运动对衰老的骨骼肌中MMPs及TIMPs的影响

杨洲

(华东师范大学体育与健康学院 上海 200241)

运动对衰老的骨骼肌中MMPs及TIMPs的影响

杨洲

(华东师范大学体育与健康学院 上海 200241)

衰老过程中会伴随着肌肉质量的下降；细胞外基质的减少；胶原蛋白沉积。基质金属单蛋白(Matrix metalloproteinases,MMPs)能降解胶原蛋白，运动能影响基质金属蛋白、基质金属蛋白抑制剂(Tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的表达，从而对胶原蛋白产生影响，以致影响骨骼肌。这在一定程度上为骨骼肌重塑提供了思路。

骨骼肌 细胞外基质 衰老 运动 MMPs TIMPs

骨骼肌细胞外基质约占骨骼肌重量的10%，而骨骼肌细胞外基质中胶原蛋白的含量约为85%。衰老与稠密的细胞外基质沉淀物和肌卫星细胞功能丢失有紧密联系，这会导致再生能力和力量的减少[1]。MMP和TIMPs共同维护胶原蛋白的稳态，本文通过介绍骨骼肌细胞外基质，阐述衰老对骨骼肌细胞外基质的影响以及运动对MMPs、TIMPs的影响。

1 细胞外基质与骨骼肌细胞外基质

1.1 细胞外基质

细胞外基质(Extracellular Matrix，ECM)是由细胞合成并分泌到细胞外，分布在细胞表面或细胞之间的大分子物质，由基底膜(basement membrane，BM)和细胞间基质组成，是阻止肿瘤细胞转移的重要组织屏障。其主要成分包括糖胺聚糖、蛋白聚糖、胶原蛋白和弹性蛋白、纤连蛋白(fibronectin，FN)和层粘连蛋白(laminin，LN)。细胞外基质通过膜整合蛋白将细胞内外连成整体，参与细胞生存及调亡，决定细胞的形状并控制细胞的分化及细胞的迁移[2-5]。

1.2 骨骼肌细胞外基质

细胞外基质在骨骼肌组织发育，结构维持和力量传递中发挥着重要作用。细胞外基质占肌肉重量的10%左右，由三层组成，肌内膜，其包裹单一的肌纤维，肌束膜，其分开肌肉呈束，肌外模，其为整个肌肉提供外部支持。基底膜是细胞外基质的特殊层，其存在与每条肌纤维膜和和周围肌内膜之间。其再被分为网状板，主要包括：(1)胶原纤维(胶原蛋白1，3，6)和纤维连接蛋白；(2)内部基底膜，有非纤维胶原蛋白(胶原蛋白4，)和层粘连蛋白组成[1]。

2 胶原蛋白

胶原蛋白(也称胶原)是细胞外基质(ECM)的主要成分，约占胶原纤维固体物85%，占体内蛋白质总量的25%～30%。胶原中含有大量的甘氨酸，约占总氨基酸的27%，其一级结构均为“Gly-X-Y”重复序列，其中脯氨酸和羟脯氨酸的含量特高，占胶原氨基酸的14%，这两种氨基酸是胶原特有，而色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低，因此，胶原属不完全蛋白质.胶原呈乳白色的一种多糖蛋白，具有很强的延伸力，不溶于水，在酸中可溶解[6]。

胶原是骨骼肌ECM最丰富的结构成分，不仅支持组织结构，而且为肌细胞生长、分化和形变提供条件和迁移的结构基础。骨骼肌胶原主要(超过90%)包括3种亚型，即胶原蛋白I、III，IV。I型和IV型胶原蛋白属于纤维类胶原，IV型胶原蛋白是基底膜最丰富的结构成分[7-8]。

3 衰老对骨骼肌细胞外基质的影响

肌肉细胞外基质的结果变化与随年龄增加的肌肉力量和机械性能有关。研究发现随着年龄的增长会出现胶原沉积。

进一步的研究表明I型胶原比例增加III型胶原比例下降。随着年龄的增长慢肌基底膜IV型胶原浓度增加，层粘蛋白浓度下降。肌肉的弹性横量会随年龄的增加而增加。胶原沉积会造成基膜厚度增加，这会影响卫星细胞与肌纤维的物理联合。细胞外基质蛋白如，纤连蛋白，弹性蛋白，层粘蛋白的受损降解产生的蛋白水解碎片积累增加，会近进一步限制卫星细胞与邻近细胞和肌纤维的相互作用。通过利用刚度可调节水凝胶显示，弹性横量为2kPa时卫星细胞更有可能增殖，弹性横量为18kPa（与在受损老年肌纤维中观察到的相同）时卫星细胞更有经历分化，因此细胞外基质的这些变化在老年骨骼肌再生能力下降这个方面有重要影响[7-9]。骨骼肌细胞外基成分的变化是改变其物理特性的关键，而正是这改变的物理特性影响了骨骼肌卫星细胞的生物特性。

