基质金属蛋白酶14在肿瘤中的研究进展*

潘成云 综述,刘 萍,王季石 审校

(贵州医科大学附属医院血液科,贵阳 550004)

肿瘤的发生、发展、浸润和转移是由肿瘤细胞和肿瘤微环境共同参与的多步骤、复杂的病理过程。在这过程中,基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)是降解、破坏细胞外基质(extracellular matrix,ECM)和基底膜,为肿瘤细胞解除屏障进而促进肿瘤侵袭、转移的关键蛋白酶。

MMP是一组锌依赖性内肽酶,除可以降解ECM外,还可以作用于蛋白激酶、细胞表面分子、生长因子及趋化因子等。根据底物的特异性和序列的相似性,MMP主要分为5类:胶原酶、明胶酶、间质溶解素、基质溶解素和膜型MMP。其中胶原酶包括MMP-1、MMP-8及MMP-13,能够降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原,同时可以消化一些ECM及非ECM分子;明胶酶又称为Ⅳ型胶原酶,包含MMP-2和MMP-9,能够降解Ⅳ型胶原蛋白;间质溶解素及基质溶解素(MMP-3、MMP-10、MMP-11、MMP-7、MMP-26等)可降解蛋白多糖、纤维连接蛋白和Ⅳ型胶原等;膜型MMP(MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17等)则不同于其他MMP,该类酶表达在细胞膜表面,具有跨膜功能区域,能够降解明胶、纤维连接蛋白、蛋白聚糖等ECM成分。

在基因结构上,MMP家族成员具有一定的相似性,其主要由5个功能不同的结构域所组成:(1)疏水信号肽序列;(2)前肽区,主要起着维持酶原稳定性的功能,当外源性的酶切断前肽区后,MMP酶原能够被激活;(3)催化活性区,该区域含锌离子结合位点,对酶的催化具有至关重要的作用;(4)铰链区;(5)羧基末端区,该区域与酶的底物特异性相关。

在多种MMP中,MMP-14为一种锚定膜蛋白,也称为膜型MMP,与其他MMP成员具有类似的基本结构域,同时在前肽区和催化活性区之间存在一个RRKR基序,该基序能够被弗林蛋白酶识别并水解,进而激活MMP-14。在功能上,MMP-14能够消化Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原及其他ECM成分(蛋白多糖、纤维连接蛋白等),并通过激活MMP-2,分解Ⅳ型胶原导致基底膜重构。在肿瘤进展过程中,MMP-14除能够降解ECM和激活MMP-2以外,还可通过调节细胞间相互作用、促进上皮间质转化等方式促进肿瘤细胞的增殖、迁移和转移。目前的研究中,针对MMP-14在肿瘤中的探索主要通过生物信息学分析筛选、临床标本检测及体外细胞实验等方式对MMP-14扮演的角色进行披露。本文就MMP-14在肿瘤发生、发展中的研究和意义做一综述。

1 生物信息学分析筛选MMP-14在肿瘤中的表达及意义

在关于MMP-14的探索中,多项研究通过生物信息学分析探讨了其与肿瘤发生、进展的相关性及潜在的预后价值。LI等[1]通过整合分析TCGA、Oncomine及Kaplan-Meier Plotter数据库的研究分析,发现MMP-14的表达与多种肿瘤的预后及免疫侵袭高度相关。对于消化系统肿瘤更具体化的数据,DUAN等[2]通过纳入20项研究对消化系统肿瘤进行meta分析,同时结合GEPIA和Kaplan-Meier Plotter数据库进行生存分析,发现MMP-14在正常组织中的表达水平高于消化系统肿瘤组织,但肿瘤中高表达MMP-14往往与消化系统肿瘤不良预后相关。随后,多个研究探讨了MMP-14在不同消化系统肿瘤中的表达和作用。WANG等[3]在胃癌中的研究发现,MMP-14在胃癌组织中高表达,其与胃癌患者较短的总生存(overall survival,OS)率和无复发生存(recurrence-free survival,RFS)率相关。且MMP-14高表达患者的肿瘤分化程度较差、肿瘤浸润较深、淋巴结转移和远处转移较早,临床分期较晚。在胰腺腺癌的研究中,LI等[4]通过GEPIA数据库探索发现,MMP-14和胶原蛋白COL12A1高表达的胰腺腺癌患者预后较差。另两项关于胰腺癌的研究亦显示,MMP-14与胰腺癌的病理分期及不良预后密切相关[5-6]。而在直肠癌中,YU等[7]研究显示,高表达MMP-11、MMP-14、MMP-16、MMP-17、MMP-19及MMP-23B与较高的肿瘤分期相关。其中,高表达MMP-11、MMP-14、MMP-17及MMP-19与更短的无进展生存(progression-free survival,PFS)率和RFS率相关。这些研究表明,MMP-14能成为上述消化系统肿瘤患者的预后判别因子及潜在的干预靶标。

