Postępy Biochemii 58 (3) 2012

353

Joanna Trojanek

*

Zakład Mikrobiologii i Immunologii Kli-

nicznej, Instytut „Pomnik-Centrum Zdrowia

Dziecka”, Warszawa

*

Zakład Mikrobiologii i Immunologii

Klinicznej,

Instytut

„Pomnik-Centrum

Zdrowia Dziecka”, Al. Dzieci Polskich 20,

04-730 Warszawa; tel: (22) 815 71 67, e-mail:

[e-mail]; j. [e-mail]

Artykuł otrzymano 13 lutego 2012 r.

Artykuł zaakceptowano 20 czerwca 2012 r.

Słowa kluczowe: macierz zewnątrzkomórko-

wa, metaloproteinazy macierzy zewnątrzko-

mórkowej, inhibitory tkankowe metaloprote-

inaz, przebudowa, zwłóknienie, układ MMP/

TIMP

Wykaz skrótów: ECM (ang. extracellular ma-

trix) — macierz zewnątrzkomórkowa; MMP

(ang. matrix metalloproteinase) — metalopro-

teinaza macierzy; ROS (ang. reactive oxygen

species) — reaktywne formy tlenu; TIMP (ang.

tissue inhibitor of metalloproteinase) — tkankowy

inhibitor metaloproteinaz; TNF-α (ang. tu-

mor necrosis factor alpha) — czynnik martwicy

nowotworów; MT-MMP (ang. membrane-type

matrix metalloproteinase) — metaloproteinaza

macierzy typu błonowego

Podziękowania: Praca powstała w trakcie

realizacji projektu badawczego 2011/01/B/

NZ6/02661 finansowanego ze środków przy-

znanych przez Narodowe Centrum Nauki.

Metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej i ich tkankowe inhibitory

STRESZCZENIE

M

etaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej (MMP), zwane inaczej matryksyna-

mi, są to endoproteinazy, które degradując białkowe składniki macierzy zewnątrzko-

mórkowej (ECM) powodują jej odnowę i przebudowę. W ten sposób zachowują właściwą

strukturę macierzy zewnątrzkomórkowej oraz błony podstawnej, zarówno podczas proce-

sów fizjologicznych, jak i patologicznych. Zmiany w strukturze ECM towarzyszą procesom

fizjologicznym, takim jak embriogeneza, angiogeneza, apoptoza oraz rozwój i odbudowa

tkanki łącznej. W warunkach fizjologicznych, aktywność MMP jest regulowana na poziomie

transkrypcji, aktywacji prekursorowych zymogenów proMMP i oddziaływań z endogen-

nymi inhibitorami (TIMP, tkankowe inhibitory metaloproteinaz). Zaburzenia równowagi

w układzie MMP/TIMP wpływają na rozwój wielu chorób, między innymi nowotworów,

zwłóknień, zapalenia stawów, chorób sercowo-naczyniowych, neurologicznych i autoimmu-

nologicznych. W publikacji opisano typy metaloproteinaz, ich strukturę, funkcje i sposoby

regulacji aktywności oraz endogenne inhibitory MMP.

WPROWADZENIE

Metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej (matryksyny) są to cynko-

wo-zależne białka o funkcji endoproteaz, wykazujące działanie degradujące i

destabilizujące składniki macierzy zewnątrzkomórkowej oraz błony podstaw-

nej, będącej wyspecjalizowaną formą macierzy zewnątrzkomórkowej. MMP

trawiąc białka macierzy, likwidują strukturalne bariery tworząc przestrzeń

umożliwiającą migrację komórek na przykład układu odpornościowego oraz

zmieniają aktywność wielu cząsteczek sygnałowych, jak czynniki wzrostu,

cytokiny i chemokiny. Zmiany dotyczące przebudowy ECM towarzyszą pro-

cesom fizjologicznym, takim jak embriogeneza, angiogeneza, apoptoza, rozwój

kości, szkliwa zębów i systemu nerwowego, gojenie się ran, naprawa uszko-

dzeń rdzenia kręgowego, przebudowa endometrium w cyklu miesięcznym

oraz rozwój i implantacja zarodka podczas ciąży [1-9]. Oprócz uczestnictwa w

procesach fizjologicznych, metaloproteinazy odgrywają również istotną rolę w

etiologii i przebiegu stanów zapalnych, chorób nowotworowych, dysplazjach

kości, dystrofiach mięśniowych, miażdżycy, zawałach mięśnia sercowego, tęt-

niakach, nadciśnieniu, w chorobach autoimmunologicznych, degeneracyjnych,

reumatoidalnym zapaleniu stawów (RZS), stwardnieniu rozsianym, schorze-

niach neurologicznych oraz w przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP)

[10-17]. Metaloproteinazy macierzy zidentyfikowano u ptaków, płazów (proces

metamorfozy): ropuchy afrykańskiej (Xenopus laevis), ryb: Danio pręgowanego

(Danio rerio, ang. zebrafish), owadów: muszki owocowej (Drosophila melanogaster)

i bezkręgowców: jeżowca (Paracentrotus lividus), nicienia (Caenorhabditis elegant)

oraz stułbi (Hydra vulgaris). Ich homologi opisano także u alg i niektórych gatun-

ków roślin, jak rzodkiewnik (Arabidopsis thaliana), ogórek (Cucumis sativus), soja

(Glycine max), tytoń (Nicotiana tabacum) czy sosna (Pinus taeda) [18,19]. Większość

MMP, w tym także metaloproteinazy błonowe jest wydzielana przez komórki

i wykazuje aktywność w środowisku zewnątrzkomórkowym. Jednak enzymy

te pełnią funkcję również we wnętrzu komórki: w jądrze, cytoplazmie oraz w

organellach komórkowych [20].

BUDOWA I KLASYFIKACJA MMP

U człowieka zidentyfikowano 23 różne metaloproteinazy oraz 24 kodujące je

geny, gdyż MMP-23 jest kodowana przez 2 identyczne geny zlokalizowane na

chromosomie 1. Jako endopeptydazy zewnątrzkomórkowe lub błonowe, meta-

loproteinazy są enzymami wielodomenowymi, ale wszystkie zawierają peptyd

sygnałowy, prodomenę i domenę katalityczną, z miejscem aktywnym zawiera-

jącym jon cynku (Ryc. 1).

354

www.postepybiochemii.pl

Domena katalityczna, odpowiada za aktywność prote-

olityczną enzymu. Na poziomie drugorzędowej struktury

białka domena ta składa się z pięciu struktur β oraz trzech

helis α. Zawiera dwa jony cynku (katalityczy i strukturalny)

oraz od jednego do czterech jonów wapnia Ca

2+

. W katali-

tycznym centrum aktywnym jon cynku jest koordynowany

przez trzy reszty histydyny, obecne w obrębie sekwencji:

HEXXHXXGXXH [21].

Domena hemopeksynowa zawdzięcza swoją nazwę po-

dobieństwu sekwencji do hemopeksyny, białka wiążące-

go i transportującego hem. Metaloproteinazy MMP-7, 23

i 26 nie zawierają tej domeny, natomiast MMP-12 traci ją

krótko po aktywacji, lecz bez wpływu na aktywność [22].

Niekiedy domena ta jest istotna do prawidłowego rozpo-

znania substratu, natomiast w podrodzinie kolagenaz jest

niezbędna w procesie proteolizy kolagenu. Ważną funkcją

domeny hemopeksynowej jest zdolność do wiązania tkan-

kowego inhibitora metaloproteinaz TIMP przez MMP-9,

a także aktywacja proMMP-2. Jony wapnia, sodu i chloru

występujące niekiedy w pozycji centralnej tej domeny bio-

rą prawdopodobnie udział w stabilizacji enzymu [23]. W

przypadku metaloproteinazy MMP-9 domena hemopek-

synowa uczestniczy w tworzeniu charakterystycznych dla

tej metaloproteinazy form dimerów, tj. homo- i heterodi-

merów [24].

