新型金屬蛋白酶ADAMTS家族研究進(jìn)展

1、新型金屬蛋白酶ADAMTS家族研究進(jìn)展   摘要 含型血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶 ADAMTSs ( a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs)是一類新的Zn2+ 依賴的金屬蛋白酶家族 , 廣泛存在于哺乳動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi) 。從1997年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)ADAMTSs家族成員以來(lái) , 迄今共有19個(gè)成員被發(fā)現(xiàn) ,在保持凝血系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 、 器官生成 、 炎癥 、 生育等方面有重要作用 。盡管其中大部分酶的功能尚不清楚 , 但已有研究顯示該家族成員與多種疾病密切相關(guān) 。ADAMTSs與基質(zhì)金屬蛋

2、白酶MMPs、解聚蛋白樣金屬蛋白酶 ADAM s同屬金屬蛋白酶家族 , 但在結(jié)構(gòu)組成 、 組織細(xì)胞分布 、 底物作用的特異性 、 酶活性的調(diào)節(jié)等方面有明顯差別 。本文綜述了其在結(jié)構(gòu)功能及與疾病關(guān)系的研究進(jìn)展 。 關(guān)鍵詞 細(xì)胞外基質(zhì) ；金屬蛋白酶 ; ADAM TS 。 基質(zhì)的合成和降解參與了一系列生理和病理生理過(guò)程 ,包括血管生成 、 細(xì)胞凋亡 、 腫瘤轉(zhuǎn)移 、 炎癥發(fā)生等 ,而降解基質(zhì)的蛋白酶在其中起著關(guān)鍵性的作用 。目前已知的參與基質(zhì)重構(gòu)的蛋白水解酶包括絲氨酸蛋白酶酪氨酸蛋白酶半胱氨酸蛋白酶金屬蛋白酶等 。ADAMTS ( a disintegrin and metalloproteina

3、se with thrombospondin motifs,ADAMTS) 意為 含 型血小板結(jié)合蛋白基序( TSP )的解聚蛋白樣金屬蛋白酶 ,是繼基質(zhì)金屬蛋白酶MMPs后新發(fā)現(xiàn)的一類Zn2+依賴的分泌型金屬蛋白酶 。ADAMTSs家族與解聚蛋白樣金屬蛋白酶ADAMs及基質(zhì)金屬蛋白酶 MM Ps同屬于金屬蛋白酶家族 , 但對(duì)它的了解遠(yuǎn)不如后兩者清晰 。ADAMTSs區(qū)別于MMPs和其他金屬蛋白酶的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是羧基端含有至少一個(gè)TSP基序 。與MM Ps相比 , ADAMTSs 底物譜相對(duì)狹窄 ; 與錨定在細(xì)胞膜上的ADAMs 相比 , ADAMTSs 屬于分泌型蛋白酶 , 可由巨噬細(xì)胞 、

4、 血管內(nèi)皮細(xì)胞 、 平滑肌細(xì)胞 、 成纖維細(xì)胞等多種細(xì)胞合成和分泌 ，通常結(jié)合于基質(zhì)上 。目前在人類已找到19個(gè)ADAMTSs成員 ,部分成員的特異性底物及重要功能正逐步被人們認(rèn)識(shí) ,但仍有一些新基因被陸續(xù)克隆并等待功能的揭曉 。ADAMTS家族與疾病有著密切的關(guān)系 , 如ADAMTS-2 基因突變可以導(dǎo)致羊和牛的皮膚脆性綜合征 ,而在人類則可以導(dǎo)致 V IIc 型 Ehlers-Danlos 綜合征 ( EDS) ; ADAM TS-13 的功能缺失則導(dǎo)致血栓性血小板減少性紫癜 ( TTP ) ; 在關(guān)節(jié)炎病人的關(guān)節(jié)滑液中則可以發(fā)現(xiàn)ADAMTS-4和ADAM TS-5 的明顯升高等等 ,這些

5、證據(jù)表明ADAMTS家族可能在體內(nèi)多種疾病中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用 , 也為疾病的診斷和治療提供了新的靶點(diǎn) 。以下將對(duì)ADAMTSs 家族的主要成員就其結(jié)構(gòu) 、 作用底物 、 生理功能及與疾病關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述 。  一、 ADAMTSs的結(jié)構(gòu) ADAMTSs家族一共有19個(gè)成員 , 大多以無(wú)活性的酶原形式存在 。ADAMTS的結(jié)構(gòu)域依次為信號(hào)肽 、 前結(jié)構(gòu)域 、 金屬蛋白酶催化結(jié)構(gòu)域 、解素樣結(jié)構(gòu)域 、 半胱氨酸富集區(qū)域 、 間隔區(qū)域和 TSP 重復(fù)序列。 ADAMTS家族成員根據(jù)其結(jié)構(gòu)又可分為一些小的亞群 , 如 ADAMTS- 7 和 ADAMTS- 12 在 C 末端的TSP重