4 MMPs/TIMPs

Gross和Lapiere在1962首次发现MMP[10]，MMPs可由单核细胞、巨噬细胞、血管平滑肌细胞、淋巴细胞、中性粒细胞、纤维母细胞、神经元、神经胶质细胞、内皮细胞及癌细胞细胞分泌[11]。

MMPs被称为基质金素蛋白，由于其活性依赖于锌、钙、镁等离子，所以称之为金属蛋白酶[12-13]。根据其结构和组织特异性，MMPs可被分为6组：胶原酶，明胶酶，间质溶解素，解素，膜型MMPs，以及其他的未划分MMPs。其中胶原酶包括M M P1、M M P8、M M P13；明胶酶包括MMP2、MMP9；基质水解酶包括MMP3、MMP7、MMP10、MMP11、MMP12；模型MMPs包括MMP14、MMP15、MMP16、MMP17；未划分的MMPs包括MMP19和MMP20[14]。

相关研究报道MMPs大都含有几个高度保守的相同结构片段。(1)信号肽区域；(2)前肽区域(激活时去除)；(3)含Zn2+结合区催化区域；(4)铰链区域；(5)血红素结合蛋白区域，在乙酰氨基苯汞（APMA）作用下，切断末端，形成具有活性的酶，选择作用与肽链中，其断端具有共同序列PRCGVPD，催化区域含Zn2+结合区，MMP2和MMP9具有明胶酶结合区，膜型金属蛋白酶有细胞膜贯通区域，这些都与MMPs结合并降解ECM有关[15]。其中MMP9的分子量为92～97kDa，可降解Ⅳ、V、Ⅺ、Ⅸ型胶原。且主要以Ⅳ型胶原为主。众多研究证实Ⅳ型胶原是基底膜的重要成分。

M M Ps受特殊组织金属蛋白酶抑制剂（TI M Ps）调整，TIMP家族已经确定的成员有四个其中包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4。TIMP-1由大多数的结缔组织和巨噬细胞分，TIMP-1降解所有类型的胶原酶，基质溶解酶、明胶酶。

TIMPs蛋白含有184～194个氨基酸，其分子量约为21kDa[16]。TIMPs成员大约有40%的氨基序列相同，TIMPs的抑制能力也来源于N-末端区[17]。蛋白酶抑制功能涉及五个关键的N-末端氨基酸(Cys1 Thr Cys Val Pro5)其使“楔型”的TIMPs蛋白形成了一个脊，这个脊嵌入到基质金属蛋白的激活位点即保守的Cys1残基处于催化的Zn2+之上，取代肽键水解所需的原子[16-18]。2～5个残基与蛋白酶次位点相互作用决定蛋白酶底物的特异性并促进高亲和绑定。在TIMP-1中由于9个残基，其C-末端区尾巴更短，TIMP-2和TIMP-4带负电荷，TIMP1和TIMP3不带电，在这里其能被糖基化。这个区域是TIMP绑定到MMP血红素结合蛋白区的关键[19]。X射线晶体和核磁共振（NMR）溶液结构，主要用于决定MMP结合TIMP的N-末端复合物。TIMP以1∶1摩尔化学计量非共价特异性结合活化的MMP[18]。TIMP-1是某些膜型基质金属蛋白的弱抑制剂包括膜型1型基质金属蛋白酶（MT1-MMP；也被称为MMP14）[16]，但其是MMP-3和MMP-7的有效抑制剂，TIMP2、TIMP3T、TIMP4能抑制绝大多数的MMP[20]。

