ADAM家族在呼吸系统疾病中研究进展

刘 荣，王慧敏，张 冬

(1.内蒙古科技大学包头医学院2017级研究生，内蒙古 包头 014040；2.内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院呼吸与危重症医学科)

呼吸系统是人体最重要的系统之一，是与外界空气进行气体交换的一系列器官的总称，包括鼻、咽、喉、气管、支气管及由大量的肺泡、血管、淋巴管、神经构成的肺、胸膜等组织。呼吸系统具有对吸入气进行加温、湿润、过滤、清洁作用和防御反射等保护功能，这种保护功能受年龄、性别、遗传因素、环境因素等影响。保护功能的减弱或缺失可导致呼吸系统疾病。另外，弹性蛋白降解酶的增加、抗弹性蛋白酶的降低、促炎细胞因子的增加、抗炎细胞因子的下降、巨噬细胞吞噬能力的降低等都会导致呼吸系统疾病。故维持弹性蛋白酶-抗弹性蛋白酶、促炎细胞因子-抗炎细胞因子的平衡、预防外界环境对上皮细胞纤毛的破坏、维持正常的免疫功能具有重要的意义。许多呼吸系统疾病的发生发展机制尚不清楚，生活方式干预和药物治疗的效果存在一定的局限性，具体有效的治疗方式有待进一步的研究。

锌金属蛋白酶(ADAM)家族是一类锚定于细胞膜的细胞表面蛋白家族，其成员众多。它们虽具有相同的结构域却又不完全相同，其中金属蛋白酶域、去整合素样结构域、半胱氨酸富集域、胞质尾是这一家族成员共有的结构域，它们分别在细胞外基质的水解、细胞-细胞、细胞-基质的粘连、细胞融合及信号转导中具有重要作用，并且广泛参与到各种正常的生理功能和病理过程中，如受精、神经发生、肌发生、脂肪发生、骨骼发育、神经嵴细胞迁移、肺的分支形态发生、肿瘤的增殖转移和炎症进展中。随着科学技术的发展，越来越多的ADAM家族成员被发现与呼吸系统疾病的免疫调节、气道重塑、呼吸道炎症、肺癌的侵袭性和转移密切相关。因此，ADAM家族成员很可能作为新型生物标志物预测呼吸系统相关疾病，并为呼吸系统相关疾病的防治带来新的可能。本文就ADAM家族的结构、功能及其在呼吸系统疾病中的研究现状予以综述。

1 ADAM家族各结构域及其相应的特点

1.1前结构域 它被认为是控制催化域折叠的分子内伴侣。前结构域将蛋白酶域保持在潜在状态，并可能影响细胞内转运[1]。大多数前结构域都被分泌途径中的前蛋白转化酶除去,仅解聚蛋白样金属蛋白酶(ADAMs)8和28已被证明进行了自催化前域去除[2-3]。与大多数麦曲菌素类似，该金属蛋白酶前结构域包含一个“半胱氨酸交换盒”，被认为是由半胱氨酸开关机制激活。有研究表明，前结构域的附加功能有助于维护ADAM17(TACE)潜在状态下的催化域[1]。

1.2金属蛋白酶域 ADAM家族中的成员均有金属蛋白酶结构域，但是仅有约一半表现出蛋白水解活性，提示ADAM发挥功能的方式是通过与其他水解酶互动合作，或者通过非蛋白水解的方式介导生物学作用。绝大多数的ADAM锚定于细胞膜，在细胞周围空间发挥作用。

1.3去整合素样结构域 ADAMs在膜锚定蛋白和非基因蛋白中具有独特的去整合素结构域，而ADAMs蛋白仅具有去整合素样结构域[4]。ADAM去整合素域可以与整合素相互作用。

1.4半胱氨酸富集区域 所有ADAM都在跨膜结构域之前包含一个富含半胱氨酸的结构域。有结果表明，富含半胱氨酸的区域对某些ADAM的生物活性很重要。例如：含有ADAM12富含半胱氨酸结构域的重组体可与多聚体相互作用，促进β1整合素介导的细胞迁移[5]；非洲爪蟾ADAM13富含半胱氨酸的结构域对于体内指定蛋白酶导向活性至关重要；ADAM14(UNC-71)是一种非蛋白水解酶的ADAM，其等位基因的功能缺失与其富含半胱氨酸的结构域相对应。

