基质金属蛋白酶与肿瘤侵袭和转移
作者：高庆 吴秉铨
单位：100083 北京医科大学病理系
关键词：
中华病理学杂志980231 从原位的增殖性肿瘤到侵袭转移癌的演进过程中，肿瘤细胞必须具备降解细胞外基质的能力。细胞外基质的降解主要依靠蛋白水解酶。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)是四类蛋白水解酶：丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天门冬氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶中较为重要的一类，目前已发现了14种，它们几乎能降解细胞外基质的所有成分，因而成为近年来肿瘤侵袭和转移研究的热点。
一、MMP简介
MMP(附表)是一组锌离子依赖性内肽酶，它们大小各异，底物不尽相同，但至少都含有信号肽、前肽和催化区3个结构域，酶催化区和前肽区具有高度保守性。经典型MMP以水溶性酶原形式分泌至胞外，需在激活剂作用下，脱去前肽，才具有酶活性；新型MMP则不同，间质溶素3直接以活性酶形式分泌至胞外，而膜型MMP(membrane type MMP，MT-MMP)则结合于胞膜上，它们的共同特征是在前肽区和催化区间有一含RXKR序列的插入区，可能与其活化有关。
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附表 有关MMP简介 分型
名称
MMP排序
分子量
主要底物
经典型
间质胶原酶
间质性胶原酶
MMP-1
52，57 000
纤维性胶原(Ⅲ>Ⅰ)
多形核细胞胶原酶
, 百拇医药
MMP-8
75 000
纤维性胶原(Ⅰ>Ⅲ)
胶原酶3
MMP-13
54 000
纤维性胶原
间质溶素
间质溶素1
MMP-3
52，58 000
层粘蛋白，纤维蛋白
, 百拇医药
蛋白多糖核心蛋白
间质溶素2
MMP-10
58 000
同MMP-3
基质溶素
MMP-7
28 000
似MMP-3
明胶酶
明胶酶A
MMP-2
72 000
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明胶，Ⅳ/Ⅴ型胶原
明胶酶B
MMP-9
92 000
明胶，Ⅳ/Ⅴ型胶原
弹性蛋白酶
金属弹性蛋白酶
MMP-12
52 000
弹性纤维
新型
RXKR分泌型
, 百拇医药 间质溶素3
MMP-11
29 000
α-1抗胰蛋白酶
RXKR膜型
Ⅰ型膜型金属蛋白酶
MMP-14
66 000
明胶酶A前体
Ⅱ型膜型金属蛋白酶
未定
76 000
, 百拇医药 未知
Ⅲ型膜型金属蛋白酶
未定
70 000
未知
Ⅳ型膜型金属蛋白酶
未定
未知
未知
各种MMP间具有一定的底物特异性，但不是绝对的。同一种MMP可降解多种细胞外基质成分，而某一种细胞外基质成分又可被多种MMP降解，但不同酶的降解效率可有不同。Ⅰ型膜型MMP可结合并活化明胶酶A，将其降解作用局限于胞膜附近，具有重要调节意义。理论上，在细胞外基质降解过程中，无需每一种MMP均参加，只要其中几种，或与其它类蛋白水解酶有机搭配起来，便可降解所有的细胞外基质成分。至于哪几种MMP参与某一降解过程，不同细胞、组织类型和具体环境可有不同[1]。
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二、MMP的调节
大体上，MMP的表达和活性受酶原合成、酶原活化和抑制剂抑制三个水平调控。
生长因子和细胞因子等活性介质，如表皮生长因子、转化生长因子β等，是酶原合成阶段最主要的调节因素，它们不仅能促进或抑制MMP mRNA的转录，而且能影响其半衰期[2]；一些粘附分子(受体)、TPA等致癌剂，以及细胞外环境等因素均对MMP的转录有调控作用。虽然MMP酶原活化的具体机制上不完全明了，但研究表明，纤维蛋白溶酶(plasmin)一种丝氨酸蛋白酶，起着非常重要的作用；Ⅰ型膜型金属蛋白酶也具有激活明胶酶A的作用。MMP的活性可被一组称为组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP)的内源性物质所抑制。TIMP在体内分布广泛，目前已经发现了4种，可与活化的MMP以1∶1的比例结合，抑制其活性。
可见，MMP的众多调控因素构成微妙的调节网络，正是这种精确的调控机制，保证了机体内生理状态下的细胞迁移和细胞外基质重构；而调节失控，就成为肿瘤细胞侵袭和转移等病理过程发生的原因。
