基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制劑與氟斑牙相關(guān)性的研究進(jìn)展

聶玉寧 湯曄 綜述 陳黎明△ 審校

(1.遵義醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2.貴陽(yáng)市口腔醫(yī)院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

氟斑牙是發(fā)育中的牙齒暴露于過量的氟化物導(dǎo)致牙釉質(zhì)發(fā)育礦化缺陷，使釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)和外觀發(fā)生不良改變的一種牙體硬組織疾病。研究發(fā)現(xiàn)，與正常釉質(zhì)相比氟斑牙釉質(zhì)中的孔隙增多，存在較多的有機(jī)質(zhì)成分，而這是由于牙釉質(zhì)基質(zhì)的釉原蛋白降解延遲和清除障礙。多數(shù)研究表明，在釉基質(zhì)蛋白降解及清除障礙與氟斑牙關(guān)系的研究中，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)及基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)有著一定的功能。目前，MMPs和TIMPs在氟斑牙發(fā)生發(fā)展過程中的作用及機(jī)制尚未完全闡明，且始終缺乏對(duì)MMPs和TIMPs家族與氟斑牙關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)報(bào)道。基于對(duì)國(guó)內(nèi)外研究成果的深入分析，本文將從MMPs及TIMPs的生物學(xué)特征及各自與氟斑牙的關(guān)系展開論述。

1 MMPs和TIMPs的生物學(xué)特征

1.1MMPs種類、特點(diǎn)和功能 基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是編碼細(xì)胞外基質(zhì)(Extrocelluar Matrix，ECM)的內(nèi)肽酶， 是一類依賴Zn2+和Ca2+的蛋白水解酶，其活性部位涉及金屬離子，主要是鋅，還包括其他金屬，如鈷、錳或鎳。目前已分離鑒別出26個(gè)成員，分別命名為MMP1-26 。根據(jù)結(jié)構(gòu)域及作用底物的不同，MMPs通常被分為6類[1-2]：膠原酶(MMP-1、 MMP-8、MMP-13和MMP-18)，明膠酶(MMP-2和 MMP-9)， 間質(zhì)溶解素 (MMP-3、 MMP-10 和 MMP-11)，基質(zhì)溶解因子(MMP-7 和 MMP-26)， 膜型MMPs(membrane-typeMMPs，MT-MMPs) (MMP-14～17、MMP-24和 MMP-25)，其他MMPs(MMP-12、MMP-19～23、MMP-27和MMP-28。MMPs的失調(diào)可影響許多生理過程，如形態(tài)發(fā)生、血管生成、組織重塑(如心血管重塑)、胚胎發(fā)育、細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡的調(diào)節(jié)以及傷口愈合[3-4]。MMPs同時(shí)也在口腔的生理和病理過程中都起著重要作用。它們已經(jīng)從齦溝液、牙釉質(zhì)、唾液以及牙周組織的標(biāo)本中分離出來。一些研究表明[5-6]，MMPs在口腔組織形成和修復(fù)過程中對(duì)牙體硬組織和頜骨的有機(jī)基質(zhì)地重塑有著具體作用。

1.2TIMPs種類、特點(diǎn)和功能 TIMPs是一種分泌型金屬蛋白酶抑制劑，廣泛分布于脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物中，TIMPs是MMPs主要內(nèi)源性抑制因子，能特異地抑制MMPs。TIMP家族有四個(gè)同源成員[7-9],分別命名為TIMP-1、-2、-3、-4。然而，MMPs抑制的效果因各TIMPs而異。例如[10]，TIMP-1是許多MMPs的強(qiáng)抑制劑，除了一些膜型MT-MMPs，包括MMP-14、-15、-16、-19和-24[8-9]。同樣，TIMP-1、-3都與MMP-9相關(guān)，而TIMP-2、-3和-4能夠與MMP-2相互作用。但是Lu等學(xué)者表明[11]，TIMP-2對(duì)MMPs家族所有成員都有抑制作用，且能阻礙所有被激活的MMPs的水解活性，然而有待進(jìn)一步驗(yàn)證。TIMPs的表達(dá)在發(fā)育和組織重塑中受到調(diào)節(jié)，對(duì)MMPs有特異性強(qiáng)效抑制作用。