Domena katalityczna jest połączona z domeną hemo-

peksynową poprzez elastyczny łącznik zbudowany z 15-65

reszt aminokwasowych. Jego zasadniczą funkcją jest utrzy-

mywanie stabilnej struktury cząsteczki enzymu, ale także

udział w wiązaniu i degradacji niektórych substratów me-

taloproteinaz, na przykład kolagenu.

Trzy powtórzenia fibronektyny typu II umiejscowione w

samym środku domeny katalitycznej, wzmacniają wiązanie

substratu przez żelatynazy, co prowadzi do efektywnej de-

gradacji kolagenu typu IV, elastyny, i żelatyny, natomiast

nie mają wpływu na proces hydrolizy małych peptydów.

Powtórzenia te są również istotne dla aktywności kolagenaz

[25].

Białka MMP wykazują dużą zmienność na poziomie

struktury czwartorzędowej. Zmienność ta wynika z różnic

w budowie podjednostek, co wpływa na ich właściwości.

Ze względu na specyficzność substratową oraz mechanizm

działania, metaloproteinazy można podzielić na cztery pod-

stawowe klasy (istotna jest klasyfikacja numeryczna).

Kolagenazy: MMP-1 (Kolagenaza I, śródmiąższowa, in.

fibroblastowa); MMP-8 (Kolagenaza II, in. neutrofilowa) i

MMP-13 (Kolagenaza III) degradują kolagen typu I, II, III,

VII, VIII, X, żelatynę, IL-1b, L-selektynę, proteoglikany,

proMMP-2, proMMP-9 i fibronektynę.

Żelatynazy: MMP-2 (in. Żelatynaza A lub neutrofilowa)

i MMP-9 (Żelatynaza B) degradują kolagen typu IV, V, VII,

IX, fibronektynę, proteoglikany, plazminogen, działają sy-

nergistycznie z kolagenazami.

Stromielizyny/matrylizyny: MMP-3 (Stromielizyna 1,

Tranzyna); MMP-10 (Stromielizyna 2) i MMP-11 (Stromie-

lizyna 3) trawią kolagen błony podstawnej, proteoglikany

i glikoproteiny macierzy zewnątrzkomórkowej; natomiast

MMP-7 (Matrylizyna 1, in. PUMP-1) i MMP-26 (Matrylizy-

na 2) degradują kolagen typu I i IV, żelatynę, lamininę, ela-

stynę, fibronektynę, proteoglikany, pro-MMP, pro-TNFα,

E-kadhedrynę.

Metaloproteinazy typu błonowego MT-MMP (ang. mem-

brane-type matrix metalloproteinases) charakteryzujące się wy-

stępowaniem C-końcowej domeny transbłonowej, utrzy-

mującej enzym w strukturze błony komórkowej. Do grupy

tej należą: MT1-MMP (MMP-14), która degraduje kolagen

typu I, II III, żelatynę, fibronektynę, lamininę, witronekty-

nę, proteoglikany, pro-MMP-2 i pro-MMP-13; MT2-MMP

(MMP-15), MT3-MMP (MMP-16), MT4-MMP (MMP-17)

oraz MT5-MMP (MMP-24), które aktywują pro-MMP-2;

MT6-MMP (MMP-25), która degraduje żelatynę [26]. Nie-

które z tych enzymów (MT4- i MT6-MMP) są zakotwiczone

w błonie poprzez glikozylofosfatydyloinozytol (GPI) [27].

Pozostałe metaloproteinazy nie zaliczone do powyższych

grup, tj. metaloelastazę MMP-12, Kolagenazę 4 (MMP-18),

Rycina 1. Budowa domenowa metaloproteinaz rozpuszczalnych (cytoplazma-

tycznych) i błonowych. PS — peptyd sygnałowy, Pro — propeptyd, Katalityczna

— domena katalityczna, Zn — miejsce wiązania cynku, Hpx — domena hemo-

peksynowa, Fn II — domena zawierająca powtórzenia podobne do fibronektyny

typu II, F — miejsce wrażliwe na furynę, Vn — domena podobna do witronekty-

ny, TB — domena transbłonowa, C — domena cytoplazmatyczna, GPI — domena

„zakotwiczająca” w błonie przez glikozylofosfatydyloinozytol, Cys — sekwencja

bogata w reszty cysteiny, Ig — domena podobna do immunoglobuliny.

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

355

MMP-19, -21, -27 oraz epilizynę MMP-28 sklasyfikowano

jako „inne” (Tab. 1).

Specyficzność substratowa metaloproteinaz nie jest w

pełni poznana. Domena hemopeksynowa warunkuje wyso-

kie powinowactwo wiązania tych enzymów z większością

składników ECM: fibronektyny, witronektyny, lamininy,

plazminogenu oraz kolagenu typu I-X i XIV. Degradacja

tych substratów w niektórych stanach patologicznych pro-

wadzi do uszkodzenia błony podstawnej naczyń krwio-

nośnych i w konsekwencji migracji komórek śródbłonka

[27,28]. Oprócz białek macierzy zewnątrzkomórkowej, me-

taloproteinazy degradują także inne struktury powierzch-

niowe komórek, tj. białka adhezyjne, mediatory apoptozy,

receptory, chemokiny, cytokiny, czynniki wzrostu, prote-

azy, białka połączeń międzykomórkowych i białka struk-

turalne [26], a także inhibitory proteaz serynowych i inne

metaloproteinazy regulując w ten sposób ich aktywność

[29,30]. Najbardziej znanymi i powszechnie używanymi do

badań in vitro substratami MMP są kazeina i żelatyna, czyli

zdenaturowany pod wpływem wysokiej temperatury kola-

gen. Synteza i aktywność metaloproteinaz macierzy podle-

ga ścisłej kontroli (regulacji) i zachodzi na wielu poziomach:

aktywacji enzymu, lokalizacji w komórce, transkrypcji oraz

oddziaływań ze swoistymi endogennymi inhibitorami [20].

AKTYWACJA MMP I EKSPRESJA

KODUJĄCYCH JE GENÓW

Większość syntetyzowanych de novo metaloproteinaz

występuje w postaci enzymatycznie nieaktywnych czą-

steczek prekursorowych, tzw. zymogenów (pro-MMP). W

odcinku N-końcowym wykazują one obecność propeptydu

o masie cząsteczkowej od 9–20 kD (w zależności od typu

metaloproteinazy) [23,25]. Propeptyd ten (in. prodomena)

składa się z trzech α helis połączonych elastycznymi pętla-

mi narażonymi na autoproteolizę. W przypadku MMP-1

oraz MMP-2 rejon hydrolizy znajduje się między pierwszą

i drugą helisą. Za trzecią helisą znajduje się zachowana w

ewolucji sekwencja zwana „przełącznikiem cysteinowym”

(PRCGXPD), która utrzymuje MMP w formie zymogenu.

Jedynie MMP-23 nie posiada tej sekwencji.

Propeptyd utrzymuje enzym w postaci nieaktywnej

przez oddziaływanie reszty cysteiny z tego fragmentu z

ugrupowaniem cynku w miejscu aktywnym enzymu. Prze-

Tabela 1. Metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej.

