基质金属蛋白酶2与心力衰竭的研究进展

基质金属蛋白酶2与心力衰竭的研究进展

张俣

【摘 要】基质金属蛋白酶2(MMP-2)是基质金属蛋白酶家族(MMPs)的重要成员,可通过高效降解细胞外基质参与充血性心力衰竭(CHF)过程中的左心室重构.CHF时MMP-2表达升高并存在与组织抑制因子失衡,因此,MMP-2与CHF的发生发展密切相关.检测MMP-2可能对判断CHF病情程度及预后具有预测作用,抑制MMP-2表达和活性有望成为治疗CHF的新策略.

【期刊名称】《医学综述》

【年(卷),期】2010(016)022

【总页数】4页(P3387-3390)

【关键词】基质金属蛋白酶2;心力衰竭;左心室重构

【作 者】张俣

【作者单位】石河子大学医学院,新疆,石河子,832000

【正文语种】中 文

【中图分类】R541.6

充血性心力衰竭(congestive heart failure,CHF)是各种心血管疾病的终末阶段。尽管目前 CHF的治疗已取得了长足的进步,但是随着人口老龄化和急性心肌梗死生存率的改善,CHF已成为心血管疾病的主要死亡原因[1]。目前认为,CHF的病理生理机制主要与心室重构和神经、细胞因子系统激活密切相关。而心室重构最重要的就是细胞外基质(extracellular matrix,ECM)沉积。基质金属蛋白酶家族(matrix

metallo protein ases,MMPs)是一类 ECM降解所必需的 Zn2+依赖的蛋白水解酶家族,其与组织抑制因子(tissue inhibitor ofmetalloproteinases,TIMP)相互作用所构成的平衡,共同维持心血管基质的分解与重构,是目前 CHF的研究热点。MMP-2是血管壁细胞表达和分泌的最主要的 MMP,可以高效降解心脏的基质成分,介导心肌重构,参与 CHF的发生发展。现就近年来 MMP-2与 CHF的研究进展予以概述。

1 MMP-2概述

1.1 MMP-2的发现、来源和结构特点 MMPs是降解 ECM的主要介质[2],最早由

Gross等[3]在研究蝌蚪尾巴蜕变时发现,迄今在人体已发现 26种 MMPs,根据其底物特异性和结构分为 5类:即胶原酶(MMP-1、MMP-8、MMP-13)；明胶酶或称Ⅳ型胶原酶(MMP-2、MMP-9)；基 质溶 解素 (MMP-3、MMP-7、MMP-10、MMP-11)；膜型金属蛋白酶 (MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17)和其他 类 (MMP-12、 MMP-19、MMP-20、MMP-21、MMP-22、MMP-23、MMP-27)[4]。许多研究发现,MMPs广泛参与多种生理和病理过程,如胚胎的形成、骨的再建、血管再生、肿瘤侵入及转移、炎性反应及心肌梗死后的心室重构等。

MMP-2是一种非糖化的明胶酶,其相对分子质量为 72×103,1977年 Liotta等[5]首次在高度转移的鼠肿瘤移植培养液内发现。目前研究发现,MMP-2主要来源于间质细胞、肿瘤细胞、血液中的单核细胞、巨噬细胞、血管内皮细胞等,作用底物主要为明胶,Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型胶原、层黏蛋白,弹性蛋白及纤连蛋白。人类 MMP-2基因位于染色体 16q21,由 13个外显子和 12个内含子组成,结构基因总长度为

27 kb。MMP-2的分泌型结构由 5种不同区域构成:①疏水的信号肽结构域,指导该酶从细胞分泌后的定位；②前肽结构域,其中带有高度保守序列 PRCGV/NPD的氨基酸末端具有一个不配对的半胱氨酸残基,该残基与锌原子结合,以维持酶原的状态,当蛋白酶切割此区域后,二者分离,酶原被激活；③催化结构域,约 170个氨基酸,具有HE-GH基序,含 2个组氨基酸,结合 3个锌原子,为催化功能所必需；④纤连蛋白样结构域,此区域为MMP-2所特有,具有 3个Ⅱ型纤连蛋白重复序列,能与明胶、天然Ⅰ型胶原结合；⑤凝血酶样结构,决定了底物的特异性,且为 TIMP分子羧基端提供锚机位点,从而形成 MMP/TIMP复合物。与 MMPS家族其他成员所不同的是