2 MMPs與TIMPs的動(dòng)態(tài)平衡

在大多數(shù)的人體組織中，MMPs保持在相當(dāng)?shù)偷谋磉_(dá)水平，MMPs和TIMPs之間的平衡維持ECM平衡[12]。TIMPs以1∶1的比例與MMPs結(jié)合，可抑制MMPs酶原活化，MMPs/TIMPs 比率通常用以確定蛋白質(zhì)降解和組織重塑的程度 。然而，隨著炎癥和重塑活動(dòng)的某些需求，MMPs表達(dá)增加，導(dǎo)致MMPs和TIMPs水平失衡[4,12]，平衡向MMPs傾斜導(dǎo)致蛋白水解增加，而平衡向TIMP傾斜導(dǎo)致蛋白水解減少。

3 MMPs與氟斑牙的關(guān)系

MMPs對(duì)牙齒發(fā)育、分化、生長(zhǎng)、成形和凋亡有著重要作用[13]。在釉質(zhì)發(fā)育過程中，90%的釉基質(zhì)蛋白是釉原蛋白，是釉質(zhì)分泌期的主要蛋白。釉原蛋白和釉基質(zhì)蛋白酶是由成釉細(xì)胞合成的。成釉細(xì)胞分階段形成牙釉質(zhì)。隨著牙釉質(zhì)成熟，釉原蛋白被多種蛋白酶水解，如基質(zhì)金屬蛋白酶。它與激肽釋放酶相關(guān)肽酶4(KLK4)及其底物膠原蛋白V、聚集蛋白聚糖、釉原蛋白一起[14-15]，經(jīng)歷釉原蛋白的裂解，為晶體礦物的生長(zhǎng)提供空間。而氟化物引起的蛋白酶活性的變化可能會(huì)導(dǎo)致釉原蛋白去除延遲，從而導(dǎo)致釉質(zhì)基質(zhì)礦化延遲，形成的釉質(zhì)晶體孔隙較大[16-17]，而這就是氟斑牙的病理特征。在礦化之前，MMPs可能參與牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)有機(jī)基質(zhì)的形成，或者它們可能通過控制蛋白多糖的周轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)礦化。氟化物對(duì)蛋白酶的影響可能是減少釉質(zhì)基質(zhì)中蛋白酶總量，或改變正在發(fā)育的釉質(zhì)基質(zhì)內(nèi)蛋白酶的活性。氟和MMPs之間相互作用的其他證據(jù)已經(jīng)被觀察到。有證據(jù)表明，MMPs不僅可能參與了氟斑牙和成骨不全癥的病因，而且在齲病的進(jìn)展中起著一定的作用，MMPs在齲病中牙本質(zhì)膠原蛋白的分解中起著關(guān)鍵作用[18]，此外，MMP-13基因多態(tài)性rs478927與巴西亞馬遜地區(qū)兒童齲齒發(fā)生和釉質(zhì)發(fā)育缺陷有關(guān)[19]。國(guó)內(nèi)目前MMPs在氟中毒領(lǐng)域的研究多集中于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，在人體中變化特點(diǎn)的研究較為少見[20]。目前，MMPs家族中與氟斑牙相關(guān)聯(lián)的主要是MMP-2、MMP-9、MMP-13與MMP-20。

3.1MMP-2、MMP-9、MMP-13 MMP-2為一種Zn2+依賴性蛋白水解酶，其功能主要為分解細(xì)胞外基質(zhì)(Extrocelluar Matrix，ECM) 和基底膜(Basement Menbrane，BM)。MMP-13 又被稱為膠原酶-3，其底物豐富，包括膠原蛋白、明膠、蛋白聚糖、基底膜蛋白多糖和纖維黏連蛋白等，MMP-13 主要與礦化骨基質(zhì)有關(guān)，與組織蛋白酶-K和MMP-9協(xié)同，在骨基質(zhì)I型膠原蛋白的降解中發(fā)揮重要作用[21]。近年來遲波學(xué)者和黃華學(xué)者研究顯示[22-23]：檢測(cè)氟暴露人群的血清樣本中MMP-2、MMP-9、MMP-13的活性，得到結(jié)論，氟可能通過誘導(dǎo)MMP-2、MMP-9、MMP-13活性，影響骨代謝，與氟骨癥地發(fā)生發(fā)展有相關(guān)。賈志紅等學(xué)者[24]，觀察慢性氟中毒與大鼠骨組織破骨細(xì)胞中MMP-9、mRNA表達(dá)及骨細(xì)胞分化成熟過程的相關(guān)影響，得出慢性氟中毒影響大鼠骨組織破骨細(xì)胞中MMP-9蛋白、mRNA的表達(dá)，并通過調(diào)節(jié)二者的表達(dá)水平影響破骨細(xì)胞的分化、成熟過程。

