新型金属蛋白酶ADAMTS家族研究进展

新型金属蛋白酶ADAMTS家族研究进展摘要含Ⅰ型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶ADAMTSs(adisintegrinandmetalloproteinasewiththrombospondinmotifs)是一类新的Zn2+依赖的金属蛋白酶家族,广泛存在于哺乳动物和无脊椎动物体内。从1997年发现第一个ADAMTSs家族成员以来,迄今共有19个成员被发现,在保持凝血系统的稳态、器官生成、炎症、生育等方面有重要作用。尽管其中大部分酶的功能尚不清楚,但已有研究显示该家族成员与多种疾病密切相关。ADAMTSs与基质金属蛋白酶MMPs、解聚蛋白样金属蛋白酶ADAMs同属金属蛋白酶家族,但在结构组成、组织细胞分布、底物作用的特异性、酶活性的调节等方面有明显差别。本文综述了其在结构功能及与疾病关系的研究进展。关键词细胞外基质；金属蛋白酶;ADAMTS。基质的合成和降解参与了一系列生理和病理生理过程,包括血管生成、细胞凋亡、肿瘤转移、炎症发生等,而降解基质的蛋白酶在其中起着关键性的作用。目前已知的参与基质重构的蛋白水解酶包括丝氨酸蛋白酶﹑酪氨酸蛋白酶﹑半胱氨酸蛋白酶﹑金属蛋白酶等。ADAMTS(adisintegrinandmetalloproteinasewiththrombospondinmotifs,ADAMTS)意为含Ⅰ型血小板结合蛋白基序(TSP)的解聚蛋白样金属蛋白酶,是继基质金属蛋白酶MMPs后新发现的一类Zn2+依赖的分泌型金属蛋白酶。ADAMTSs家族与解聚蛋白样金属蛋白酶ADAMs及基质金属蛋白酶MMPs同属于金属蛋白酶家族,但对它的了解远不如后两者清晰。ADAMTSs区别于MMPs和其他金属蛋白酶的主要结构特点是羧基端含有至少一个TSP基序。与MMPs相比,ADAMTSs底物谱相对狭窄;与锚定在细胞膜上的ADAMs相比,ADAMTSs属于分泌型蛋白酶,可由巨噬细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞等多种细胞合成和分泌，通常结合于基质上。目前在人类已找到19个ADAMTSs成员,部分成员的特异性底物及重要功能正逐步被人们认识,但仍有一些新基因被陆续克隆并等待功能的揭晓。ADAMTS家族与疾病有着密切的关系,如ADAMTS-2基因突变可以导致羊和牛的皮肤脆性综合征,而在人类则可以导致VIIc型Ehlers-Danlos综合征(EDS);ADAMTS-13的功能缺失则导致血栓性血小板减少性紫癜(TTP);在关节炎病人的关节滑液中则可以发现ADAMTS-4和ADAMTS-5的明显升高等等,这些证据表明ADAMTS家族可能在体内多种疾病中发挥着关键性作用,也为疾病的诊断和治疗提供了新的靶点。以下将对ADAMTSs家族的主要成员就其结构、作用底物、生理功能及与疾病关系的研究进展作一综述。一、ADAMTSs的结构ADAMTSs家族一共有19个成员,大多以无活性的酶原形式存在。ADAMTS的结构域依次为信号肽、前结构域、金属蛋白酶催化结构域、解素样结构域、半胱氨酸富集区域、间隔区域和TSP重复序列。ADAMTS家族成员根据其结构又可分为一些小的亚群,如ADAMTS-7和ADAMTS-12在C末端的TSP重复序列中都有一个粘蛋白结构域;而ADAMTS-9和ADAMTS-20则包含GON结构域;ADAMTS-13包含两个CUB结构域等。结构的相似性决定了功能的重叠,如ADAMTS-7和ADAMTS-12(均可切割软骨基质蛋白COMPcartilageoligomericmatrixprotein)。二、ADAMTS-1ADAMTS-1是在对小鼠结肠腺癌基因差异显示的筛选中发现的。ADAMTS-1定位于人染色体21q21-22，编码含951个氨基酸的蛋白质,分子量约为100kD。ADAMTS-1属于分泌型蛋白,在分泌过程中,无活性的ADAMTS-1前体可以经过两个连续的步骤剪切为87kD和65kD两种活性形式。