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三、常用的MMP的研究方法
用于核酸、蛋白质分析的一般性研究方法同样适用于MMP的研究。RNA印迹杂交(Northern blots)和蛋白质印迹杂交(Western blots)，分别从mRNA和蛋白质水平检测MMP的表达情况，但在肿瘤组织研究中，两者都不能组织定位；原位杂交和免疫组织化学则可以弥补上述两种方法在组织定位方面的不足，但在定量方面不如前两者准确。
作为蛋白水解酶，MMP还具有一些特殊的研究方法。酶谱分析(Zymography)是一种利用聚丙烯酰胺凝胶电泳，检测酶活性的方法。在MMP研究中，它具有以下特点：能测量MMP活性，可区分酶原和活化酶两种形式，能同时检测具有相同底物的一组MMP，简便、敏感，但不能组织定位[3]。在酶谱分析的基础上，又发现了原位酶谱分析 (in situ zymography)和反向酶谱分析(reverse zymography)等方法，前者可组织定位，后者能检测MMP的抑制剂TIMP。
, 百拇医药
四、MMP与肿瘤侵袭和转移的关系
1.肿瘤细胞系的研究：一些MMP家族成员是首先在肿瘤细胞系中克隆、鉴定或提纯的，如：明胶酶A和B、基质溶素、间质溶素1和2等。其次，多种类型的肿瘤细胞系的明胶酶A、B、间质溶素1和2的表达和活性水平与其侵袭和转移表型正相关。MMP与肿瘤的侵袭和转移的关系也被MMP基因转染技术所证实，将基质溶素和MT1-MMP完整cDNA导入无转移潜能或转移潜能较弱的细胞后，受染细胞的侵袭和转移能力大大提高；反之，将MMP的反义核酸序列导入高侵袭转移潜能的细胞后，可使其侵袭转移表型减弱。通过调节MMP抑制剂的水平，也证实了MMP在肿瘤侵袭和转移过程中的作用，被TIMP-1或TIMP-2转染的细胞，其体外侵袭力和裸鼠内转移力均大大增加，若在实验过程中，直接加入TIMP-1或人工合成的MMP抑制剂，也能取得相似效果[4，5]。
2.人体肿瘤组织的研究：在人体不同部位，不同组织类型有肿瘤组织进行的研究表明，间质性胶原酶、间质溶素1、2、3、基质溶素、明胶酶A、B和Ⅰ型膜型MMP在肿瘤组织中的表达和活性明显高于周围正常组织或良性病变。运用原位杂交和免疫组织化学进行组织定位，基质溶素和间质溶素3的研究结果较一致，前者仅在癌细胞和异型增生的上皮细胞中表达，间质细胞不表达，而后者只在间质中表达。其它MMP表达较复杂，不同的研究结果也不尽相同，肿瘤细胞及其附近的间质细胞均有表达的报道，间质细胞主要指(成)纤维细胞，内皮细胞，巨噬细胞和淋巴细胞等。肿瘤周边的间质细胞产生MMP，提示肿瘤细胞可以通过可溶性介质或膜结合分子与间质细胞进行信息交换，协同产生和调节MMP，这在肿瘤细胞侵袭和转移的机制中，具有重要意义。
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在头颈部肿瘤中，间质溶素1、2和3的mRNA与肿瘤的局部侵袭成正相关[6]；在结直肠癌中，基质溶素mRNA的表达随Dukes分期的增高而增加，在肝转移瘤中达到最高[7]；过量的明胶酶A表达与食管癌的脉管浸润、食管癌和胃癌的淋巴结转移有着密切联系；酶谱分析表明，活性明胶酶A的比率与乳腺癌的分级和胃癌的局部侵袭成正相关，已发生淋巴结转移的肺癌组织，同无转移的相比，具有较高的活性明胶酶A比较[8]；明胶酶B的表达和活性，随乳腺癌分级的增加而增高[9]；在胃癌和宫颈癌中，MT1-MMP的蛋白表达与肿瘤的侵袭和转移情况正相关[10]。
总之，MMP是一类与肿瘤的侵袭和转移关系十分密切的蛋白水解酶。针对MMP的肿瘤治疗措施已经取得较大进展，MMP抑制剂具有细胞稳定剂的作用，由此，同传统的细胞毒性药物联合使用，可以更加有效地杀死瘤细胞，防止单独使用细胞毒性药物易引起的耐药和反弹现象。目前，一些MMP抑制剂类药物，已经处于临床药物实验阶段。可以相信，伴随MMP研究的不断深入，人们在肿瘤生物学和肿瘤治疗方面，都将取得更大进步。
, 百拇医药
参考文献
1 Stetler-Stevenson WG, Hewitt R, Corcoran M. Matrix metalloproteinases and tumor invasion: from correlation and causality to clinic. Sem in Cancer Bio, 1996, 7：147-154.
