金屬蛋白酶青光眼研究論文

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【摘要】基質金屬蛋白酶(MMP)是一類鋅離子依賴性內源性蛋白水解酶家族，主要功能是降解細胞外基質(ECM)和基底膜。近年來人們對MMP的結構功能、活性的調節及在原發性開角型青光眼發病機制和治療中的作用有了初步的了解。本文就這方面的研究結果作一綜述。

【關鍵詞】基質金屬蛋白酶；原發性開角型青光眼；細胞外基質

原發性開角型青光眼(POAG)是常見致盲性眼病之一，迄今為止，其病因及發病機制尚不清楚。小梁網組織的ECM與MMP的動態平衡改變日益受到原發性開角型青光眼研究領域學者的關注。本文就MMP與POAG關系的研究進展綜述如下。

1MMP的結構及分類

MMP是一類鋅離子依賴性內源性蛋白水解酶，主要功能是降解ECM和基底膜，除此之外在許多生理和病理過程中發揮重要作用，例如基底膜的降解，ECM的重構，結締組織的更新，血管的發生，再生，創傷的修復，腫瘤的發展和轉移。

MMP家族在人類目前已發現了20幾位成員，新成員還不斷被發現。根據其底物的特異性可將其分為五類［1］:(1)膠原酶，包括從纖維細胞、巨噬細胞、上皮細胞來源的膠原酶MMP-1，從中性白細胞中得到的膠原酶MMP-8、MMP-13和MMP-18。主要水解底物是膠原纖維，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ型膠原和基底膜成分。(2)明膠酶，包括主要由結締組織細胞來源的MMP-2和主要由中性白細胞和巨噬細胞分泌的MMP-9，即明膠酶A、B，其主要底物是明膠，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型膠原和基底膜成分，MMP-2還可以分解纖維粘連蛋白(FN)和層粘連蛋白(LN)；(3)基質降解酶類，包括MMP-3，-10，-11，其底物比較廣泛，主要降解Ⅲ、Ⅳ、Ⅸ型膠原LN、FN、蛋白多糖及明膠等，并能激活某些MMP；(4)膜型酶，包括MMP-4，-15，-16，-17，-24，-25，是新發現的一類，能降解幾種ECM成分，有些可激活其他MMP；(5)未分類MMP，包括MMP-6，-7，-12，-19，-26，-28等，較復雜，有些底物仍不詳。

所有MMP家族成員的cDNA序列具有同源性，編碼4個蛋白結構區。(1)信號肽結構，與MMP合成與分泌有關；(2)前肽結構，其中含一個高度保守的PRCGVPDV氨基酸序列，在大多數MMP酶原活化中有重要作用；(3)催化結構，在所有MMP的催化結構域中都含有一段十分保守的氨基酸序列:HE-X-GH-X-X-HS-X-M，其中的三個組氨酸被認為可以酶活性中心部位Zn2+結合而形成配位鍵(用H表示)，從而對酶的催化活性起主要作用；(4)C-末端區，約200個氨基酸殘基組成，該區調節MMP前肽與組織金屬蛋白酶抑制劑(tissueinhibitorsofmetalloproteinase，TIMP)結合，在底物選擇特異性中起作用或與特定細胞表面受體相互作用。

此外，此家族成員還均具有以下特征［2］：(1)是一種蛋白水解酶，可降解至少一種ECM；(2)激活部位含有鋅離子，由此控制與酶的接觸反應；(3)以酶原形式分泌，之后由纖溶酶和尿激酶的激活物裂解激活而發揮作用；(4)需要鈣離子保持其穩定性，在中性活化的pH環境中發揮重要作用；(5)MMP的激活受TIMP或α2-巨球蛋白的抑制。

2MMP活性的調節

MMP在正常組織中水平很低，當體內需要時，信號才傳導至細胞，在細胞上轉錄調控，合成分泌MMP，反之酶則停止活動，MMP活性消失。故MMP在體內的調節十分嚴格和精密，可分為基因水平調節、酶原活化調節、活化后調節。