1.5胞质尾区 ADAM家族胞质尾的长度和组成各不相同。其中一些受选择性剪接的影响，许多含有一个或多个SH3结合位点或丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸磷酸化位点。并且许多衔接蛋白以ADAM的形式出现。细胞质尾部的磷酸化或结合结合蛋白可能影响ADAM成熟(例如前结构域去除)、运输(例如到细胞表面)、膜定位(例如到rafts)、与细胞骨架元素的关联或蛋白水解活性。此外，有人认为，ADAM12胞质尾部与α-肌动蛋白-1和α-肌动蛋白-2之间的相互作用影响成肌细胞融合[6]。

1.6其它 间隔区域、跨膜区域。

2 ADAM信号传导方式

ADAM介导的脱落可引起细胞外信号传导，也可先于引起细胞内信号传导的分裂事件。也正是由于上述原因ADAMs还可以影响细胞-细胞和细胞-基质的相互作用。

2.1ADAM参与细胞外信号传导的方式—提供细胞外信号配体 在最简单的模式下，ADAM通过在其并置膜区域切割一个位点来组成性地剥离膜和基质。释放的配体(如生长因子或细胞因子)随后可通过结合同源细胞表面受体(如生长因子和细胞因子受体)来启动自分泌或旁分泌的细胞外信号通路。可激活ADAMs的物质：(1)G蛋白偶联受体(GPCR)配体；(2)肿瘤坏死因子可诱导ADAM17产生转化生长因子-α(TGF-α)，从而激活与肝细胞复制相关的表皮生长因子受体(EGFR)反应[7]；烟草烟雾也被证明通过EGFR信号转导途径激活ADAM17，产生双向调节因子，导致肺上皮细胞增殖或者产生TGF-α以增加黏蛋白的产生[8-9]。

2.2ADAM参与到细胞内信号传导的方式—the Notch Paradigm(缺口信号) ADAM10已被证明对小鼠的缺口信号传导至关重要[10]。Notch缺口实际上是一种细胞表面受体,它的大外域可以通过ADAM10去掉。在ADAM10介导的脱落之后，早老素在Notch的跨膜域中切割一个位点，产生的片段离开细胞膜并传到细胞核，影响基因转录。有研究表明，其他ADAM介导的脱落事件先于导致细胞内信号传导的类似膜内分裂。ADAM介导的两种缺口配体，三角状和锯齿状加工，如细胞基质黏附分子，CD44，HB-EGF。其他可能受到ADAM引发的切口样蛋白水解级联作用影响的重要分子是ErbB4、神经调节蛋白以及N-钙黏蛋白[11-13]。

2.3ADAMs影响细胞-细胞和细胞-基质黏附方式 (1)ADAMs可通过结合到相邻细胞上的整合素促进细胞间的黏附[14]；相反，它们可通过释放细胞间黏附分子，如L1、CHL1、VCAM和选择素，抑制细胞间黏附。(2)ADAMs可通过结合到细胞外基质(ECM)或者通过激活β1整合素促进细胞基质黏附[15-16]；相反，它们可通过其去整合素结构域和富含半胱氨酸结构域相互作用抑制细胞基质黏附，从而削弱细胞基质相互作用。(3)ADAMs还可通过脱落细胞基质黏附分子，如多聚体和CD44调节细胞-基质间的黏附[17-18]。上述研究表明，SVMP(蛇毒金属蛋白酶)和ADAMs可通过剪切整合素对细胞-基质的黏附产生负面影响。