6、復(fù)序列中都有一個(gè)粘蛋白結(jié)構(gòu)域 ; 而 ADAMTS -9 和 ADAMTS -20 則包含GON結(jié)構(gòu)域 ; ADAMTS- 13 包含兩個(gè)CUB 結(jié)構(gòu)域等 。結(jié)構(gòu)的相似性決定了功能的重疊 , 如ADAMTS -7 和 ADAMTS -12 ( 均可切割軟骨基質(zhì)蛋白COMP cartilage oligomeric matrix protein ) 。 二、 ADAMTS-1 ADAMTS- 1 是在對(duì)小鼠結(jié)腸腺癌基因差異顯示的篩選中發(fā)現(xiàn)的。ADAMTS -1 定位于人染色體21q21-22，編碼含 951 個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì) , 分子量約為 100kD。 ADAMTS- 1 屬于分泌型蛋白 ,

7、在分泌過(guò)程中 , 無(wú)活性的 ADAMTS- 1 前體可以經(jīng)過(guò)兩個(gè)連續(xù)的步驟剪切為 87kD 和 65kD 兩種活性形式 。ADAMTS- 1 分泌后大多通過(guò) C-末端3個(gè)TSP 重復(fù)序列和間隔區(qū)錨定在細(xì)胞外基質(zhì)中 。正常情況下 , ADAMTS- 1 高表達(dá)在許多組織 , 如心臟 、 肺、 肝臟 、 骨骼肌和腎中。 ADAMTS- 1 可以通過(guò)降解細(xì)胞外基質(zhì)蛋白 , 如 Versican、 Brevican、 Aggrecan, 參與多種生理和病理生理過(guò)程 。例如 ADAMTS- 1 能夠從多個(gè)位點(diǎn)切開血管基質(zhì)蛋白 Versican,從而促進(jìn)平滑肌的增殖和移位 ; 免疫組化染色人的動(dòng)脈粥樣斑塊

8、發(fā)現(xiàn) ADAMTS -1 高表達(dá) ; ApoE 敲除背景上的ADAMTS- 1轉(zhuǎn)基因小鼠比單純 ApoE 敲除小鼠內(nèi)膜明顯增厚 , 提示 ADAMTS- 1 可促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展 ; 此外 , ADAMTS -1 可能也參與了胸主動(dòng)脈血管瘤的形成。 Brevican 是主要表達(dá)在中樞系統(tǒng)中的基質(zhì)蛋白 ,TNF- 刺激下腦星形膠質(zhì)細(xì)胞ADAMTS -1 的表達(dá)增高 ,通過(guò)降解 brevican 可能參與了神經(jīng)元損傷 。最近 , 經(jīng)DIGE 蛋白質(zhì)組學(xué)和酵母雙雜交研究新發(fā)現(xiàn)了幾種 ADAMTS- 1 的可能底物 , 包括基底膜蛋白質(zhì)nidogen-1和-2, desmosomal protei

9、n desmocollin-3和 細(xì)胞外基質(zhì)糖蛋白 dystroglycan 1, Mac-2 結(jié)合蛋白以及 TFPI -2,有趣的是重組的 ADAMTS -1 還可以降解 I型膠原 ,發(fā)揮了類似 MM Ps的作用 。 ADAMTS-1 的另一重要功能是抑制血管新生。 ADAMTS-1 通過(guò) C -末端結(jié)合到血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF165 的肝素結(jié)合區(qū) , 從而阻斷了VEGF受體VEGFR2 的磷酸化 ,進(jìn)而抑制內(nèi)皮增殖和血管生成 。 最近的研究表明 , ADAMTS-1 還可以通過(guò)活化有抗血管再生作用的基質(zhì)糖蛋白 Thrombospondin( TSP )TSP 1 和 TSP 2,達(dá)到抗血