Klasa

Nazwa

zwyczajowa

Numer MMP

Substrat

— kolagen

Inne substraty

Piśmiennictwo

Kolagenazy

kolagenaza

śródmiąższowa

kolagenaza

neutrofilowa

kolagenaza

śródmiąższowa

MMP-1

MMP-8

MMP-13

I, II, III, VII,

VIII, X

I, II, III, V,

VII, VIII, X

I, II, III, IV,

V, VII, IX, X

żelatyna, MMP-2, -9, proteoglikany,

fibronektyna, laminina, pro TNFa

żelatyna, fibronektyna, proteoglikany,

ADAMTS-1, proMMP-8

żelatyna, laminina, proteoglikany,

fibrinogen, proMMP-9, -13

[43]

[66]

[67]

Żelatynazy

żelatynaza A

żelatynaza B

MMP-2

MMP-9

I, II, III, IV,

V,VII,X,XI

III, IV V,

VII, X,XI

żelatyna, fibronektyna, laminina, elastyna, proMMP-9,

-13, IGFBPs, IL-1β, TGF-β, α1-antyproteinaza

żelatyna, elastyna, laminina, fibronektyna,

witronektyna, CXCL5, IL-1β, TGF-β, plazminogen

[28,37,51]

[24,28,51]

Stromielizyny/

Matrylizyny

stromielizyna 1

stromielizyna 2

stromielizyna 3

matrylizyna 1

matrylizyna 2

MMP-3

MMP-10

MMP-11

MMP-7

MMP-26

III, IV, V, VII,

IX, X, XI

I, III. IV,

V, IX, X

IV

I, IV

I, IV

żelatyna, fibronektyna, laminina proMMP-1, -7, -8, -9,

-13, proTNFα, E-kadheryna, L-selektyna,tenaktyna

żelatyna, laminina, kazeina, MMP-

1, -8, fibronektyna, proteoglikany

żelatyna, fibronektyna, laminina

żelatyna, laminina, elastyna, fibronektyna,

proteoglikany, proMMPs, proTNFα, E-kadheryna

żelatyna, laminina, elastyna, fibronektyna,

proteoglikany, proMMPs, proTNFα, E-kadheryna

[13]

[68]

[69]

[35]

[39]

Metaloproteinazy

błonowe

MT1-MMP

MT2-MMP

MT3-MMP

MT4-MMP

MT5-MMP

MT6-MMP

MMP-14

MMP-15

MMP-16

MMP-17

MMP-24

MMP-25

I, II, III

żelatyna, fibronektyna, laminina, witronektyna,

proteoglikany, proMMP-2 i proMMP-13

proMMP-2

proMMP-2

proMMP-2

proMMP-2

żelatyna

[2]

[70]

[71,72]

[73]

[74]

[75]

Inne

metaloproteinazy

metaloelastaza

makrofagowa

kolagenaza 4

Xenopus

RASI-1

epilizyna

MMP-12

MMP-18

MMP-19

MMP-21,

-27

MMP-28

IV

I

IV

elastyna, fibronektyna, żelatyna,

proteoglikany, plazminogen

żelatyna

elementy błon podstawnych

żelatyna

żelatyna, kazeina autokataliza

proTNF-β

[17,59]

[76]

[77]

[78]

[78]

356

www.postepybiochemii.pl

kształcenie prekursora do aktywnego enzymu, czyli proces

aktywacji polega na całkowitej zmianie konformacji czą-

steczki w wyniku proteolitycznego odszczepienia sekwen-

cji propeptydu i odsłonięcia centrum aktywnego. Proces ten

zachodzi dzięki działaniu proteaz serynowych (trypsyny,

chymotrypsyny), plazminy, elastazy, a także innych MMP

(-1, -2, -8, -9), aktywatora plazminogenu lub konwertazy

pro-hormonu, furyny [31]. Grupa tiolowa -SH reszty cyste-

inylowej propeptydu oddziałuje z jonem Zn

2+

w centrum

aktywnym utrzymując proenzym w stanie nieaktywnym

(Ryc. 2). Reszta kwasu glutaminianowego w obrębie se-

kwencji trójhistydynowej (HEXXHXXGXXH) w domenie

katalitycznej aktywuje związaną z Zn

2+

cząsteczkę wody,

która jest niezbędna dla aktywności MMP [32].

Proteolityczna aktywacja MMP następuje także pod

wpływem działania wielu czynników niespecyficznych,

jak: octan 4-aminofenylortęciowy (APMA, ang. p-amino-

phenylmercuric acetate), chlorek rtęci, utleniony glutation,

N-etylomaleimid, SDS, aktywne związki tlenu, niskie pH

lub podwyższona temperatura [12,23]. Tlenek azotu może

aktywować pro-MMP-9 w czasie udaru niedokrwiennego

mózgu przez działanie grup tiolowych w reszcie cysteiny

i tworzenia pochodnych S-nitrozylowanych, co sugeruje

chemiczną aktywację pro-MMP in vivo [12]. Warunki środo-

wiska (temperatura, obecność jonów lub detergentów) oraz

typ czynnika indukującego (enzymatyczny lub chemiczny)

kształtują stan równowagi między aktywacją i degradacją

MMP. Niektóre czynniki proteolityczne (MT1-MMP lub

APMA) selektywnie wpływają na aktywność enzymatycz-

ną MMP-2 i siłę wiązania enzymu z inhibitorem [20].

Pro-MMP-2 nie jest bezpośrednio aktywowany przez

proteinazy. Aktywacja zachodzi na powierzchni komórki

przy udziale MT1-MMP i TIMP-2. Pro-MMP-2 tworzy silny

kompleks z TIMP-2 poprzez oddziaływanie domeny hemo-

peksynowej z C-końcową domeną inhibitora, która nie ma

bezpośrednio udziału w hamowaniu. Jednocześnie na po-

wierzchni komórki TIMP-2 wiąże się z błonową formą MT1-

-MMP poprzez wolną N-końcową domenę inhibitorową.

Przyłączona do powierzchni komórki pro-MMP-2 jest na-

stępnie aktywowana przez MT1-MMP lub jeżeli MT1-MMP

jest hamowany przez TIMP-2, to działa jako „receptor” dla

pro-MMP-2. Kompleks: MT1-MMP-TIMP-2-proMMP-2

jest następnie prezentowany najbliższemu wolnemu MT1-

-MMP do aktywacji. Dwie cząsteczki MT1-MMP oddziałują

ze sobą na powierzchni komórki poprzez domeny hemo-

peksynowe, tworząc tetrameryczny kompleks aktywacyjny:

pro-MMP-2-TIMP-2-2MT1-MMP, z czego jedna cząsteczka

MT1-MMP działa jako receptor kompleksu: proMMP-2-

TIMP-2, a druga jako aktywator proMMP-2 [33].

Aktywacja MMP zachodzi także przy udziale systemu

aktywatora plazminogenu PAS (ang. Plasminogen Activa-

tor System). System PAS składa się z dwóch aktywatorów

plasminogenu (PA), urokinazy (uPA) oraz aktywatora typu

tkankowego (tPA). PAS indukuje przejście plazminogenu

do postaci aktywnej proteinazy serynowej, plazminy. Pla-

zmina działa bezpośrednio, przez proteolizę składników

macierzy ECM — fibronektyny i proteoglikanów oraz po-

średnio, aktywując inne proteazy (przez trawienie ich pro-

domen), między innymi MMP-3, MMP-12 i MMP-13 [32,34].

LOKALIZACJA W KOMÓRCE

Aktywność MMP podlega ścisłej kontroli przez liczne

oddziaływania makrocząsteczkowe. W wyniku tych od-

działywań odpowiednie enzymy są kierowane do właści-

wych obszarów w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, na

powierzchnię komórek lub do miejsc wewnątrz komórki.