2.4ADAMs影响细胞迁移方式 (1)ADAMs可通过调节细胞-细胞或细胞-基质黏附影响细胞迁移，这可通过作用于迁移细胞或迁移途径中的细胞实现。(2)ADAMs也可通过释放刺激产生或直接产生细胞迁移的配体(影响细胞和细胞基质相互作用)来促进细胞迁移。ADAMs释放的许多物质可以参与这些活动，包括表皮生长因子家族成员、趋化因子、肾上腺素、CD44、突触蛋白聚糖、部分试剂盒或表皮生长因子家族成员(如ErbB4)、肾上腺素或化学引诱剂的受体。例如，多聚体可能由模型基质金属蛋白酶(MTMMPs)和ADAMs介导的脱落促进细胞迁移[25]。Shed-l1也刺激细胞迁移，并已提出通过与整合素相互作用来实现[19]。(3)ADAMs还可通过切割ECM促进细胞迁移。这可能是通过切割释放结合到细胞外基质的活细胞生长因子，直接从细胞表面脱落活细胞物质，或切割细胞外基质成分(如层黏连蛋白和纤维蛋白)，以揭示隐藏部位。反过来说ADAMs还可以局部降解或重塑ECM，以帮助清除细胞迁移的途径。

3 ADAM家族在呼吸系统疾病中的研究进展

3.1支气管哮喘 支气管哮喘是一种以自发和治疗后均显著可变的气流阻塞为特征的疾病，是世界上最常见的慢性疾病之一。目前全球患者约3亿人。过去30年间，哮喘在发达国家的患病率逐渐升高，目前基本趋于稳定，成人患病率为10 %～12 %，儿童约15 %。发展中国家哮喘的患病率较低，但由于城市化发展，患病率也有所上升。研究表明ADAM家族中的部分成员不仅参与支气管哮喘患者的免疫调节和气道重塑过程，而且还在支气管哮喘模型中起到减轻气道炎症的作用。

有研究表明，在成人组织中，ADAM8除了在淋巴器官、胸腺、脾脏以及唾液腺上皮和肾小管上皮细胞中表达，还在肺中表达，而且在肺中的表达仅限于不同呼吸细支气管的上皮细胞，在实验性过敏性哮喘诱导下，这些细胞中ADAM8的表达上调，这表明ADAM8有可能在支气管哮喘的免疫调节中起作用[20]。ADAM17有20多个底物是炎症调节因子，其中SDC4(聚癸烷-4)与哮喘有关；研究表明，在使用卵白蛋白致敏小鼠的哮喘模型中，用抗体阻断SDC4信号可减少嗜酸细胞性气道炎症[21]，间接说明了ADAM17在支气管哮喘中起到炎症调节作用。在中国哮喘患者中，ADAM33 T2、Q1和F+1多态性与哮喘风险的增加显著相关[22]；此外，由于其在上皮细胞、肌/成纤维细胞和气道平滑肌细胞中的高表达及其在促进血管生成和刺激细胞增殖和分化中的作用，推测ADAM33可能在气道重塑中起到作用[23],这将开启ADAM33作为哮喘治疗目标的可能性。

3.2原发性支气管肺癌 原发性支气管肺癌是原发于气管、支气管黏膜或腺体的肺部恶性肿瘤。原发性支气管肺癌是目前最常见的恶性肿瘤之一，是美国癌症死因的第1位。好发年龄为中老年人群，男性发病率比女性高60 %，近年来女性腺癌发病率有升高趋势。支气管肺癌的表现复杂多样，5 %～15 %的患者无症状，仅在体检时发现。主要表现为咳嗽、痰血、喘鸣、胸痛等局部症状和体重下降、副癌综合征以及原发性支气管肺癌转移所致的症状。

有研究表明ADAM家族成员与原发性支气管肺癌的发生发展有关。ADAM9与肿瘤的侵袭性和进展相关。为确定转移与ADAM9的关系，检测了EBC-1肺癌细胞系的表达，研究证实该细胞系高度转移到大脑或骨骼[24]。稳定的ADAM9在EBC-1细胞中的转染导致侵入能力增加，对脑组织的黏附力增加，整合素α3β1的表达增加。这些结果均提示ADAM9与肺癌的侵袭性和转移相关，并有预后作用。研究表明，ADAM12在以高度侵袭性、恶性转移为特征的小细胞肺癌(SCLC)中的表达明显高于健康对照组，并且通过破坏ECM屏障发生广泛转移。用特定siRNA抑制H1688细胞中ADAM-12的表达，可显著降低细胞增殖、侵袭和转移。补充ADAM-12-L或ADAM-12-S在H345细胞中的表达，显著增强细胞增殖、侵袭和转移。转移性SCLC的动物模型也表现出ADAM-12的表达增加，同时侵袭和转移也增强[25]。总之，ADAM-12参与了SCLC的增殖、侵袭和转移，是一个评估小细胞肺癌预后的独立因子和诊断标志物。ADAM17通过Notch1的分裂来调节EGFR的mRNA转录，从而增加非小细胞肺癌细胞系中的EGFR表达[26]，提供了EGFR/ADAM17轴的一个正反馈机制，即ADAM17可通过ADAM17/EGFR途径激活；另外ADAM17可通过从非小细胞肺癌细胞系中分裂Notch1调节EGFR mRNA的转录，并增加细胞表面的EGFR表达。