10、管再生的作用 。血管新生在腫瘤轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用 。ADAMTS-1 通過(guò)抑制血管的生成 ,可能參與了抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展 。在非小細(xì)胞肺癌中 , ADAMTS-1 無(wú)論在 mRNA 水平還是蛋白水平 ,表達(dá)均顯著下降 ,從而失去對(duì)血管生成的抑制作用 , 推動(dòng)腫瘤的發(fā)展 ; ADAMTS-1 的過(guò)表達(dá)可以明顯抑制腫瘤的生長(zhǎng) , 使腫瘤中心出現(xiàn)壞死區(qū)域 , 提示 ADAMTS-1 的抗腫瘤作用 。但在胰腺癌中 , 雖然 ADAM TS- 1 的表達(dá)比正常組織是下降的 ,然而在腫瘤組織中 ADAMTS- 1 相對(duì)高表達(dá)，不僅不能抑制腫瘤生長(zhǎng) , 反而與胰腺癌的腹膜后侵潤(rùn)和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān) , 提示 A

11、DAMTS- 1 作用的復(fù)雜性 , 在不同來(lái)源的腫瘤發(fā)生中起到不同的作用 。 ADAMTS- 1 的抑制血管生長(zhǎng)的作用與它的金屬蛋白酶活性區(qū)及剪切形式有關(guān) 。最近 , 在皮膚損傷愈合的過(guò)程中 , ADMATS- 1 被發(fā)現(xiàn)有雙重功能 ,低水平時(shí)可以通過(guò)降解基質(zhì)蛋白促進(jìn)內(nèi)皮和成纖維細(xì)胞的遷移 ,而高表達(dá)時(shí)則結(jié)合到成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子 FGF - 2,抑制內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的遷移 。 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的出現(xiàn)為確切認(rèn)識(shí) ADAMTS- 1的生理與病理作用提供了強(qiáng)有力的工具 。ADAMTS-1 的基因敲除小鼠呈現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩 ,脂肪形成異常 ,子宮卵巢發(fā)育異常及受精障礙 , 泌尿生殖系統(tǒng)的發(fā)育異常 ,阻塞性腎

12、病等 , 說(shuō)明 ADAMTS-1 對(duì)生長(zhǎng) 、 受精、 維持泌尿生殖系統(tǒng)正常的器官形態(tài)和功能至關(guān)重要 。此外 , ADAMTS-1 還參與了正常的卵泡發(fā)育和排卵過(guò)程 、 子宮的正常發(fā)育和大鼠的發(fā)情周期的調(diào)節(jié)等過(guò)程 。 ADAMTS-1 的表達(dá)受到多種因素的影響 。致炎細(xì)胞因子TNF- 、 I L-1-和內(nèi)毒素均可誘導(dǎo)其表達(dá) ; 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF- 則可下調(diào)其表達(dá) 。激素類如：甲狀旁腺激素 、 絨毛膜促性腺激素 、 雌激素 、 雄激素 、 孕酮等均可調(diào)節(jié)其表達(dá) 。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子 VEGF 可刺激 ADAMTS-1 的表達(dá) , 對(duì)血管生長(zhǎng)起到負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用 。此外 , 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白 Fibu

13、lin, 盡管 不是 ADAMTS-1 的底物 , 但通過(guò)與之結(jié)合 , 可增強(qiáng) ADAM TS-1 對(duì) aggrencan 的切割能力 。目前尚未發(fā)現(xiàn)體內(nèi) ADAM TS-1 天然的抑制劑 ,合成的 ADAMTS-1 的抑制劑包括 EDTA , 1, 10-phenanthroline , BB-94和MMP 抑制劑。 三 ADAMTS-2 ADAMTS-2 是原膠原變?yōu)槟z原過(guò)程中的剪切酶 。只有經(jīng)過(guò)剪切 (去掉氨基端的前體肽) 的膠原才能形成正常的單體并組裝成長(zhǎng)圓柱形膠原纖維 。 ADAMTS-2 可以切割原膠原 、 和 。ADAMTS-2基因突變可以導(dǎo)致羊和牛的皮膚脆性綜合征 , 而在人類

14、則可以導(dǎo)致 V IIc 型 Ehlers- Danlos 綜合征 ( EDS) 。 EDS是一種常染色體隱性遺傳病 , 典型癥狀是皮膚脆性增加 , 關(guān)節(jié)松弛和特征性的面容。 ADAM TS-2 的激活涉及多種剪切過(guò)程 , 包括前體蛋白轉(zhuǎn)化酶 ( pro -protein convertases) 和 C -末端剪切 , 會(huì)產(chǎn)生7種不同的剪切產(chǎn)物 ,其中104kD氨基末端剪切產(chǎn)物活性最高 。ADAMTS-2除了對(duì)纖維原膠原 型進(jìn)行加工外 ,還可以對(duì) 膠原的氨基末端進(jìn)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 對(duì)于原膠原N 端前導(dǎo)肽的切除是必須的 ,