在其他肿瘤的研究中,WANG等[8]通过GEO和Oncomine数据库中获取基因表达数据,分析MMP在葡萄膜黑色素瘤中的表达及预后价值,发现与正常的组织相比,包括MMP-14在内的多种MMP在葡萄膜黑色素瘤组织中表达增加,并在葡萄膜黑色素瘤病程进程中发挥了重要的作用。而在血液系统肿瘤的研究中,YIN等[9]通过GEO数据库获取3个数据集以探索弥漫大B细胞淋巴瘤患者MMP-14的表达和意义,结果发现MMP-14在弥漫大B细胞淋巴瘤组织中的表达明显高于正常组织,但与实体瘤中研究结果所不同的是,高表达MMP-14与弥漫大B细胞淋巴瘤更好的OS率和PFS率相关。

2 MMP-14在肿瘤组织中的表达及意义

肿瘤细胞的迁移和侵袭是由某些基质成分的选择性和特异性蛋白水解所推进或促成的。在该过程中,MMP对ECM的破坏尤为重要,其可能对ECM具有明胶分解及胶原蛋白分解的活性。MMP-14作为一种膜型MMP,在这方面起了关键性的作用,其通常在正常细胞中低表达,但在肿瘤细胞中往往高表达,且高表达MMP-14可能与肿瘤晚期TNM分期、肿瘤分级和淋巴结转移相关[10-12]。OGAWA等[13]通过检测96例胃癌组织及20例正常腹膜组织中的MMP-14表达,发现胃癌组织中MMP-14的表达水平明显高于正常组织,MMP-14高表达患者的OS率明显低于MMP-14低表达的患者。在多变量分析中,MMP-14 表达是胃癌患者OS的独立影响因素。KASURINEN等[14]的研究亦显示,高表达MMP-14的胃癌患者5年疾病特异性生存率仅为35.9%,而低表达MMP-14的患者5年疾病特异性生存率达45.3%。该研究还表明,胃癌患者血清中可溶性MMP-14 的高表达可作为预后不良的标志,且预示着肿瘤存在远处转移[15]。在另一项消化系统肿瘤的研究中,ZHANG等[16]通过检测142例食管鳞状细胞癌组织中MMP-14的表达,发现MMP-14在食管鳞状细胞癌瘤组织中高表达,且与食管鳞状细胞癌患者更差的疾病分期和更短的OS率相关。

在其他肿瘤的研究中,WANG等[17]通过临床随访数据及TCGA数据评估MMP-14在肌肉浸润性膀胱癌中的短期预后价值发现,MMP-14在肌肉浸润性膀胱癌中高度表达,高表达MMP-14的肌肉浸润性膀胱癌患者预后较差。进一步体外研究发现,下调MMP-14能够有效抑制肿瘤细胞的侵袭和迁移进程。PIETRZAK等[18]在非小细胞肺癌的研究中通过检测肿瘤切除术前和术后100 d MMP的表达变化,发现有效的治疗能够使MMP基因表达趋向正常化。且高表达MMP-14及MMP-15与疾病进展和侵袭密切相关。而在卵巢癌的研究中,VOS等[19]通过系统评价发现MMP-14在卵巢癌的增殖、侵袭、血管生成和转移过程中发挥重要作用,且在大多数具有不良预后特征的卵巢癌患者中,MMP-14往往高表达。同时,MMP-14与CD44双表达的卵巢癌患者亚组预后较差[20]。这些研究表明,在多种实体肿瘤中,高表达MMP-14可能是导致肿瘤不良预后的重要因素。

3 MMP-14在肿瘤细胞中的表达及意义

基于生物信息学分析及临床标本检测数据,MMP-14可能是介导肿瘤进展、导致不良预后的关键因素。由此,多项研究探讨了MMP-14在肿瘤细胞中的表达及其可能产生的生物学效应。CHEN等[21]在食管鳞状细胞癌的研究中发现,MMP-14的表达主要局限于食管鳞状细胞癌细胞的细胞质,而在正常食管组织标本中基本检测不到。该研究组进一步通过siRNA法敲除食管鳞状细胞癌细胞中的MMP-14后检测食管鳞状细胞癌细胞的增殖、迁移和侵袭性变化,发现敲除食管鳞状细胞癌细胞中的MMP-14能够削弱肿瘤细胞的增殖、诱导细胞周期停滞,并降低肿瘤细胞的侵袭能力。在胰腺癌的研究中,敲低MMP-14和抑制素A亦能够有效抑制胰腺癌的侵袭[22]。而在胰腺导管腺癌的研究中,MMP-14被认为是外泌体介导吉西他滨耐药的关键因子[23]。