Czynnikami wiążącymi MMP w tych obszarach są: kolagen,

laminina, fibronektyna, elastyna, białka korowe i łańcuchy

glikozaminoglikanów (GAG, ang. glycosaminoglycans) w

macierzy zewnątrzkomórkowej. Taka lokalizacja regulu-

je aktywność MMP przez ich gromadzenie w pobliżu lub

na substratach docelowych. Przykładem są oddziaływania

MMP-1, -2, -7, -8, -9 i -13 z heparyną i siarczanem heparyny

zachodzące poprzez domenę hemopeksyny HPX. MMP-7

nie posiada domeny HPX i oddziaływania zachodzą wprost

przez domenę katalityczną i prodomenę, przez co wiązanie

łańcuchów GAG jest dużo mocniejsze niż w przypadku in-

nych MMP [35].

Innym sposobem regulacji aktywności MMP jest wiąza-

nie ich form rozpuszczalnych (cytoplazmatycznych) do bło-

ny komórkowej. Może to prowadzić do aktywacji enzymu

(jak w przypadku opisanej powyżej pro-MMP-2), albo też

do migracji i inwazji komórki poprzez błonę podstawną i

tkanki. Wiązanie MMP z błoną komórkową może induko-

wać różne szlaki sygnałowe prowadzące od błony, przez

wnętrze komórki aż do jądra aktywując specyficzne czyn-

niki transkrypcyjne, co jest funkcją dodatkową, niezwiąza-

ną z ich właściwościami proteolitycznym [36]. W pewnych

typach komórek, miocytach, neuronach, komórkach śród-

błonka, fibroblastach i hepatocytach, niektóre z metalopro-

teinaz (MMP-2, -3, -9, -13 i MT1-MMP) wykazują lokalizację

jądrową. Mechanizm przemieszczenia tych metaloprote-

inaz do jądra komórkowego nie jest znany. Przypuszcza się,

że sekwencja zlokalizowana w pobliżu C-końcowej domeny

MMP-2 jest odpowiedzialna za lokalizację jądrową tego en-

zymu. Natomiast w przypadku MMP-3 jądrowa sekwencja

sygnałowa znajduje się w domenie katalitycznej [20].

Jądrowa lokalizacja metaloproteinaz może być także

związana ze zjawiskiem apoptozy. Na przykład aktyw-

ność żelatynazy MMP-2 jest indukowana przez reak-

tywne związki tlenu i azotu uwalniane w czasie palenia

tytoniu [37]. Natomiast w przypadku niedokrwiennego

uszkodzenia mózgu zarówno u szczurów, jak i u ludzi na-

Rycina 2. Aktywacja MMPs, oddziaływanie zachowanej ewolucyjnie reszty cy-

steiny w propeptydzie z jonem cynku domeny katalitycznej. Opis w tekście.

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

357

stępuje wzrost aktywności MMP-2, -9 i -13 w jądrach neu-

ronów, co powoduje zaburzenia oksydacyjnego systemu

naprawy DNA [38]. Metaloproteinazy macierzy wykazu-

ją także lokalizację cytoplazmatyczną, w pobliżu organel-

li komórkowych. Dotyczy to zwłaszcza proaktywnych i

aktywnych postaci MMP-1 umiejscowionych w pobliżu

mitochondriów skupionych wokół jądra komórkowego

[20]. W przypadku MMP-26 (Matrylizyna 2/endometaza)

unikalna sekwencja „przełącznika cysteinowego”(PRC-

GXPD) zastąpiona jest sekwencją: PHCGVPD. Sekwencja

ta, podobnie jak inne nietypowe struktury może ułatwiać

aktywność autokatalityczną enzymu wewnątrz komórki.

Poza tym, MMP-26 posiada dwa miejsca wiązania wap-

nia, jedno o wysokim, a drugie o niskim powinowactwie.

Zakłada się, że normalny poziom wapnia w komórce

utrzymuje MMP-26 w stanie nieaktywnym, przechodząc

w formę aktywną podczas gwałtownego napływu wap-

nia do komórki [39].

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW METALOPROTEINAZ

Podstawowym mechanizmem regulującym ekspresję ge-

nów MMP jest transkrypcja. Większość genów metalopro-

teinaz zawiera w swoich promotorach podobne elementy.

W związku z tym, częstym zjawiskiem jest ich wzajemna

koekspresja w odpowiedzi na różne czynniki indukcyjne

(czynniki wzrostu i cytokiny zapalne), jak i jednoczesne za-

hamowanie ekspresji, indukowane przez inhibitory ekspre-

sji genów: glukokortykoidy i analogi witaminy A, retinole.

Według nowej klasyfikacji, niezależnej od podziału

względem specyficzności substratowej, MMP dzielą się w

zależności od mechanizmu regulacji ekspresji genów na

trzy grupy. Grupa 1 obejmuje geny większości MMP: MMP-

1, -3, -7, -9, -12, -13, -19 i -26. Charakteryzuje ją obecność

kasety TATA box i miejsca wiążącego czynnik AP-I (biał-

kowy aktywator transkrypcji 1, ang. Activator Protein) w

proksymalnej części genu — około 70 bp (par zasad, ang.

base pairs) od promotora, do którego wiążą się czynniki

transkrypcyjne typu Fos i Jun. Grupa 2, do której należą

geny MMP-8, -11 i -21 także zawiera kasetę TATA box, ale

nie posiada sekwencji wiążącej czynnik AP-1. W grupie 3

obejmującej geny MMP-2, MMP-14 i MMP-28 nie występuje

żadna z tych sekwencji. Geny metaloproteinaz należące do

tej grupy podlegają z reguły konstytutywnej ekspresji, choć

w niektórych chorobach obserwuje się nadmierną ekspresję

tych genów [40].

Promotory wszystkich MMP zawierają wiele elementów,

które współdziałają ze sobą indukując lub hamując ekspre-

sję genów. Należą do nich sekwencje: ETS (ang. Erythroblast

Transformation Specific), Sp1 (ang. Specificity Protein 1), NFkb

(ang. Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B

cell) i dodatkowo AP-1 [41]. W warunkach fizjologicznych

podstawowy poziom ekspresji genów MMP jest niski, z

gwałtownym wzrostem w odpowiedzi na uraz tkankowy,

np. zranienie, owulację lub resorpcję macicy po ciąży. W

stanach patologicznych często dochodzi do zaburzeń syste-

mu kontroli ekspresji genów MMP i zaczynają na nią wpły-

wać inne mechanizmy lub czynniki, takie jak cytokiny za-

palne, czynniki wzrostu, mechaniczne przemieszczenie lub

fagocytoza [42].

Wzrost poziomu transkrypcji jest wynikiem wzmożo-

nej indukcji wielu szlaków sygnałowych działających na

poszczególne elementy promotora i zachodzi jako reakcja

po ekspozycji na bodziec. Przeciwnie, blokowanie szlaków

sygnałowych hamuje transaktywację, wyciszając ekspresję

genów. To wyciszanie ekspresji jest bezpośrednim efektem

braku wiązania czynników transkrypcyjnych do promo-

tora poprzez redukcję ich syntezy, przez rekrutację białek

supresorowych do tych miejsc oraz w wyniku hamowania

fosforylacji, blokując ich przejście w formę aktywną. Struk-

tura promotorów genów MMP warunkuje ich wrażliwość

na różne typy czynników oraz to, w jaki sposób te czynniki

wpływają na transkrypcję. Na przykład, w komórkach me-

zenchymy i monocytach czynniki zapalne, takie jak cytoki-

ny: IL-1b, TNFa, onkostatyna M (należąca do rodziny IL-6),

RANKL, ligand aktywatora receptora jądrowego czynnika

κB (ang. Receptor Activator of Nuclear factor κB Ligand) i pro-

dukty mikroorganizmów jak lipopolisacharyd (LPS) należą

do najmocniejszych aktywatorów transkrypcji metaloprote-

inaz MMP-1, MMP-3, MMP-9, MMP-13 i MMP-14 [41].