15、而且不能被其它蛋白酶所替代 ,但最新研究發(fā)現(xiàn)在ADAMTS-2 突變的小鼠中 ,并非所有膠原富集的組織都會(huì)受到如此嚴(yán)重的影響 ,提示 ADAMTS-2 的功能在某種程度上可以組織特異性的被其它同系蛋白酶所代償 。事實(shí)上 ADAM TS-3 和 ADAMTS-14 后來(lái)也被證明能夠分別剪切原膠原 I和 II, 從而發(fā)揮代償作用 。 ADAMTS-2廣泛分布于多種細(xì)胞 。細(xì)胞因子TNF-和生長(zhǎng)因子TGF- 均可促進(jìn) ADAMTS-2 的分泌 。金屬蛋白酶組織抑制物 TIMP-3, 能抑制 ADAMTS-2 的活性 , 而TIMP-1, 2, 4 則不能 。 四、ADAMTS-4 和 ADAMTS-

16、5 ADAMTS-4 和 ADAMTS-5 是軟骨基質(zhì)蛋白聚蛋白多糖aggrecan的降解酶。關(guān)節(jié)軟骨中含有大量的 aggrecan,它對(duì)于關(guān)節(jié)的抗壓力和張力等物理屬性起著重要的作用 。骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者中發(fā)現(xiàn)存在著 aggrecan 的大量降解破壞 。在 aggrecan 的結(jié)構(gòu)域中有兩個(gè)主要的切割位點(diǎn) , 其中一個(gè)是 MM Ps切割位點(diǎn) , 位于 Asn341 和 Phe342; 而另一個(gè)則是聚蛋白多糖酶 aggrecanase 切割位點(diǎn) , 位于Glu373 和 Ala374。經(jīng)過(guò)鑒定和純化 , 聚蛋白多糖酶-1 在 1999年被證實(shí)是ADAMTS- 4, 人ADAMTS-4

17、cDNA 全長(zhǎng)包括 2511個(gè)堿基 ,編碼 837 個(gè)氨基酸 ,定位于1q21-q23。繼而聚蛋白多糖酶-2 又被發(fā)現(xiàn)是 ADAMTS-5, ADAMTS-5定位于人 21q21-q22。聚蛋白多糖酶是治療關(guān)節(jié)炎的新靶點(diǎn) , 它的發(fā)現(xiàn)使得關(guān)節(jié)炎的治療有望取得新的突破 , 為能從根本上治療和預(yù)防關(guān)節(jié)炎提供了基礎(chǔ) 。后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn) , ADAMTS-4對(duì) MMPs切割位點(diǎn) Asn341 和 Phe342 也有延緩的切割作用 。在對(duì)人骨肉瘤細(xì)胞株的研究發(fā)現(xiàn) , ADAMTS-4 以酶原形式存在 , 它的激活需要前蛋白轉(zhuǎn)化酶furin 的參與 , 其在腦 、 肺和心臟組織中均有表達(dá) , 在胎盤和骨骼肌

18、中也有較弱表達(dá) 。盡管MMPs與聚蛋白多糖酶都可以參與 aggrecan 的降解 , 到底哪個(gè)成員在關(guān)節(jié)炎發(fā)病中起到更重要的作用還不太清楚 ,可能在疾病的不同階段分別參與軟骨基質(zhì)的破壞 。雖然 ADAMTS-1, 8, 9 也有微弱的聚蛋白多糖酶的活性 , 但有人通過(guò)對(duì)小鼠關(guān)節(jié)炎動(dòng)物模型的研究發(fā)現(xiàn) , ADAMTS-5才是體內(nèi) aggrecan 的主要降解酶 ,這一發(fā)現(xiàn)是否適用于人類還有待證實(shí) 。 此外 , 脂肪組織也可以產(chǎn)生ADAMTS-4 和 ADAMTS-5。脂肪細(xì)胞的形成和分化中可見(jiàn) ADAMTS-5及其底物 aggrecan 表達(dá)水平的變化 , aggrecan 在體外及體內(nèi)均可以刺