3.3慢性阻塞性肺疾病(COPD) COPD是一种以不完全可逆的气流受限为特征的肺部疾病。在美国，COPD位于死亡原因的第3位，患者数超过一千万人。预计至2020年，COPD将从全球常见死亡原因的第6位上升至第3位。全世界范围内，COPD对公共卫生越来越重要。所以，为治疗COPD提供新的思路也就显得尤为重要。

ADAM17和EGFR都参与了以囊性纤维化和慢性阻塞性肺病为特征的广泛事件，如黏液过度表达、细胞因子分泌、气道上皮细胞伤口愈合、气道异常增殖、屏障完整性维持和进行性肺组织瘢痕形成素[27-31]。它们都在细菌或病毒感染和炎症时被激活。虽然这是一种有效和必要的反应，但有人认为，慢性状态下气道上皮信号的过度表达可能加剧炎症，并可能导致肺部结构的永久性损伤。

3.4急性肺损伤(ALI) ALI是各种直接和间接致伤因素导致的肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质及肺泡水肿，导致的急性低氧性呼吸功能不全。以肺容积减少、肺顺应性降低、通气/血流比例失调为病理生理特征，临床上表现为进行性低氧血症和呼吸窘迫，肺部影像学上表现为非均一性的渗出性病变，其发展至严重阶段(氧合指数<200)被称为急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。根据1994年欧美联席会议提出的ALI、ARDS诊断标准，2005年美国ALI、ARDS发病率分别在每年79/10万和59/10万。另外，危险因素持续作用时间越长，ALI、ARDS的发病率越高，危险因素持续24 h、48 h及72 h时，ARDS患病率分别为76 %、85 %和93 %。虽然不同研究对ALI、ARDS病死率的报道差异较大(15 %～72 %)，总体来说目前ARDS的病死率仍较高。

ADAM17引导受体新生素促进急性肺损伤期间的肺部炎症，这种情况明显受到从血管腔到肺泡腔的中性粒细胞外渗和迁移的影响[32]。ADAM15的上调通过促进内皮细胞的高通透性和中性粒细胞的迁移而导致炎症性肺损伤，而ADAM15缺乏可降低脂多糖治疗小鼠的肺通透性和急性肺损伤[33]。以上研究表明，ADAM家族成员间接参与急性肺损伤的发病机制，ADAM家族成员可能成为治疗ALI或减轻ALI期间的炎症反应的潜在靶点。

4 总结

综上所述，ADAM家族与呼吸系统的联系非常紧密，不仅参与哮喘气道炎症的调节、肺癌细胞的增殖、侵袭和转移，还参与慢性阻塞性肺病和囊性纤维化的黏液过度表达、细胞因子分泌、气道上皮细胞愈合、气道异常增殖、屏障完整性维持和进行性肺组织瘢痕形成过程。当然，对ADAM家族的研究还在继续，它的功能正逐渐被人们所发现并应用于临床实践中，如对小鼠的研究表明，通过转基因敲除或抗体阻断ADAM8功能，可降低哮喘的严重程度，为临床治疗哮喘提供了潜在药物靶点[34]；还有很多ADAM家族中的成员，因其在呼吸系统疾病的参与中发挥的作用，故所有促进其增加、抑制其减少的药物极有可能为呼吸系统疾病的治疗提供新的研究方向。