2 Ries C, Petrides PE. Cytokine regulation of matrix metaloproteinase activity and its regulatory dysfunction in disease. Biol Chem, 1995, 376：345-355.
3 Kleiner DE, Stetler-Stevenson WG. Quantitative zymography: detection of picogram quantities of gelatinases. Anal Biochem, 1994, 218：325-329.
, 百拇医药
4 Stetler-Stevenson WG, Aznavoorian S, Liotta LA. Tumor cell interaction with the extrcellular matrix during invasion and metastasis. Annu Rev Cell Biol, 1993, 9：541-573.
5 Mac Dougal JR, Matrisian LM. Contributions of tumor and stromal matrix metalloproteinases to tumor progression, invasion and metastasis. Cancer Metastasis Rev, 1995, 14：351-362.
6 Muller D, Wolf C, Abecassis J, et al. Increased stromelysin 3 gene expression is associated with increased local invasiveness in head and neck squamous cell carcinomas. Cancer Res, 1993, 53：165-169.
, 百拇医药
7 Yoshimoto M, Itoh F, Yamamoto H, et al. Expression of MMP-7 mRNA in human colorectal cancers. Int J Cancer, 1993, 54：614-618.
8 Tokuraku M, Sato H, Murakami S, et al. Activation of the precursor of gelatinase A/72kDa type Ⅳ collagenase/MMP-2 in lung carcinomas correlates with the expression of membrane-type matrix metalloproteinase and with lymph node metastasis. Int J Cancer, 1995，64：355-359.
9 Davies B, Miles DW, Happerefield LC, et al. Activity of type Ⅳ collagenases in benign and malignant breast disease. Br J Cancer, 1993, 67：1126-1131.
10 Gilles C, Polette M, Piette J, et al. High level of MT-MMP expression is associated with invasiveness of cervical cancer cells. Int J Cancer, 1996, 65：209-213.
(收稿：1997-10-13), 百拇医药
单位：100083 北京医科大学病理系
关键词：
中华病理学杂志980231 从原位的增殖性肿瘤到侵袭转移癌的演进过程中，肿瘤细胞必须具备降解细胞外基质的能力。细胞外基质的降解主要依靠蛋白水解酶。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)是四类蛋白水解酶：丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天门冬氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶中较为重要的一类，目前已发现了14种，它们几乎能降解细胞外基质的所有成分，因而成为近年来肿瘤侵袭和转移研究的热点。
一、MMP简介
MMP(附表)是一组锌离子依赖性内肽酶，它们大小各异，底物不尽相同，但至少都含有信号肽、前肽和催化区3个结构域，酶催化区和前肽区具有高度保守性。经典型MMP以水溶性酶原形式分泌至胞外，需在激活剂作用下，脱去前肽，才具有酶活性；新型MMP则不同，间质溶素3直接以活性酶形式分泌至胞外，而膜型MMP(membrane type MMP，MT-MMP)则结合于胞膜上，它们的共同特征是在前肽区和催化区间有一含RXKR序列的插入区，可能与其活化有关。
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附表 有关MMP简介 分型
名称
MMP排序
分子量
主要底物
经典型
间质胶原酶
间质性胶原酶
MMP-1
52，57 000
纤维性胶原(Ⅲ>Ⅰ)
多形核细胞胶原酶
, 百拇医药
MMP-8
75 000
纤维性胶原(Ⅰ>Ⅲ)
胶原酶3
MMP-13
54 000
纤维性胶原
间质溶素
间质溶素1
MMP-3
52，58 000