2.1轉錄水平的調節

大量研究表明［3］，多數生長因子，包括表皮生長因子(EGF)、堿性成纖維細胞因子(b-FGF)、血小板源生長因子(PDGF)、腫瘤壞死因子(TNF-α)、IL-1、IL-6及激素、炎細胞因子能刺激MMP在轉錄水平的表達。在大多數MMP(MMP-1、MMP-3、MMP-9等)基因的調節序列中，含有TATA盒，在此TATA盒前，存在多種轉錄調節因子結合位點，多種原癌基因如c-fos和c-jun的表達產物，能與這些位點結合，刺激MMP的轉錄，也就是說，當某種刺激因子引起細胞增殖、ECM產生增多的同時，也誘導了MMP的表達，這可能是正常組織保持ECM動態平衡的重要機制之一。與其他MMP不同的是，MMP-2基因的調節序列不含TATA盒，其表達也很少受原癌基因的影響，被認為是一種典型的管家基因。MMPmRNA的表達受許多因素的影響，如神經激素、細胞因子(CK)、化學因素等，它們對MMP基因的啟動區產生誘導或抑制作用，從而啟動或關閉MMPmRNA的表達。

2.2酶原活化調節

多數MMP是以酶原的形式分泌的，活化后才能在細胞外間隙選擇性與ECM成分結合，可由纖維蛋白溶酶依賴和非依賴性兩條途徑介導活化，纖維蛋白溶酶原能被其激活劑，如尿激酶類纖溶酶原激活劑，轉變為纖維蛋白溶酶，后者是大部分的MMP的強大激活劑［4］。MMP間的相互激活也是其酶原活化的重要方式，如膜型MT-1可激活MMP-2，MMP-2又可激活MMP-9［5］。MMP的活化機制尚未完全明了，目前多數學者認為MMP酶原的前肽區包含一半胱氨酸(Cys)肽鏈內切酶開關序列，此序列與催化活性中心的Zn2+結合成配位鍵，使酶的活性中心被覆蓋，不能與底物接觸，在某些條件下，活化劑可直接打斷Cys-Zn2+間的配位鍵，或引起前肽區裂解掉，使酶活性中心暴露而活化。

2.3基質金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMP）的調節TIMP是一組多基因家族的編碼糖蛋白，是MMP的內源性特異性抑制因子，有資料證明，維持ECM正常代謝的關鍵在于MMP與TIMP之間的分泌平衡［6］。目前發現的TIMP有四種:TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4［7］。不同的TIMP對MMP的活性抑制具有特異性，而研究最多的是TIMP-1和TIMP-2。TIMP-1可由巨噬細胞和結締組織細胞產生，廣泛存在于組織和體液中，能被多種細胞因子誘導產生，也能抑制大多數MMP活性，它與活化的MMP以1:1非共價結合而抑制MMP，也可與MMP酶原形式結合阻止其活化；TIMP-2隨MMP-2的表達而表達，很少受細胞因子的誘導，TIMP-2主要通過與MMP酶原結合抑制MMP-2，但也抑制其他MMP；TIMP-3是一種結合ECM的非可溶性蛋白，僅存在于ECM中；TIMP-4具有器官特異性。TIMP一方面結合酶原避免無活性的MMP激活，另一方面可形成MMP-TIMP復合物，阻斷MMP與底物結合，從而抑制MMP活性。故TIMP不僅與酶的催化位點相結合，還阻止酶原活化。另據報道，還有一類MMP的血漿抑制劑—α2-巨球蛋白(α2-M)，也可抑制MMP活性，其抑制作用是通過與酶的催化位點結合而實現的［8］。