Pierwszą metaloproteinazą, której regulacja genu została

szczegółowo poznana jest MMP-1. Aktywacja MMP-1 jest

skomplikowanym procesem obejmującym zarówno samą

transkrypcję, jak i mechanizmy regulacji potranskrypcyj-

nej. Do aktywacji transkrypcji genu MMP-1 potrzebne jest

współdziałanie wielu czynników, takich jak NF-κB, białka,

Bcl-3 (ang. B-cell lymphoma 3-encoded protein) i C/EBP-β (ang.

CCAAT/enhancer-binding protein beta) oraz LPS i IL-1β. W

trakcie zapalenia, rekrutacja czynników transkrypcyjnych

do promotora MMP-1 zachodzi przez aktywację pośredni-

ków sygnałowych jak NF-κB, kinazy MAPK (ang. Mitogen-

Activated Protein Kinases) oraz rodziny białek STAT (ang.

Signal Transducer and Activator of Transcription) i Smad [43].

REGULACJA METALOPROTEINAZ

PRZEZ INHIBITORY TKANKOWE

Endogenne inhibitory tkankowe metaloproteinaz, TIMP,

zapewniają konieczną równowagę zapobiegającą nadmier-

nej degradacji ECM. TIMP tworzą wiązania koordynacyjne

z MMP w stosunku stechiometrycznym 1:1 lub 2:2. Są one

stabilne i odwracalne, a mechanizm tego hamowania polega

na zablokowaniu dostępu substratu do miejsca katalitycz-

nego metaloproteinazy. TIMP u ssaków charakteryzują się

masą cząsteczkową w zakresie od 21 do 29 kD (184-194aa).

U kręgowców zidentyfikowano cztery rodzaje TIMP. Ich

homologi znaleziono także u muszki owocowej Drosophila,

nicienia Caenorhabditis elegant, oraz płazów i ryb. TIMP u

bezkręgowców znacznie różnią się ewolucyjnie od homolo-

gów występujących u kręgowców. Synteza inhibitorów jest

regulowana we wszystkich procesach rozwoju i przebudo-

wy tkanek, także w warunkach fizjologicznych [33]. TIMP

1, 2 i 4 tworzą formy rozpuszczalne i są wykrywane w su-

rowicy krwi, natomiast TIMP-3 jest nierozpuszczalny i za-

kotwiczony w ECM. Pomimo podobieństwa strukturalnego

TIMP różnią się między sobą profilem aktywności. TIMP-1

jest bogatą w mannozę glikoproteiną o masie cząsteczkowej

23 kD, o strukturze zachowanej w ewolucji i bardzo stabil-

ną, gdyż proces glikozylacji nie wpływa na jej aktywność.

358

www.postepybiochemii.pl

TIMP-1 hamuje wszystkie MMP (szczególnie silnie MMP-

9), za wyjątkiem metaloproteinaz błonowych MT1-MMP,

MT3-MMP, MT5-MMP i MMP-19, co jest jego cechą wyróż-

niająca. TIMP-1 wykazuje wrażliwość na działanie proteaz

serynowych, takich jak trypsyna i chymotrypsyna. Więk-

szość komórek organizmu posiada zdolność syntezy tego

inhibitora. Drugi inhibitor, białko TIMP-2 jest wydzielane

przez fibroblasty i komórki śródbłonka. Natomiast TIMP-3

o masie cząsteczkowej 30 kD, hamuje aktywność: MMP-2,

-3, -7 i -9 . Strukturalna homologia między TIMP-3 a TIMP-

1 i -2 jest niewielka i wynosi odpowiednio 37% i 42% [44].

TIMP-4 (23kD) reguluje aktywność MMP-9 i wykazuje

znaczną homologię z TIMP-2 i podobnie jak TIMP-2 posia-

da zdolność wiązania proMMP-2. Oddziaływania MMP-2

z TIMP-1 i TIMP-2 znacznie się różnią. TIMP-2 wykazuje

silne wiązanie z zymogenem MMP-2 (proMMP-2) tworząc

kompleks, który jest istotny dla aktywacji proMMP-2, pod-

czas gdy TIMP-1 tworzy analogiczny kompleks o wysokiej

specyficzności z proMMP-9.

Model hamowania aktywności metaloproteinaz przez

TIMP opracowano na podstawie obrazu rentgenowskiego

struktury krystalograficznej kompleksu TIMP-1 z domeną

katalityczną MMP-3. Zgodnie z tym modelem, cząsteczka

TIMP-1 dzięki swoistej budowie przestrzennej reaguje z

domeną katalityczną oraz z miejscem wiązania substratu

w cząsteczce MMP-3. W tym kompleksie większość (75%)

wzajemnych oddziaływań między enzymem i inhibitorem

pochodzi z regionu kowalencyjnej struktury pętli związa-

nej mostkiem dwusiarczkowym pomiędzy resztami Cys1 i

Cys70. Istotne jest tu współdziałanie grup karboksylowej i

a

-aminowej reszty Cys w sekwencji N-końcowej cząstecz-

ki TIMP-1, które z dwóch stron otaczają cząsteczkę cynku

katalitycznego MMP-3 w taki sposób, aby uniemożliwić ak-

tywację cząsteczki wody niezbędnej w katalizie [33].Ważną

cechą oddziaływań między MMP i TIMP jest wysokie po-

winowactwo oraz różnice w specyficzności TIMP do MMP.

Zjawisko to nie może być wyczerpująco zinterpretowane w

oparciu o poznane dotychczas struktury białek.

Hamowanie aktywności metaloproteinaz zachodzi nie

tylko pod wpływem działania specyficznych, endogennych

inhibitorów TIMP. Istnieje szereg nieswoistych inhibitorów

tych enzymów: α

2

-makroglobulina, C-terminalny fragment

proteinazy prokolagenu hamujący MMP-2, białko prekur-

sorowe β-amyloidu, glikoproteina RECK (ang. reversion-in-

ducing-cysteine-rich protein with kazal motifs) hamująca MMP-

2, MMP-9 i MMP-14, kortykosteroidy, kwas retinowy, hepa-

ryna, czy też interleukina IL-4 [23,25].

Ze względu na właściwość hamowania aktywności meta-

loproteinaz, TIMP mają szczególne znaczenie w procesach

nowotworowych m. in. wpływając hamująco na inwazję ko-

mórek rakowych, wzrost nowotworu, powstawanie prze-

rzutów i angiogenezę [33]. Wzrost ekspresji genów TIMP

wiąże się nie tylko z hamowaniem wzrostu guza, a także

ze znaczym zmniejszeniem ilości przerzutów odległych.

Przeciwnie, obniżenie ekspresji tych genów prowadzi do

zaostrzenia procesu nowotworowego, powodując szybszy

wzrost i proliferację komórek nowotworowych i drastycz-

nie zwiększając liczbę przerzutów [32]. Stężenie TIMP-1 w

osoczu chorych może tym samym służyć jako niezwykle

ważny, niezależny czynnik prognostyczny dla pacjentów

pozwalający określić ich rokowania przy zastosowaniu

określonej terapii, na przykład stosowany w przypadku

osób chorych na raka żołądka [45].