层粘蛋白，纤维蛋白
, 百拇医药
蛋白多糖核心蛋白
间质溶素2
MMP-10
58 000
同MMP-3
基质溶素
MMP-7
28 000
似MMP-3
明胶酶
明胶酶A
MMP-2
72 000
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明胶，Ⅳ/Ⅴ型胶原
明胶酶B
MMP-9
92 000
明胶，Ⅳ/Ⅴ型胶原
弹性蛋白酶
金属弹性蛋白酶
MMP-12
52 000
弹性纤维
新型
RXKR分泌型
, 百拇医药 间质溶素3
MMP-11
29 000
α-1抗胰蛋白酶
RXKR膜型
Ⅰ型膜型金属蛋白酶
MMP-14
66 000
明胶酶A前体
Ⅱ型膜型金属蛋白酶
未定
76 000
, 百拇医药 未知
Ⅲ型膜型金属蛋白酶
未定
70 000
未知
Ⅳ型膜型金属蛋白酶
未定
未知
未知
各种MMP间具有一定的底物特异性，但不是绝对的。同一种MMP可降解多种细胞外基质成分，而某一种细胞外基质成分又可被多种MMP降解，但不同酶的降解效率可有不同。Ⅰ型膜型MMP可结合并活化明胶酶A，将其降解作用局限于胞膜附近，具有重要调节意义。理论上，在细胞外基质降解过程中，无需每一种MMP均参加，只要其中几种，或与其它类蛋白水解酶有机搭配起来，便可降解所有的细胞外基质成分。至于哪几种MMP参与某一降解过程，不同细胞、组织类型和具体环境可有不同[1]。
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二、MMP的调节
大体上，MMP的表达和活性受酶原合成、酶原活化和抑制剂抑制三个水平调控。
生长因子和细胞因子等活性介质，如表皮生长因子、转化生长因子β等，是酶原合成阶段最主要的调节因素，它们不仅能促进或抑制MMP mRNA的转录，而且能影响其半衰期[2]；一些粘附分子(受体)、TPA等致癌剂，以及细胞外环境等因素均对MMP的转录有调控作用。虽然MMP酶原活化的具体机制上不完全明了，但研究表明，纤维蛋白溶酶(plasmin)一种丝氨酸蛋白酶，起着非常重要的作用；Ⅰ型膜型金属蛋白酶也具有激活明胶酶A的作用。MMP的活性可被一组称为组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP)的内源性物质所抑制。TIMP在体内分布广泛，目前已经发现了4种，可与活化的MMP以1∶1的比例结合，抑制其活性。
可见，MMP的众多调控因素构成微妙的调节网络，正是这种精确的调控机制，保证了机体内生理状态下的细胞迁移和细胞外基质重构；而调节失控，就成为肿瘤细胞侵袭和转移等病理过程发生的原因。
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三、常用的MMP的研究方法
用于核酸、蛋白质分析的一般性研究方法同样适用于MMP的研究。RNA印迹杂交(Northern blots)和蛋白质印迹杂交(Western blots)，分别从mRNA和蛋白质水平检测MMP的表达情况，但在肿瘤组织研究中，两者都不能组织定位；原位杂交和免疫组织化学则可以弥补上述两种方法在组织定位方面的不足，但在定量方面不如前两者准确。
作为蛋白水解酶，MMP还具有一些特殊的研究方法。酶谱分析(Zymography)是一种利用聚丙烯酰胺凝胶电泳，检测酶活性的方法。在MMP研究中，它具有以下特点：能测量MMP活性，可区分酶原和活化酶两种形式，能同时检测具有相同底物的一组MMP，简便、敏感，但不能组织定位[3]。在酶谱分析的基础上，又发现了原位酶谱分析 (in situ zymography)和反向酶谱分析(reverse zymography)等方法，前者可组织定位，后者能检测MMP的抑制剂TIMP。
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四、MMP与肿瘤侵袭和转移的关系
1.肿瘤细胞系的研究：一些MMP家族成员是首先在肿瘤细胞系中克隆、鉴定或提纯的，如：明胶酶A和B、基质溶素、间质溶素1和2等。其次，多种类型的肿瘤细胞系的明胶酶A、B、间质溶素1和2的表达和活性水平与其侵袭和转移表型正相关。MMP与肿瘤的侵袭和转移的关系也被MMP基因转染技术所证实，将基质溶素和MT1-MMP完整cDNA导入无转移潜能或转移潜能较弱的细胞后，受染细胞的侵袭和转移能力大大提高；反之，将MMP的反义核酸序列导入高侵袭转移潜能的细胞后，可使其侵袭转移表型减弱。通过调节MMP抑制剂的水平，也证实了MMP在肿瘤侵袭和转移过程中的作用，被TIMP-1或TIMP-2转染的细胞，其体外侵袭力和裸鼠内转移力均大大增加，若在实验过程中，直接加入TIMP-1或人工合成的MMP抑制剂，也能取得相似效果[4，5]。
2.人体肿瘤组织的研究：在人体不同部位，不同组织类型有肿瘤组织进行的研究表明，间质性胶原酶、间质溶素1、2、3、基质溶素、明胶酶A、B和Ⅰ型膜型MMP在肿瘤组织中的表达和活性明显高于周围正常组织或良性病变。运用原位杂交和免疫组织化学进行组织定位，基质溶素和间质溶素3的研究结果较一致，前者仅在癌细胞和异型增生的上皮细胞中表达，间质细胞不表达，而后者只在间质中表达。其它MMP表达较复杂，不同的研究结果也不尽相同，肿瘤细胞及其附近的间质细胞均有表达的报道，间质细胞主要指(成)纤维细胞，内皮细胞，巨噬细胞和淋巴细胞等。肿瘤周边的间质细胞产生MMP，提示肿瘤细胞可以通过可溶性介质或膜结合分子与间质细胞进行信息交换，协同产生和调节MMP，这在肿瘤细胞侵袭和转移的机制中，具有重要意义。