Priscilla等學(xué)者研究中[25]，選擇并評(píng)估了MMP-2與MMP-9基因多態(tài)性，在基因多態(tài)性rs243865中，遺傳變異與MMP-2的下調(diào)有關(guān)，其中等位基因A與氟斑牙有邊緣性關(guān)聯(lián)。在此研究中，Gln-Gln基因型在氟斑牙組中的比例較低，并且也是邊緣相關(guān)的。這可能是這兩個(gè)遺傳多態(tài)性，MMP-2的rs243865和MMP-9的rs17576在更大的樣本中可能與氟斑牙有關(guān)。提示我們，在今后的研究中需要多種族多地區(qū)多樣本量來證實(shí)。

3.2MMP-20 MMP-20作用于釉原蛋白，對(duì)釉質(zhì)具有特異性。在牙釉質(zhì)形成中，它的主要功能是促進(jìn)有機(jī)基質(zhì)與礦物質(zhì)的有序替換。在國(guó)外一些基因敲除實(shí)驗(yàn)中，在MMP-20缺失的情況下，有機(jī)基質(zhì)不能被礦化，從而阻止了釉質(zhì)分泌期晶體的增厚。在咀嚼的壓力下，變?nèi)醯木w會(huì)崩裂，牙釉質(zhì)碎片也會(huì)從牙冠上脫落。MMP-20緩慢降解琺瑯質(zhì)蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)分離分泌階段的薄晶體帶，使晶體能夠分離。張雪莉等學(xué)者[26]通過建立氟斑牙動(dòng)物模型，得出了過量氟抑制MMP-20的表達(dá)，使MMP-20/TIMP-2 的表達(dá)失衡，成釉基質(zhì)蛋白清除延遲，蛋白儲(chǔ)留，導(dǎo)致釉質(zhì)礦化不良，形成氟斑牙，褪黑素對(duì)氟斑牙的形成無拮抗作用。

4 TIMPs與氟斑牙的關(guān)系

TIMPs對(duì)MMPs活性的抑制作用是MMPs活性的重要調(diào)節(jié)機(jī)制。國(guó)外Küchler EC學(xué)者[27]等在里約熱內(nèi)盧市招募481名6～18歲的受試者，一個(gè)公共水供應(yīng)加氟的城市，評(píng)估了脫落的恒牙，采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)分析TIMP-1和TIMP-2基因的遺傳多態(tài)性，得出TIMP-1 rs4898可能與氟斑牙相關(guān)，Logistic回歸分析顯示，TIMP-1 rs4898與氟斑牙相關(guān)，過量的氟化物會(huì)破壞MMPs/TIMPs的平衡，導(dǎo)致釉質(zhì)成熟過程中釉質(zhì)原蛋白去除和礦化延遲。

5 總 結(jié)

上文中我們系統(tǒng)性地總結(jié)了基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制劑各自的構(gòu)成與功能，且闡述了它們與氟斑牙之間的關(guān)系。從結(jié)果可以知道，基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制劑與氟斑牙有著密切地關(guān)系。由于氟斑牙的形成與地城環(huán)境因素、人類種族、飲食習(xí)慣等等有著密不可分的關(guān)系，可能很難得出明確的結(jié)論。目前，我們無法找到任何來自國(guó)人的公開研究。因此，今后的研究需要采用更豐富的多地區(qū)大樣本，不局限于單個(gè)基因和氟斑牙相關(guān)性的研究，而是綜合考慮基因-環(huán)境相互作用以及基因-基因相互作用，利用生物數(shù)據(jù)庫(kù)和生物信息學(xué)分析，從而更好地了解氟斑牙病因，對(duì)氟斑牙的易感性進(jìn)行早期評(píng)價(jià)，這將有助于對(duì)氟斑牙的早期預(yù)防、診斷和治療。但我們可以更進(jìn)一步觀察到的是，基質(zhì)金屬蛋白酶及抑制劑在牙齒硬組織發(fā)育不全的相關(guān)性，特定啟動(dòng)子區(qū)域的多態(tài)性可以影響相關(guān)疾病的易感性，希望未來在分子水平上對(duì)氟斑牙病因地探索能夠更進(jìn)一步。所以要將研究成果與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，我們還得進(jìn)一步地走入國(guó)內(nèi)氟斑牙高發(fā)地區(qū)進(jìn)行靶向調(diào)研，這樣的研究結(jié)果才能更好地指導(dǎo)我們國(guó)內(nèi)特殊地區(qū)人民的口腔健康預(yù)防工作。