Aktywacja i ekspresja genów TIMP (podobnie jak MMP)

regulowana jest przez stymulatory przebudowy naczyń ja-

kimi są bodźce hemodynamiczne, stres oksydacyjny, czyn-

niki pro- i przeciwzapalne (cytokiny, czy też środki wa-

zoaktywne), zakłócając w ten sposób równowagę między

MMP i TIMP [46]. Zaburzenia równowagi pomiędzy syn-

tezą metaloproteinaz i ich tkankowych inhibitorów wiążą

się najczęściej z postępującymi zmianami patologicznymi.

Na podstawie przekrojowych badań struktury i funkcji

metaloproteinaz, wiele rodzajów inhibitorów zostało za-

projektowanych i zsyntetyzowanych. Z uwagi na szereg

innych właściwości biologicznych TIMP (czynniki wzrostu

linii komórkowych, działanie mitogenne, swoiste czynniki

transkrypcyjne, aktywatory szlaków metabolicznych, czyn-

niki pro- lub anty-apoptotyczne [47]) ich ewentualne tera-

peutyczne zastosowanie w leczeniu znajduje się wciąż we

wczesnej fazie badań [48].

ZNACZENIE I ROLA MMP W TKANCE I ORGANIZMIE

Wszystkie tkanki ustroju wykazują syntezę metaloprote-

inaz, a większość typów komórek może je wydzielać. Nale-

żą do nich komórki nabłonkowe, fibroblasty, miocyty, ke-

ratynocyty, komórki nowotworowe, komórki śródbłonka,

osteoblasty, płytki krwi, makrofagi oraz komórki nacieku

zapalnego: monocyty, leukocyty i limfocyty jednojądrza-

ste [45,49,50]. Żelatynaza MMP-2 (72 kDa) wykazuje stały

poziom, natomiast poziom syntezy żelatynazy MMP-9 (92

kDa) wzrasta w wyniku indukcji w wielu typach komórek,

w tym miocytach mięśni gładkich ściany naczyniowej. Że-

latynazy trawią kolagen typu IV i V, elastynę i inne białka

ECM, co wskazuje na ich ważną rolę w metabolizmie błony

podstawnej naczyń [48,51]. Poprzez niszczenie tej barie-

ry tworzy się przestrzeń umożliwiająca migrację komórek

podczas morfogenezy oraz przemieszczanie się leukocytów

do miejsc zapalnych [28]. Aktywność MMP jest także regu-

lowana przez czynniki wpływające na przebudowę ściany

naczyń tętniczych, do których należą zmiany ciśnienia tęt-

niczego, uszkodzenia naczyń, cytokiny zapalne (interleuki-

na IL-1β, interleukina IL-6, czynnik martwicy nowotworów

TNF-α), transformujący czynnik wzrostu TGF-β, czynnik

wzrostowy naskórka EGF, płytkowo-pochodny czynnik

wzrostu PDGF, czynnik wzrostu fibroblastów FGF, związki

reaktywne tlenu ROS oraz oddziaływania ze specyficznymi

komponentami ECM. [12,52-54].

Metaloproteinazy macierzy odgrywają bardzo ważną

rolę w fizjologii neuronów, szczególnie w ich plastyczno-

ści uczestnicząc w przebudowie połączeń synaptycznych.

Dotyczy to zwłaszcza syntezy TIMP i MMP-24 w móżdżku

oraz MMP-9. W stymulowanym hipokampie obserwowano

masywną aktywację i wzrost produkcji MMP-9 zarówno na

poziomie białka, jak i mRNA co wskazuje na uczestnictwo

tej metaloproteinazy w plastyczności neuronów i remode-

lingu połączeń synaptycznych, a dalej w procesach uczenia

się i zapamiętywania. Wpływ na regulację ekspresji genu

MMP-9 odgrywa czynnik transkrypcyjny AP-1 kontrolują-

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

359

cy także TIMP-1. Prawdopodobnie wpływ na uwalnianie

białka tutaj ma także plazmina wraz z aktywatorami pla-

zminogenu: tPA i uPA [55].

Oprócz wpływu na procesy fizjologiczne, zmiany syn-

tezy MMP i ich inhibitorów mają znaczenie w patogenezie

wielu chorób układu nerwowego, takich jak stwardnienie

rozsiane, udary (zarówno krwotoczne, jak i niedokrwien-

ne), uszkodzenie rdzenia nerwowego, ale także epilepsja,

depresja, schizofrenia czy choroba Alzheimera [56,57].

Nadmierna ekspresja genów kodujących MMP przyczy-

nia się do zniszczenia bariery krew–mózg, co prowadzi do

zmian prozapalnych w obrębie centralnego układu nerwo-

wego, a w konsekwencji demielinacji i neurotoksyczności.

W doświadczalnym zwierzęcym modelu autoimmunolo-

gicznego zapalenia mózgu podanie egzogennych inhibito-

rów łagodziło lub cofało neurodegenerację. Wykazano, że

jednym z potencjalnych mechanizmów prozapalnego dzia-

łania MMP-9 i MMP-12 jest degradacja białek wiążących

insulino-podobny czynnik wzrostu, IGFBP (ang. insulin-like

growth factor binding proteins), w tym bioaktywnego insuli-

no-podobnego czynnika wzrostu — IGF-1 (ang. insulin-like

growth factor-1) potrzebnego w procesie powstawania mie-

liny [58].

W ostatniej dekadzie dowiedziono, że ekspresja genów

metaloproteinaz macierzy ulega znacznym zmianom w

przebiegu przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (PO-

ChP), w tym szczególnie rozedmy płuc. MMP w tym pro-

cesie proteolitycznie trawią ściany pęcherzyków płucnych

[17]. Rozedmę wywoływano doświadczalnie u wybranych

szczepów myszy, przez ekspozycję zwierząt na cząstki stałe

zawarte w dymie papierosowym lub spalinach samochodo-

wych [59]. Rozedmę płuc obserwowano także w przebiegu

mukowiscydozy u genetycznie zmodyfikowanych myszy

wykazujących nadekspresję w genie regulatorowym cAMP-

-zależnego przekaźnika jonów chlorkowych kontrolującego

nabłonkowy kanał sodowy [60]. We wszystkich tych przy-

padkach stwierdzono zwiększoną syntezę makrofagowej

MMP-12, zarówno na poziomie białka, jak i transkryptu oraz

znaczne zmiany degeneracyjne w drogach oddechowych.

Można twierdzić, że selektywne zahamowanie aktywności

MMP-12 mogłoby być skuteczną terapią w leczeniu roze-

dmy płuc, aczkolwiek biorąc pod uwagę subtelne różnice w

funkcjonowaniu MMP-12 u ludzi i zwierząt, ewentualne ba-

dania kliniczne musiałyby być przeprowadzone ze znaczną

ostrożnością [17].

INNE PROTEINAZY POKREWNE MMP

Najważniejsze proteinazy, które są pokrewne MMP, ada-

malizyny (ADAM, ang. a disintegrin and metalloproteinases).