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在头颈部肿瘤中，间质溶素1、2和3的mRNA与肿瘤的局部侵袭成正相关[6]；在结直肠癌中，基质溶素mRNA的表达随Dukes分期的增高而增加，在肝转移瘤中达到最高[7]；过量的明胶酶A表达与食管癌的脉管浸润、食管癌和胃癌的淋巴结转移有着密切联系；酶谱分析表明，活性明胶酶A的比率与乳腺癌的分级和胃癌的局部侵袭成正相关，已发生淋巴结转移的肺癌组织，同无转移的相比，具有较高的活性明胶酶A比较[8]；明胶酶B的表达和活性，随乳腺癌分级的增加而增高[9]；在胃癌和宫颈癌中，MT1-MMP的蛋白表达与肿瘤的侵袭和转移情况正相关[10]。
总之，MMP是一类与肿瘤的侵袭和转移关系十分密切的蛋白水解酶。针对MMP的肿瘤治疗措施已经取得较大进展，MMP抑制剂具有细胞稳定剂的作用，由此，同传统的细胞毒性药物联合使用，可以更加有效地杀死瘤细胞，防止单独使用细胞毒性药物易引起的耐药和反弹现象。目前，一些MMP抑制剂类药物，已经处于临床药物实验阶段。可以相信，伴随MMP研究的不断深入，人们在肿瘤生物学和肿瘤治疗方面，都将取得更大进步。
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参考文献
1 Stetler-Stevenson WG, Hewitt R, Corcoran M. Matrix metalloproteinases and tumor invasion: from correlation and causality to clinic. Sem in Cancer Bio, 1996, 7：147-154.
2 Ries C, Petrides PE. Cytokine regulation of matrix metaloproteinase activity and its regulatory dysfunction in disease. Biol Chem, 1995, 376：345-355.
3 Kleiner DE, Stetler-Stevenson WG. Quantitative zymography: detection of picogram quantities of gelatinases. Anal Biochem, 1994, 218：325-329.
, 百拇医药
4 Stetler-Stevenson WG, Aznavoorian S, Liotta LA. Tumor cell interaction with the extrcellular matrix during invasion and metastasis. Annu Rev Cell Biol, 1993, 9：541-573.
5 Mac Dougal JR, Matrisian LM. Contributions of tumor and stromal matrix metalloproteinases to tumor progression, invasion and metastasis. Cancer Metastasis Rev, 1995, 14：351-362.
6 Muller D, Wolf C, Abecassis J, et al. Increased stromelysin 3 gene expression is associated with increased local invasiveness in head and neck squamous cell carcinomas. Cancer Res, 1993, 53：165-169.
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7 Yoshimoto M, Itoh F, Yamamoto H, et al. Expression of MMP-7 mRNA in human colorectal cancers. Int J Cancer, 1993, 54：614-618.
8 Tokuraku M, Sato H, Murakami S, et al. Activation of the precursor of gelatinase A/72kDa type Ⅳ collagenase/MMP-2 in lung carcinomas correlates with the expression of membrane-type matrix metalloproteinase and with lymph node metastasis. Int J Cancer, 1995，64：355-359.
9 Davies B, Miles DW, Happerefield LC, et al. Activity of type Ⅳ collagenases in benign and malignant breast disease. Br J Cancer, 1993, 67：1126-1131.
10 Gilles C, Polette M, Piette J, et al. High level of MT-MMP expression is associated with invasiveness of cervical cancer cells. Int J Cancer, 1996, 65：209-213.
(收稿：1997-10-13), 百拇医药