19、激脂肪細(xì)胞分化和成熟 , 提示 ADAMTS-4 和 ADAMTS-5 在脂肪的形成中起著重要的作用 。除了 aggrecan, ADAMTS-4 還可以切割細(xì)胞外基質(zhì) brivecan 和 versican。在惡性膠質(zhì)瘤中 , ADAMTS-5 的表達(dá)水平明顯升高 , 通過(guò)降解 brivecan, 介導(dǎo)了神經(jīng)膠質(zhì)瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移。 組織基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑 TIMP-3 是強(qiáng)有力的ADAMTS-4 活性抑制劑 , 其 I C50 = 7. 9nmol /L , 而TIMP- 1, 2, 4 的抑制作用不明顯 。2 巨球蛋白是另 一種內(nèi)源性的ADAMTS-4、5 抑制劑 ; 綠茶中的成分cate

20、chingallate esters也可明顯抑制 aggrecanase的活性 。 五、 ADAMTS-7和 ADAMTS- 12 ADAMTS-7 定位于人15號(hào)染色體 , 人和小鼠的 ADAMTS-7 蛋白分別包含 1686 和 1641個(gè)氨基酸 , 分子量大小大約為 181 和178kD。兩者在氨基酸序列上有較高的同源性。 ADAMTS-7 可以經(jīng)過(guò)多次的furin依賴的剪切過(guò)程 ,無(wú)論是全長(zhǎng)還是剪切形式均表現(xiàn)出水解活性 。ADAMTS-7 在人心臟 、 胰腺 、 腎臟、 軟骨 、 骨骼肌和肝臟中均有高表達(dá) , 呈現(xiàn)分布的廣泛性。ADAMTS-12 定位于人5q35, 全長(zhǎng)5115個(gè)堿基

21、 ,編碼1543個(gè)氨基酸 ,其分子量約為177. 5kD。 ADAMTS-7 和 ADAMTS-12 有著極其相似的結(jié)構(gòu) ,兩者的氨基酸序列同源性大約為 57% , 在 C 末端的 TSP重復(fù)序列中都有一個(gè)粘蛋白結(jié)構(gòu)域 。與 ADAMTS-7 相比 , ADAMTS-12 在胎兒主要表達(dá)在肺 ,在正常成人骨關(guān)節(jié)組織中主要分布在滑膜 、 骨骼肌和軟骨中 ,肌腱和脂肪組織也有表達(dá) 。在一些腫瘤和腫瘤細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn) ADAMTS-12 的高表達(dá) , 提示它可能參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展 。 軟骨基質(zhì)蛋白 COMP( Cartilage oligomeric m atrix protein )的降解片段可以作為

22、臨床關(guān)節(jié)炎病人的一個(gè)重要診斷指標(biāo) ,利用酵母雙雜交的方法發(fā)現(xiàn)降解 COMP的蛋白酶是ADAMTS-7。 ADAMTS-7也是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的直接與COMP 結(jié)合并降解 COMP 的蛋白酶。繼而又發(fā)現(xiàn) ADAMTS-12 也可以特異性的降解COMP , 在骨關(guān)節(jié)炎病人的軟骨和滑膜中均有 ADAMTS-7 和 ADAMTS-12 mRNA 的升高 , 提示 ADAMTS-7 和 ADAMTS-12 可能在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病中起著重要作用。COMP 還是正常人血管外基質(zhì)成分 ,體外實(shí)驗(yàn)證明 COMP 促進(jìn)平滑肌細(xì)胞的遷移 , 這些結(jié)果提示 ADAMTS-7 和 ADAMTS-12 有可能通過(guò)降解COMP,

23、 破壞基質(zhì) ,參與了血管重塑和動(dòng)脈粥樣硬化等血管疾病發(fā)生和發(fā)展進(jìn)程。最近的研究發(fā)現(xiàn) , ADAMTS -7 高表達(dá)在人的斑塊 ,過(guò)表達(dá) ADAMTS-7 可以明顯促進(jìn)平滑肌細(xì)胞的遷移和增殖 ,可能參與了動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)程 (待發(fā)表資料)。 六、 ADAMTS-13 vWF是一種存在于血漿 、 血小板和血管內(nèi)皮細(xì)胞的多聚體糖蛋白 ,它是凝血因子 的載體蛋白 ,支持血小板凝固 ,并且通過(guò)連接血小板表面的糖蛋白和損傷血管暴露的細(xì)胞外基質(zhì) , 使血小板黏附到損傷血管的表面 。這一生理過(guò)程依賴于成熟的vWF 的存在 ,而后者必須經(jīng)過(guò)一系列的剪切才能從前體轉(zhuǎn)化為成熟形式 ,否則就以異常大的多聚體形式存在 (UL -vWF ) ,