在血液系统肿瘤的研究中,SHIRVAIKAR等[24]发现MMP-14在白血病细胞株THP-1、U937、HEL、K562及AML骨髓标本中高表达,且MMP-14 的表达受肿瘤坏死因子-α调节,这种状态有助于AML中保持高度蛋白水解的骨髓微环境及侵袭性表型。WANG等[25]的研究亦显示,MMP-14在白血病细胞中高表达,下调MMP-14能够降低白血病细胞的侵袭能力。这些结果提示肿瘤细胞中高表达MMP-14可能是促进肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭的重要因素。

4 MMP-14促进肿瘤进展的可能分子机制

MMP-14作为MMP家族中重要的成员,已被证实能够通过降解ECM成分、激活MMP-2及促进上皮间质转化等方式促进肿瘤的恶性进展。新近的研究多聚焦于MMP-14的上游调控因子及潜在的分子机制。

氯离子通道蛋白2作为氯离子通道蛋白家族成员之一,OZAKI等[26]在脑肿瘤的研究中发现其能与MMP-14结合,阻止MMP-14在质膜中的定位、抑制其酶活性进而抑制肿瘤细胞的侵袭和转移。CD276(B7-H3)是B7超家族的重要成员,研究发现其可通过激活PI3K/AKT/MMP(MMP-14、MMP-2和MMP-9)通路并诱导肝细胞癌中的上皮间质转化来促进血管生成拟态形成进而促进肿瘤的进展[27]。此外,考虑肿瘤进展过程中肿瘤组织趋于变硬,由此底物硬度可能是参与调节肿瘤细胞侵袭性改变的另一重要因素。ZHAO等[28]根据这一猜测,探讨了不同底物硬度对人唾液腺腺样囊性癌细胞迁移和侵袭的影响,发现底物硬度能够正性调节MMP-2、MMP-9及MMP-14的表达,并负性调节MMP组织抑制物TIMP1、TIMP2和TIMP4的表达以促进ACC2细胞的迁移和侵袭。此外,长链非编码RNA CCAT1[29]、miR-26a[30]等亦可作为MMP-14的上游调控因子参与调节肿瘤细胞的生长和侵袭过程。

在MMP-14作为上游因子促进肿瘤进展的可能分子机制研究中。除前述提到的可能机制外,STAWOWCZYK等[31]关于非小细胞肺癌的研究发现,MMP-14 能够介导人肝素结合性表皮生长因子的激活及蛋白水解过程,并刺激表皮生长因子受体信号通路以促进肿瘤细胞的增殖,提示MMP-14在肿瘤进展中可能通过多个途径介导肿瘤细胞的增殖和侵袭,进而促进肿瘤的恶性进展。

5 MMP-14作为潜在治疗靶点的探索

介于MMP-14被阐明为促进肿瘤生长和侵袭的关键因子,多项研究探讨了不同的药物对MMP-14的抑制效应及对肿瘤细胞生物学特性的影响。KAIMAL等[32]通过使用能够抑制MMP-14的MMP抑制剂马立马司他,发现其可诱导胶质瘤细胞周期停滞并减缓肿瘤进展。另一特异性MMP-14抑制剂NS405020在非小细胞肺癌的研究中亦显示对肿瘤细胞的迁移和侵袭能力产生明显的抑制效应[31]。在其他能够抑制MMP-14的治疗方式中,MOHANTY等[33]关于胶质母细胞瘤的研究显示,交联氧化铁纳米粒子与高效血管破坏剂的结合能够破坏表达MMP-14的胶质母细胞瘤脉管系统,进而诱导胶质瘤起始细胞凋亡,并明显抑制肿瘤的生长。人基膜聚糖作为一种富含亮氨酸的小蛋白聚糖,STASIAK等[34]的研究发现其能够抑制MMP-14的活性及黑色素瘤细胞的迁移。此外,使用阻断S100钙结合蛋白A4与蛋氨酸氨基肽酶2相互作用的合成肽(NBD肽)[35],亦能够有效抑制MMP-14的表达进而阻止肿瘤细胞的生长。

6 总结与展望

MMP-14作为一种具有胶原酶活性的膜型金属蛋白酶,其在多种肿瘤中显示出促进肿瘤细胞增殖、迁移及侵袭的特性,在临床数据中亦发现与更短的远期生存和不良预后密切相关。靶向MMP-14可能是阻止肿瘤细胞发生远处转移、改善治疗疗效的有效干预措施。目前,针对MMP-14的不同靶点抑制剂或新型药物正在探索过程中,但大多数仍处于临床前研究阶段,未来还需要更进一步的临床研究证实靶向MMP-14对不同肿瘤的治疗疗效。