ADAMTS-1分泌后大多通过C-末端3个TSP重复序列和间隔区锚定在细胞外基质中。正常情况下,ADAMTS-1高表达在许多组织,如心脏、肺、肝脏、骨骼肌和肾中。ADAMTS-1可以通过降解细胞外基质蛋白,如Versican、Brevican、Aggrecan,参与多种生理和病理生理过程。例如ADAMTS-1能够从多个位点切开血管基质蛋白Versican,从而促进平滑肌的增殖和移位;免疫组化染色人的动脉粥样斑块发现ADAMTS-1高表达;ApoE敲除背景上的ADAMTS-1转基因小鼠比单纯ApoE敲除小鼠内膜明显增厚,提示ADAMTS-1可促进动脉粥样硬化的发展;此外,ADAMTS-1可能也参与了胸主动脉血管瘤的形成。Brevican是主要表达在中枢系统中的基质蛋白,TNF-α刺激下脑星形胶质细胞ADAMTS-1的表达增高,通过降解brevican可能参与了神经元损伤。最近,经DIGE蛋白质组学和酵母双杂交研究新发现了几种ADAMTS-1的可能底物,包括基底膜蛋白质nidogen-1和-2,desmosomalproteindesmocollin-3和细胞外基质糖蛋白dystroglycan1,Mac-2结合蛋白以及TFPI-2,有趣的是重组的ADAMTS-1还可以降解I型胶原,发挥了类似MMPs的作用。ADAMTS-1的另一重要功能是抑制血管新生。ADAMTS-1通过C-末端结合到血管内皮生长因子VEGF165的肝素结合区,从而阻断了VEGF受体VEGFR2的磷酸化,进而抑制内皮增殖和血管生成。最近的研究表明,ADAMTS-1还可以通过活化有抗血管再生作用的基质糖蛋白Thrombospondin(TSP)TSP1和TSP2,达到抗血管再生的作用。血管新生在肿瘤转移中起着关键作用。ADAMTS-1通过抑制血管的生成,可能参与了抑制肿瘤的发生发展。在非小细胞肺癌中,ADAMTS-1无论在mRNA水平还是蛋白水平,表达均显著下降,从而失去对血管生成的抑制作用,推动肿瘤的发展;ADAMTS-1的过表达可以明显抑制肿瘤的生长,使肿瘤中心出现坏死区域,提示ADAMTS-1的抗肿瘤作用。但在胰腺癌中,虽然ADAMTS-1的表达比正常组织是下降的,然而在肿瘤组织中ADAMTS-1相对高表达，不仅不能抑制肿瘤生长,反而与胰腺癌的腹膜后侵润和淋巴结转移相关,提示ADAMTS-1作用的复杂性,在不同来源的肿瘤发生中起到不同的作用。ADAMTS-1的抑制血管生长的作用与它的金属蛋白酶活性区及剪切形式有关。最近,在皮肤损伤愈合的过程中,ADMATS-1被发现有双重功能,低水平时可以通过降解基质蛋白促进内皮和成纤维细胞的迁移,而高表达时则结合到成纤维细胞生长因子FGF-2,抑制内皮细胞和成纤维细胞的迁移。转基因动物的出现为确切认识ADAMTS-1的生理与病理作用提供了强有力的工具。ADAMTS-1的基因敲除小鼠呈现出生长迟缓,脂肪形成异常,子宫卵巢发育异常及受精障碍,泌尿生殖系统的发育异常,阻塞性肾病等,说明ADAMTS-1对生长、受精、维持泌尿生殖系统正常的器官形态和功能至关重要。此外,ADAMTS-1还参与了正常的卵泡发育和排卵过程、子宫的正常发育和大鼠的发情周期的调节等过程。ADAMTS-1的表达受到多种因素的影响。致炎细胞因子TNF-α、IL-1-β和内毒素均可诱导其表达;转化生长因子TGF-β则可下调其表达。激素类如：甲状旁腺激素、绒毛膜促性腺激素、雌激素、雄激素、孕酮等均可调节其表达。血管内皮生长因子VEGF可刺激ADAMTS-1的表达,对血管生长起到负反馈调节的作用。此外,细胞外基质蛋白Fibulin,尽管不是ADAMTS-1的底物,但通过与之结合,可增强ADAMTS-1对aggrencan的切割能力。目前尚未发现体内ADAMTS-1天然的抑制剂,合成的ADAMTS-1的抑制剂包括EDTA,1,10-phenanthroline,BB-94和MMP抑制剂。三ADAMTS-2ADAMTS-2是原胶原变为胶原过程中的剪切酶。