中發(fā)揮重要作用,MMP2 / TIMPs 的失衡會影響腫瘤的進展。 MMP2 活性與淋巴結轉移,淋巴管和血管浸潤相關,MMP2 在食管癌侵襲中有明確報道[36],同樣,MMP2 水平升高也可促進乳腺癌細胞的浸潤性,導致存活率顯著下降[37]。 在正常的生理條件下,基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑可以抑制MMPs 在任何階段下的蛋白水解活性,包括DNA 轉錄、基質(zhì)金屬蛋白酶酶原的活化以及對MMPs 活性抑制。MMPs 對體內(nèi)生理狀態(tài)下ECM 具有精確的調(diào)控作用,保證了體內(nèi)生理狀態(tài)下的穩(wěn)定。 但是在病理狀態(tài)下,這種調(diào)控失衡使得MMPs 的活性增加,從而使組織發(fā)生癌變的可能性增高。 近三十年來,MMPs被認為是值得探究的癌癥靶點,人工合成的MMPs抑制劑作為一類藥物在細胞抑制和抗血管生成中發(fā)揮重要的作用[38]。 卵巢癌作為婦科惡性腫瘤中致死率最高的一種癌癥,易發(fā)生轉移。 為了探究抑制卵巢癌發(fā)生轉移的方式,Chien 等[39]通過研究發(fā)現(xiàn),EZH2 作為一種表觀遺傳的修飾劑,通過H3K27 me3 的高甲基化使TIMP2 沉默,從而誘導了MMP2和MMP9 的活化,促進了卵巢癌的侵襲和轉移。

近年來,隨著科學技術的不斷發(fā)展,第三代基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑類藥物已經(jīng)開始了研究。 如新型苯并呋辛基吡咯烷羥化基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑,對MMP2 的活性和腫瘤細胞的增殖有較強的抑制作用[40]。 如何篩選出高選擇性抗腫瘤新藥,是目前面臨的主要難題。 現(xiàn)在普遍使用的篩選方法包括整體動物水平、組織器官水平、細胞水平和分子水平。 其中在分子水平上的篩選更加高效,操作性更強。 因此分子水平的篩選方法成為通用的基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑類藥物的選擇方法。

4 MMP2 有望成為新的腫瘤轉移與侵襲的標志物

腫瘤在人體各個組織和器官中的發(fā)生具有不可預測性,若早期發(fā)現(xiàn)不及時,可導致侵襲和轉移的發(fā)生。 胃癌通過兩種途徑發(fā)生轉移,血行轉移與淋巴結轉移。 在我國,由于早期篩查并不普及,胃癌被確診時大部分已是晚期,且多有轉移,往往預后不佳。 目前研究發(fā)現(xiàn)的與胃癌相關的生物標志物數(shù)量較少,因其敏感度和特異性都較低,不足以作為臨床診斷的相應指標,因此需要敏感度和特異性更高的生物標志物,在這種迫切的需求下,MMP2吸引了許多研究者的目光。 如表1 所示,王潔等[41]將臨床新鮮的胃癌組織標本通過原位移植到裸鼠背部皮下,建立異種移植模型后腫瘤發(fā)生轉移,連續(xù)傳三代之后,瘤組織切片染色觀察,發(fā)現(xiàn)與原發(fā)瘤相比轉移瘤中MMP2 的表達顯著上調(diào)。 董磊等[42]的研究表明,胃癌組術前的VEGF、MMP2、MMP9 水平高于對照組血清,術后VEGF、MMP2、MMP9 的水平顯著低于術前,并且其表達與患者的生存密切相關,對于MMP2 表達程度的判定一定程度上有利于胃癌患者預后判斷,為治療提供指導。不僅僅在胃癌中,Araújo 等[43]在結腸癌研究中也發(fā)現(xiàn),MMP2 在腫瘤的發(fā)生,進展和轉移中起到一定的作用,與患者的預后密切相關。 羅俊波等[44]的研究指出,乳腺癌患者血清中MMP2 高表達,與侵襲和轉移有密切的關系。 血清中MMP2 的表達水平可作為一項重要的指標去檢測腫瘤的發(fā)生以及對腫瘤轉移概率的預估。 Xie 等[45]的研究表明,胰腺癌作為一種惡性腫瘤,五年生存率不足9%,唯一有效的治療方式是早期手術切除,但是早期檢出率并不高,因此尋找早期標志物及早進行手術治療可有效提高生存率,而MMP2 在胰腺癌發(fā)生轉移的患者中高表達,可作為早期診斷胰腺癌是否轉移的重要標志物。 Huang 等[46]的研究表明,在乳腺癌的轉移中,MMP2 作為下游分子接受糖蛋白非轉移性B(Glycoprotein non-metastatic B, GPNMB)的調(diào)控,可促進乳腺癌的轉移,也可作為監(jiān)測乳腺癌預后的一項重要指標。 Yang 等[47]的研究表明,COX-2 作為MHCC-97 H 細胞中Mir-30a-3p 直接調(diào)節(jié)靶標,使用COX-2 抑制劑可抑制肝癌細胞的轉移,同時MMP2的表達也相應降低。 Han 等[48]的研究表明,肺癌手術后的患者,MMP2 的表達過高提示著不良預后,平均生存周期遠低于MMP2 低表達的患者,并且在肺癌患者中,MMP2 表達過高提示腫瘤已經(jīng)達到了非常惡性的程度,TNM 分期也不良,發(fā)生轉移的風險大大提高。 當然僅僅依靠MMP2 的表達程度來檢測腫瘤轉移概率是遠遠不夠的,需要與多種指標及患者臨床癥狀相結合,為患者提供更加科學且有效的治療。

表1 MMP2 在各類腫瘤中的作用Table 1 Role of MMP2 in various tumors

5 展望

綜上所述,MMP2 與癌癥的侵襲和轉移密切相關,多種機制通過調(diào)控MMP2 的活性來影響腫瘤的轉移,因此MMP2 可作為癌癥轉移的預測標志物。通過對MMP2 調(diào)控機制繼續(xù)深入研究,如何抑制MMP2 的活性,從而得到一種有效抑制腫瘤轉移的方式,成為臨床上有效治療腫瘤的一種手段。 雖然影響MMP2 的機制較多,涉及諸多上游分子,但惡性腫瘤的轉移僅僅依靠基質(zhì)金屬蛋白酶去解決是遠遠不夠的。 我們需要更加深入的研究,將MMP2與影響癌癥轉移的其他機制相結合,再加以臨床經(jīng)驗,最終找出一種真正可行且有效的治療方式。