MMP-2的 5′端旁侧序列促进子区域不含 TATA盒,而是 2个 GC盒[6]。

1.2 MMP-2的调节 MMP-2在机体内的表达、激活及其对底物的分解过程的调节主要从转录水平、酶原的激活和活化酶的抑制物这 3个水平进行调节。一般情况下,MMP-2在正常人体组织中是以无活性的酶原形式即 pro-MMPs,分泌并呈低表达,但在某些生理和病理过程中其表达增加。如低氧、血管紧张素Ⅱ、白细胞介素

1、白细胞介素 6、内皮素,肿瘤坏死因子 α、上皮生长因子、纤维母细胞生长因子、血小板源性生长因子、转化生长因子、激素等均可增强MMP-2的表达[7,8]。近期的研究发现,在一些具有较低转移潜能的细胞系中,增加胰岛素生长因子的表达,可以增进 MMP-2基因和蛋白的表达。此外,MMP-2还受转化生长因子 β1的影响而出现 MMP-2 mRNA表达上调[9]。干扰素 β1 b可抑制 MMP-2的表达,一氧化氮可以通过一氧化氮/环单磷酸鸟苷途径在降低 MMP-2同时又增进 TMIP-2表达水平。与其他 MMPs不同的是,MMP-2基因序列不含 TATA盒,其表达也很少受原癌基因的影响,被认为是一种典型的管家基因。人体内 p ro-MMPs只有活化后才能发挥作用。此过程又分为生理激活和病理激活。前者是血浆纤溶系统和间质素所介导,活化的纤溶酶再激活 MMP-2；后者使许多细胞内外信号转导分子诱导产生病理性因子,继而作用于MMP-2使之活化。TIMPs是机体内存在的 MMPs天然抑制蛋白,已知有4种分子,它们与 MMP以 1∶1的比例形成 MMP-TIMP复合体,从而阻断 MMPs与底物结合。TIMP-2是一种对 MMP-2有高度的选择性的蛋白质,其相对分子质量为 21×103,能与活化的或无活性的 MMP-2结合,除可抑制 MMP-2的活性外还可以终止 MMPs家族所有成员的水解活性,是 MMP-2活性调节的关键[10]。

1.3 MMP-2的作用机制 MMP-2是降解 ECM骨架蛋白Ⅳ型胶原主要酶之一,其主要降解Ⅳ型胶原纤维三螺旋结构中某一部位的氨基段 3/4处水解Gly2Ile或 Leu的肽键,从而使胶原分子的 3条螺旋肽链解链。当胶原分子的 3条多肽链中某一条链被胶原酶切断后,成为 TAc75和 TBc25片段后,其余 2条肽链发生变性,使整个胶原分子成为无规线圈,降低胶原螺旋结构的稳定性,进而被中性蛋白酶和溶酶体酶等蛋白酶进一步降解。MMP-2除了自身能降解 ECM外,还能有效活化 MMP-13,对基质的降解起协同作用。

2 MMP-2在 CHF发生发展中的作用

2.1 CHF时 MMP-2的变化 CHF发展过程中的一个重要标志就是心室重构,临床上视其为导致 CHF重要始动因子和病死率重要的指标。多项临床观察和试验研究证实心室重构发生、发展呈持续进行性发展,表现为左心室扩张伴收缩功能降低,伴随着心肌细胞和 ECM组成的改变[11,12]。有研究表明,MMP-2、MMP-9参与了

CHF长期重构过程[13],前者可直接降解 ECM成分,形成基质素,并促使 ECM释放胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子等细胞因子,这些基质素、生物活性因子、血管紧张素Ⅱ、醛固酮及内皮素等均能活化细胞,增加胶原合成,刺激新的结缔组织出现,参与纤维化和重构过程,最终导致心脏泵功能衰竭[14,15]。