Podobnie jak metaloproteinazy należą do nadrodziny bia-

łek zależnych od cynku, zwanych metyzynami. Na pod-

stawie różnic w ich budowie metyzyny dzielą się na cztery

odrębne podrodziny: astracyny, matryksyny, adamalizyny

i serralizyny (proteazy bakteryjne). Najbardziej spektaku-

larnym przedstawicielem tej grupy jest metaloproteinaza

wyizolowana z jadu węża (SVMP, ang. Snake Venom Metallo

Protease) [61]. Admalizyny wykazują znaczną homologię se-

kwencyjną zarówno do SVMP, jak i do dezintegryn. Nale-

ży do nich około 30 glikoprotein zakotwiczonych w błonie,

które w swojej strukturze zawierają N-końcową sekwencję

sygnałową, prodomenę metaloproteinazową, domenę dez-

integrynową, region bogaty w reszty cysteiny i zawierający

powtórzenia EGF, domenę błonową i C-końcową. Dzięki

takiej budowie łączą w sobie funkcje proteaz i białek ad-

hezyjnych. Ważną rolę odrywają w oddziaływaniach mię-

dzykomórkowych, procesach adhezji i fuzji komórek oraz

procesach złuszczania białek z powierzchni komórkowych

[62]. ADAM-17/TACE (ang. Tumor Necrosis Factor-Alpha

Converting Enzyme), ADAM 9 (MDC, ang. Metalloprotease/

Disintegrin/Cysteine-rich protein 9) i ADAM 10 (KUZ, ang.

Kuzbanian) ze względu na zdolność złuszczania białek z po-

wierzchni komórkowych zwane są czynnikami złuszczają-

cymi. Najlepiej poznaną adamalizyną tej grupy jest ADAM

17, która aktywuje pro-TNFα.

ADAMT (ang. ADAM with Thrombospondin type-1 motifs)

stanowią grupę 19 białek, które oprócz klasycznych domen

wykazują obecność sekwencji trombospondyny [63]. Nie-

które z nich zidentyfikowano i określono ich funkcje bio-

logiczne. Na przykład ADAMT 2 znany jako N-proteinaza

prokolagenu bierze udział w rozwoju prawidłowej skóry.

ADAMTs 4 i 11 zwane agrekanazami 1 i 2 posiadają zdol-

ność degradacji dużych proteoglikanów jak agrekan, utrzy-

mujący mechaniczne właściwości chrząstki. Postępująca

degradacja i wyczerpanie chrząstek stawowych powoduje

rozwój chorób degeneracyjnych i zapalnych stawów (RZS)

[41]. Natomiast ADAMT 1, znany jako METH-1 posiada ak-

tywność antyangiogenną i pełni funkcję w regulacji rozwoju

naczyń [61,64]. Inhibitorami białek ADAMs i ADAMTs są

TIMP. Szczególnie TIMP-3, który jest efektywnym inhibi-

torem dla ADAM-17 (TACE), ADAM-10 i ADAM-12 oraz

ADAMT -1, -4 i -5 [23,25].

PODSUMOWANIE

Metaloproteinazy wykazują aktywność endopeptydaz,

zależnych od jonów cynku i wapnia. Enzymy te zaangażo-

wane są w procesy przebudowy i modelowania macierzy

zewnątrzkomórkowej, poprzez proteolizę białek, składo-

wych ECM. Przebudowa ECM jest kluczowym etapem

procesów fizjologicznych takich jak morfogeneza, angio-

geneza, apoptoza, regulacja wzrostu, czy zmiana ruchli-

wości komórek [65]. MMP są również zaangażowane w

patogenezę wielu chorób, zwłaszcza związanych z proce-

sem zapalnym. ECM stanowi rodzaj rusztowania dla wielu

tkanek ustroju i zawiera szereg składowych, wrażliwych

na działanie MMP. Należą do nich białka tj. elastyna, la-

minina, kolagen, fibronektyna i proteoglikany. Oddziałują

one z wieloma typami komórek, co reguluje procesy ich

wzrostu, różnicowania i odnowy. ECM jest środowiskiem

dla wielu czynników biologicznie czynnych, zaangażowa-

nych w procesy przebudowy tkanek, takich jak cytokiny,

czynniki pro-angiogenne (VEGF, TGF-β), czynniki wzro-

stowe. Stąd też MMP, działając mniej lub bardziej selek-

tywnie na białka ECM, mają znaczny wpływ na przebu-

dowę i odnowę tkanek zarówno w stanach fizjologicznych

jak i patologicznych.

Metaloproteinazy mają wspólny schemat budowy.

Wszystkie zawierają: peptyd sygnałowy, prodomenę i do-

360

www.postepybiochemii.pl

menę katalityczną, z miejscem aktywnym zawierającym jon

cynku. W zależności od swoistości substratowej wyróżnia

się różne podgrupy MMP, z których najważniejsze to: ko-

lagenazy, żelatynazy, stromielizyny, matrylizyny i metalo-

proteinazy typu błonowego. MMP syntetyzowane są przez

wiele typów komórek w formie enzymatycznie nieaktyw-

nych proenzymów – zymogenów. Ich aktywacja polega na

proteolitycznej hydrolizie wiązania pomiędzy grupą tiolo-

wą reszty cysteiny w sekwencji prodomeny, a jonem cynku

w domenie katalitycznej.

Aktywność i synteza MMP podlegają ścisłej kontroli na

poziomie transkrypcji, obróbki potranslacyjnej, aktywacji

zymogenów oraz oddziaływań ze specyficznymi inhibi-

torami. Większość MMP podlega regulacji na poziomie

transkrypcji, za wyjątkiem MMP-2 (regulacja postranskryp-

cyjna). Transkrypcja MMP wzmagana jest przez cytokiny

prozapalne, hormony, czynniki wzrostowe, infekcyjne,

białka szoku cieplnego, LPS, IL-1β lub przedłużające się

niedotlenienie tkanek. Blokada transkrypcji zachodzi pod

wpływem działania kortykosterydów, retinoli, hormonów

tarczycy, hormonów płciowych oraz IL-4, IL-10 i IL-13 (cy-

tokiny przeciwzapalne)

Przechodzenie zymogenów do form enzymatycznie ak-

tywnych zależy od proteolitycznego odszczepienia ich do-

meny propeptydowej przez proteinazy obecne w tkankach

i surowicy. Głównym, fizjologicznym aktywatorem MMP

jest plazmina, generowana w przebiegu aktywacji układu

krzepnięcia i fibrynolizy, a także inne czynniki: reaktywne

formy tlenu, proteazy serynowe (trypsyna, chymotrypsyna

i trombina), elastaza oraz MMP (-1, -2, -8, -9).

Blokowanie czynnych enzymatycznie form MMP zależy

od działania nieswoistych, endogennych inhibitorów pro-

teinaz (α2- makroglobulina) oraz swoistych inhibitorów

MMP, tj. białek TIMP. Zidentyfikowano 4 formy tych białek

(TIMP1-4). TIMP oddziałuje z domeną katalityczną MMP,

co powoduje inaktywację enzymu. Oddziaływania TIMP/

MMP nie są selektywne, z wyjątkiem TIMP-1, wykazują-

cym szczególnie wysokie powinowactwo do MMP-9 i bar-

dzo słabe w stosunku do błonowych MT-MMP. TIMP-1, -2

i -4 występują w postaci rozpuszczalnej, natomiast TIMP-3

związany jest z ECM. TIMP uwalniane są przez szereg ko-

mórek takich jak miocyty mięśniówki gładkiej, makrofagi i

płytki, a także inne komórki (limfocyty, granulocyty). Po-

ziom aktywności TIMP jest wzmagany przez cytokiny takie

jak PDGF, TGF-β, podlega regulacji również przez szereg

innych cytokin i mediatorów zapalenia. Zachowanie rów-

nowagi MMP/TIMP ma kluczowe znaczenie dla utrzyma-

nia integralności w zakresie wszystkich podstawowych

układów narządowych ustroju.