只有经过剪切(去掉氨基端的前体肽)的胶原才能形成正常的单体并组装成长圆柱形胶原纤维。ADAMTS-2可以切割原胶原Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。ADAMTS-2基因突变可以导致羊和牛的皮肤脆性综合征,而在人类则可以导致VIIc型Ehlers-Danlos综合征(EDS)。EDS是一种常染色体隐性遗传病,典型症状是皮肤脆性增加,关节松弛和特征性的面容。ADAMTS-2的激活涉及多种剪切过程,包括前体蛋白转化酶(pro-proteinconvertases)和C-末端剪切,会产生7种不同的剪切产物,其中104kD氨基末端剪切产物活性最高。ADAMTS-2除了对纤维原胶原Ⅰ~Ⅲ型进行加工外,还可以对αⅤ胶原的氨基末端进行加工,且剪切部位不同于以往的ADAMTS-2的剪切部位。以往研究表明ADAMTS-2对于原胶原N端前导肽的切除是必须的,而且不能被其它蛋白酶所替代,但最新研究发现在ADAMTS-2突变的小鼠中,并非所有胶原富集的组织都会受到如此严重的影响,提示ADAMTS-2的功能在某种程度上可以组织特异性的被其它同系蛋白酶所代偿。事实上ADAMTS-3和ADAMTS-14后来也被证明能够分别剪切原胶原I和II,从而发挥代偿作用。ADAMTS-2广泛分布于多种细胞。细胞因子TNF-α和生长因子TGF-β均可促进ADAMTS-2的分泌。金属蛋白酶组织抑制物TIMP-3,能抑制ADAMTS-2的活性,而TIMP-1,2,4则不能。四、ADAMTS-4和ADAMTS-5ADAMTS-4和ADAMTS-5是软骨基质蛋白聚蛋白多糖aggrecan的降解酶。关节软骨中含有大量的aggrecan,它对于关节的抗压力和张力等物理属性起着重要的作用。骨关节炎和类风湿性关节炎患者中发现存在着aggrecan的大量降解破坏。在aggrecan的结构域中有两个主要的切割位点,其中一个是MMPs切割位点,位于Asn341和Phe342;而另一个则是聚蛋白多糖酶aggrecanase切割位点,位于Glu373和Ala374。经过鉴定和纯化,聚蛋白多糖酶-1在1999年被证实是ADAMTS-4,人ADAMTS-4cDNA全长包括2511个碱基,编码837个氨基酸,定位于1q21-q23。继而聚蛋白多糖酶-2又被发现是ADAMTS-5,ADAMTS-5定位于人21q21-q22。聚蛋白多糖酶是治疗关节炎的新靶点,它的发现使得关节炎的治疗有望取得新的突破,为能从根本上治疗和预防关节炎提供了基础。后来的研究发现,ADAMTS-4对MMPs切割位点Asn341和Phe342也有延缓的切割作用。在对人骨肉瘤细胞株的研究发现,ADAMTS-4以酶原形式存在,它的激活需要前蛋白转化酶furin的参与,其在脑、肺和心脏组织中均有表达,在胎盘和骨骼肌中也有较弱表达。尽管MMPs与聚蛋白多糖酶都可以参与aggrecan的降解,到底哪个成员在关节炎发病中起到更重要的作用还不太清楚,可能在疾病的不同阶段分别参与软骨基质的破坏。虽然ADAMTS-1,8,9也有微弱的聚蛋白多糖酶的活性,但有人通过对小鼠关节炎动物模型的研究发现,ADAMTS-5才是体内aggrecan的主要降解酶,这一发现是否适用于人类还有待证实。此外,脂肪组织也可以产生ADAMTS-4和ADAMTS-5。脂肪细胞的形成和分化中可见ADAMTS-5及其底物aggrecan表达水平的变化,aggrecan在体外及体内均可以刺激脂肪细胞分化和成熟,提示ADAMTS-4和ADAMTS-5在脂肪的形成中起着重要的作用。除了aggrecan,ADAMTS-4还可以切割细胞外基质brivecan和versican。在恶性胶质瘤中,ADAMTS-5的表达水平明显升高,通过降解brivecan,介导了神经胶质瘤的侵袭与转移。组织基质金属蛋白酶抑制剂TIMP-3是强有力的ADAMTS-4活性抑制剂,其IC50=7.9nmol/L,而TIMP-1,2,4的抑制作用不明显。α2巨球蛋白是另一种内源性的ADAMTS-4、5抑制剂;绿茶