5 运动对MMPs/TIMPs的影响

与年龄相关的肌再生能力下降是由于肌卫星细胞功能紊乱，老年肌卫星细胞展示了一种纤维转化，导致纤维化和损伤后的修复受损。虽然很多研究已经证明细胞外基质特性对干细胞命运的影响。Kristen M等人研究研究发现随着年龄的增加胶原蛋白的曲折会减少，肌肉的硬度增加。与年龄相关的细胞外基质的改变直接破坏了肌卫星细胞的应答，将肌卫星细胞移植到从离体老年肌肉中分离出来的细胞外基质与移植到年轻的细胞外基质相比，前者显示出了更多的纤维化标志物，以及降低的肌源性。与年轻的纤维母细胞相比，从老年的肌肉中分离出的纤维母细胞显示出更高的感受器细胞核水平[21]。由于骨骼肌卫星细胞处于基底膜的下方，骨骼肌受损部位需修复时，激活的骨骼肌卫星细胞需穿过基底膜到达受损部位，这样才能完成之后的修复过程。衰老的细胞外基质会出现胶原沉积，刚度增加，不利于肌卫星细胞的迁移，基质金属蛋白对于胶原蛋白具有降解作用，运动对于基质金属蛋白酶及其抑制的影响是否能改善这种沉积状况，值得关注，相关研究人员对于运动对MMPs/TIMPs的影响有一定的研究

JS Williams通过将21只Wistar大鼠随机分为3组(n=7组)：对照（SC）；RT4梯爬（RT-4；50，75，90和100%的最大承载能力）和RT8梯爬(rt-8每个负荷进行两组)。8周的RT训练包括垂直的1.1m的梯子和固定于动物的尾部的重量。MMP-2和9活性利用明胶酶谱法进行检测。结果显示rt-8与RT-4、SC腓肠肌相比其 MMP-2活性显著升高(P＜0.05)[22]。在大鼠的等长，向心和离心训练研究中，检测发现三种类型的训练都会增加I型和III胶原、MMP-2、TIMP-1和2[23]。

也有研究人员发现在冻伤的后3天MMP-2的表达大幅上调，冻伤7天后其MMP-2 mRNA的数量开始减少，损伤10天后MMP-2 mRNA恢复到骨骼肌再生进程的在冻伤的后3天MMP-2的表达大幅上调，冻伤7天后其MMP-2 mRNA的数量开始减少，损伤10d后MMP-2 mRNA恢复到骨骼肌再生进程的基线水平[24]。肌肉毒素损伤胫骨前（TA）的后3天MMP-9的活动大幅上调，3天后MMP-9 mRNA以及MMP-9 的数量开始下降[25]。

从这些研究中可以看出运动可使MMP的表达增加，以及其相应的抑制剂表达下降，但是不同的运动效果并不想同，甚至相同的运动结果却不一样，比如在运动对与MMP-2的影响上，有些研究发现有氧运动可上调MMP-2的表达，但是也有研究认为有氧运动对于MMP-2的表达并不能产生影响。某些条件下造成的肌肉损伤能对MMPs/TIMPs产生与运动对MMPs/TIMPs相同的效果。

运动能上调部分MMPs的表达，但对TIMPs的影响研究较少，MMPs高表达可降解胶原蛋白，甚至是破坏细胞外基质，但是衰老的骨骼肌细胞会出现基质胶原沉积，不利于骨骼肌卫星细胞的迁移，会对骨骼肌再生造成不利影响，但MMPs对于胶原蛋白的降解作用有利于改善改善胶原沉积，MMPs与TIMPs之间可能存在一定程度上的动态平衡，以达到改善胶原沉积的状况，促进细胞外基质的恢复。

6 结语

MMPs作为唯一能降解纤维类胶原的蛋白酶家族，与其抑制因子TIMPs相互作用，共同维护细胞外基质的稳态，可能MMPs/TIMPs之间存在一定的比例，而这个比例由于不同组织和不同的生理年龄而产生变化。MMPs过多必定会过度降解细胞外基质，众多研究显示急性运动会使MMPs表达过多，会破坏细胞外基质或造成炎症反应，MMPs过少在生长发育期可能会使胶原的表达过度，细胞外基质增厚，造成纤维化。机体存在一个高效机制，能应对外界的变化，调整自身的机能状态，MMPs/TIMPs的动态变化也在这个机制之中。衰老对于机体的影响会使之朝着紊乱发展，那么相应的措施对于某些机制的影响就必须采取，利用运动刺激MMPs的表达，改善衰老的骨骼肌细胞外基质也有一定的价值。

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