尽管 CHF的病因多种多样,但许多研究表明,无论什么原因引起的 CHF均有心肌

MMPs表达和活性改变。在快速起搏诱导的的猪左侧 CHF竭模型中观察到

MMP-1、MMP-2、MMP-3活性升高呈时间依赖性,伴随有左心室进行性扩大、功能降低和 ECM结构的改变[16]。进一步研究发现,CHF时心肌中MMP-2的表达量和活性明显增加,降解正常胶原组织,使胶原网络发生重构,最终诱发室壁变薄,心室扩张[17]。Nishikawa等[18]在鼠 CHF模型中发现MMP-2在收缩和舒张功能不全都明显升高。此外,有研究显示 MMP-2转基因小鼠模型能够独立引起左心室重构和心功能不全,这为 MMP-2参与左心室重构提供了直接证据[19]。Yamazak等[20]检测 52例CHF患者的血浆 MMP-2水平后发现,CHF患者血浆MMP-2水平较对照组明显升高,且其水平与 CHF程度呈一定的相关性。以色列学者 George等[21]测定了 88例 CHF患者血浆 MMP-2、MMP-9、TIMP-1和 N端前体脑钠肽,并对死亡和在住院情况进行了随访,结果发现,MMP-2和 N端前体脑钠肽与纽约心功能分级有良好的相关性,并且 MMP-2与 N端前体脑钠肽一样是 CHF死亡的独立预测因子。

2.2 MMPs/TIMPs平衡失调 MMPs/TIMPs平衡失调在 CHF后的心室重构过程中起着重要的作用。CHF发展中出现内源性 MMPs抑制性调控丧失,MMPs表达增加和激活,从而导致 MMP与TIMP平衡失调。当 MMPs/TIMPs比例升高时,心室重构向着心室扩张的方向发展；当 MMPs/TIMPs的比例下降时,心室重构向着胶原积累的方向发展。在晚期扩张性心肌病组织 MMPs/TIMPs比例发生改变,TIMP-1、TIMP-3水平下降[22]。我国魏英杰等[23]研究发现,CHF患者血浆

TIMP-4水平明显低于对照组,在缺血性心肌病、扩张性心肌病和致心律失常型右室心肌病引起的 CHF心肌中 TIMP-4的表达量明显降低。干预心肌 MMPs和

TIMPs水平的转基因模型研究表明,通过剔除特定 TIMPs和 MMPs基因,可改变

CHF的进展。剔除 TIMP-1基因后,其对 MMPs抑制性调控丧失,可致鼠左室增大[24]。上述研究结果提示,MMPs与 TIMPs的失衡导致了 ECM的降解与心脏重构。

2.3 MMP-2基因多态性与 CHF CHF的病因多种多样,发生与发展机制复杂且预后差异很大。在对CHF家系、孪生子以及遗传学的研究中发现遗传因素在 CHF进程中起着一定的作用[25,26]。国外研究已证实,MMP-2启动子部位的基因多态性与CHF[27,28]、肿瘤[29]、脑卒中[30]、糖尿病视 网膜病变[31]和动脉瘤[32]等多种疾病发生、发展存在相关性。人类 MMP-2启动子区有很多顺式作用元件和p53、转录因子 SP1、转录因子 SP3、激活蛋白 2等在内的转录因子一起参加了对此蛋白的表达。尤其重要的是,MMP亚型基因启动子区的多态性可以影响到转录因子与这一区域结合,进而影响整个转录效率。最近 Vasku等[33]研究发现,在 -735核苷酸区域有 C替代 T突变,这一改变破坏了 SP1的结合位点,使 SP1失活,显著降低启动子活性,从而影响MMP-2的表达。在其随后的研究中发现,MMP-2启动子区

T790G和 C735T这两个多态位点与 CHF有关。患者中,-790T/G的T等位基因及

-735C/T等位基因频率在 CHF患者中明显增高,-735C/T基因多态性中的 CT杂合基因型表达者患 CHF的风险更高[27]。我国华倚虹等[34]研究发现,MMP-2基因rs17859821位点 A等位基因是改善收缩性 CHF的独立因素。但目前对于 MMP-2基因多态性还不是完全了解,有待于进一步完善。