3MMP與POAG

3.1小梁網上MMP和POAG

小梁網分為:葡萄膜小梁網、角鞏膜小梁網和內皮小梁網，后者構成Schlemm管的內側壁，由薄層長形內皮細胞組成，3/4的房水外流阻力在此形成。正常人眼小梁網細胞外基質（ECM）主要包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型膠原蛋白，纖維連接蛋白和層粘連蛋白，透明質酸、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素和硫酸角質素等5種氨基多糖［9］。正常情況下ECM處于不斷產生和降解的動態平衡中，病理下ECM增多或(和)降解減少導致ECM過多堆積影響組織功能。故ECM正常生理功能是保證房水外流通暢的重要因素。POAG患者小梁網中細胞外基質異常堆積，如:彈力樣纖維鞘源性物質、彈力蛋白、纖維連接蛋白增多［10］。現已證實在人類的小梁網細胞上存在著MMP與TIMP，并認為兩者作用的平衡性對正常人眼維持小梁ECM與房水外流通暢十分重要［11］。小梁細胞中有大量的MMP-2表達和少量的TIMP-1、TIMP-2表達，分別對ECM進行降解。MMP/TIMP比例發生變化可引起病理改變［12］。也有研究發現原發性開角型青光眼中小梁網及房水中TIMP-1水平比正常和其他類型青光眼病人有顯著增高，而MMP活性卻顯著降低［13］。正常情況下MMP的表達與其抑制劑的表達處于動態平衡中，此平衡調節對ECM正常功能具有重要意義。MMP過多表達可致組織損傷破壞，影響愈合功能；TIMP過多表達則造成ECM堆積。現代研究表明，青光眼患者小梁細胞數目的減少及其細胞外基質含量的改變使小梁網網眼狹窄或塌陷導致了原發性開角型青光眼［14］。有實驗證明，激光作用于小梁網后，MMP-3、MMP-9及TIMP-1表達增加［15］。故氫激光成形術可通過增加MMP的表達而使ECM降解增加從而提高房水外流量。

3.2POAG時房水中MMP表達及調節

有學者在人類器官外植塊灌注模型中，在灌注介質中加入等量的活化的MMP-3和MMP-2，-9，房水流出通暢率增加160%。相反，當灌注介質中加入TIMP-2，灌注量將比處理前減少40%［16］。在POAG患者的房水中MMP-2、MMP-3和TIMP-2的濃度較正常升高，但MMP-2的活性并無明顯升高［17］。據此推斷在POAG發病機制中MMP的活性起關鍵作用。這些研究表明房水中局部MMP-TIMP平衡的改變及MMP活性的降低可能增加小梁網異常的細胞外基質的堆積，增加房水流出阻力，這可能涉及POAG的發病機制。

一些研究發現，在人類房水中存在著轉化生長因子β（TGF-β）、尿激酶型纖溶酶原激活劑，MMP及其抑制劑TIMP［18］。TripathiRc［19］等人發現正常人房水中含TGF-β1和TGF-β2，并且以后者為多，在POAG患者的房水中的TGF-β2含量明顯高于正常人，TGF-β能促進MMP的分泌和合成，其異常表達與炎癥過程有關。因此推斷TGF-β2在POAG的發病機制中發揮重要作用。而尿激酶型纖溶酶原激活劑是MMP的內源性激活劑，MMP均以酶原的形式分泌，它必須激活后才能降解膠原和其他基質蛋白。研究發現，慢性前葡萄膜炎時，房水中的MMP-2、MMP-3、MMP-9都有所提高，TIMP的表達也增高，但兩者無數量平行關系，MMP水平的變化不隨TIMP的表達而改變，這可能是慢性前葡萄膜炎組織損傷導致繼發性青光眼的潛在因素。

3.3POAG時MMP對視神經的影響

研究證實，猴青光眼模型篩板中活性星型膠質細胞內ECM的MMP-1大量增加是對眼壓升高的反應，不是由于視神經軸突喪失后繼發的反應［20］，POAG時眼壓升高引致ECM結構的修復和星型膠質細胞的活化，它最終將導致篩板層板的萎縮和塌陷以及軸突支持作用的喪失，為青光眼視神經乳頭的研究提供了一個新方向。

綜上所述，MMP在原發性開角型青光眼發病機制中起著重要作用，對MMP的活性、調節和抑制的研究，將使對青光眼發病機理的探討提高到分子水平，將為青光眼的治療提供新思路。

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