Kolejnym ważnym problemem jest ocena poziomu meta-

loproteinaz i ich inhibitorów w leukocytach. Niektóre z me-

taloproteinaz i ich inhibitorów (zwłaszcza MMP-9 i TIMP-1,

2) są syntetyzowane przez leukocyty, a poziom ich produk-

cji może być wykładnikiem stanu aktywacji tych komórek.

Natomiast powiązanie poziomu syntezy metaloproteinaz w

leukocytach z poziomem syntezy innych cytokin (zwłasz-

cza IL-17) może wskazywać na aktywację komórek układu

odpornościowego już we wczesnych etapach procesu za-

palnego między innymi w rozwoju nadciśnienia, procesów

nowotworowych, chorób płuc oraz zmian reumatoidalnych

w stawach.

PIŚMIENNICTWO

1. Parks WC, Mecham RP (1998) Matrix metalloproteinases. Academic

Press, San Diego

2. Aplin AC, Zhu WH, Fogel E, Nicosia RF (2009) Vascular regression

and survival are differentially regulated by MT1-MMP and TIMPs in

the aortic ring model of angiogenesis. Am J Physiol Cell Physiol 297:

C471-C480

3. Ruiz V, Ordonez RM, Berumen J, Ramirez R, Uhal B, Becerril C, Pardo

A, Selman M (2003) Inbalanced collagenases/TIMP-1 expression and

epithelial apoptosis in experimental lung fibrosis. Am J Physiol Cell

Physiol 285: L1026-L1036

4. Higa R, Kurtz M, Capobianco E, Martinez N, White V, Jawerbaum A

(2011) Altered matrix metalloproteinases and tissue inhibitors if metal-

loproteinases in embryos from diabetic rats during early organogene-

sis. Reprod Toxicol 32(4): 449-462

5. Stevens LJ and Page-McCaw A (2012) A secreted MMP is required for

reepithelialization during wound healing. Mol Biol Cell 23(6): 1068-

1079

6. Liu Y, Min D, Bolton T, Nure V, Twigg SM, Yue DK, McLennan SV

(2009) Increased matrix metalloproteinases-9 predicts poor wound he-

aling in diabetic foot ulcers. Diabetes Care 32: 117-119

7. Zhang H, Chang M, Hansen CN, Basso DM, Noble-Haeusslein LJ

(2011) Role of matrix metalloproteinases and therapeutic benefits of

their inhibition in spinal cord injury. Neurotherapeutics 8: 206-220

8. Surnani DP, Chavan-Gautam PM, Pisal HR, Mehendale SS, Joshi SR

(2012) matrix metalloproteinases-1 and -9 in human placenta during

spontaneous vaginal delivery and caesarean sectioning in preterm

pregnancy. PLoS One 7: e29855-e29891

9. Vu TH, Werb Z (2000) Matrix metalloproteinases: effectors of develop-

ment and normal physiology. Genes Dev 14: 2123-2133

10. Mandal M, Mandal A, Das S, Chakraborti T, Chakraborti S (2003) Cli-

nical implications of matrix metalloproteinases. Mol Cel Biochem 252:

305-329

11. Nghia TVL, Xue M, Castelnoble LA, Jackson CJ (2007) The dual per-

sonalities of matrix metalloproteinases in inflammation. Front Biosc

12: 1475-1487

12. Raffetto JD, Khalil RA (2008) Matrix metalloproteinases and their in-

hibitors in vascular remodelling and vascular disease. Biochem Pharm

75: 346-359

13. Yamashita CM, Dolgonos L, Zemans RL, Young SK, Robertson J,

Briones N, Suzuki T, Campbell MN, Gauldie J, Radisky DC, Riches

DW, Yu G, Kaminski N, McCulloch CA, Downey GP (2011) Matrix

metalloproteinase 3 is a mediator of pulonary fibrosis. Am J Pathol

179: 1733-1745

14. Mizoguchi H, Yamada K, Nabeshima T (2011) Matrix metalloprote-

inases contribute to neuronal dysfunction in animal models of drug

dependence, Alzheimer’s disease, and epilepsy. Biochem Res Int, w

druku

15. Decock J, Thirkettle S, Wagstaff L, Edwards DR (2011) Matrix metal-

loproteinases: protective roles in cancer. J Cel Mol Med 15: 1254-1265

16. Groblewska M, Tycińska A, Mroczko B, Musiał W, Szmitkowski M

(2011) Metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej w chorobach

układu krążenia. Pol Merk Lek 178: 235-240

17. Churg A, Zhou S, Wright JI (2012) Matrix metalloproteinases in COPD.

ERJ 39: 197-209

18. Meng-Huee L, Murphy G (2004) Matrix metalloproteinases at a glance.

J Cell Sci 117: 4015-4016.

19. Marino G, Funk C (2012) Matrix metalloproteinases in plants: a brief

overview. Physiol Plant 145: 196-202

20. Hadler-Olsen E, Fadnes B, Syle I, Uhin-Hansen L, Winberg JO (2011)

Regulation of matrix metalloproteinase activity in health and disease

FEBS J 278: 28-45.

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

361

21. Brinckerhoff CE, Matrisian LM (2002) Matrix metalloproteinases: a tail

of frog that became a prince. Nat Rev Mol Cell Biol 3: 207-214

22. Piccard H, Van den Steen PE, Opdenakker G (2007) Hemopexin do-

mains as multifunctional liganding modules in matrix metalloprotein-

ases and other proteins. J Leukoc Biol 81: 870-892

23. Lipka D, Boratyński J (2008) Metaloproteinazy MMP. Struktura i funk-

cja. Postepy Hig Med Dosw 62: 328-336

24. Olson MW, Bernardo MM, Pietila M, Gervasi DC, Toth M, Kotra LP,

Massova I, Mobashery S, Fridman T (2000) Characterization of the mo-

nomeric and dimeric forms of latent and active matrix metalloprotein-

ase-9. Differential rates for activation by stromelysin-1. J Biol Chem

275: 2661-2668

25. Nagase H, Visse R, Murphy G (2006) Structure and function of matrix

metalloproteinases and TIMPs. Cardiovasc Res 69: 562-573

26. Cauwe B, Van den Steen, Opdenakker G (2007) The biochemical, bio-

logical, and pathological kaleidoscope of cell surface substrates pro-

cessed by matrix metalloproteinases. Cri Rev Biochem Mol Biol 42:

113-185

27. Visse R, Nagase H (2003) Matrix metalloproteinases and tissue inhibi-

tors of metalloproteinases: structure, function, and biochemistry. Circ

Res 92: 827-839

28. Hrabec E, Naduk J, Stręk M, Hrabec Z (2007) Kolagenazy typu IV

(MMP-2 i MMP-9) i ich substraty — białka macierzy pozakomórko-

wej, hormony, cytokiny i ich receptory. Postepy Biochem 53: 37-45

29. Butler GS, Overall CM (2009) Updated biological roles for matrix me-

talloproteinases and new “intracellular” substrates revealed by degra-

domics. Biochemistry 48: 10830-10845

30. Morrison CJ, Butler GS, Rodriguez D, Overall CM (2009) Matrix me-

talloproteinase proteomics: substrates, targets, and therapy. Curr Op

Cell Biol 21: 645-653

31. Nagase H, Woessner JF (1999) Matrix metalloproteinases J Biol Chem

274: 21491-21494

32. Olszyński K, Zimowska M (2009) Budowa i funkcja metaloproteinaz

macierzy zewnątrzkomórkowej. Postepy Biochem 55: 76-84

33. Brew K, Dinakarpandian D, Nagase H (2000) Tissue inhibitors of me-

talloproteinases: evolution, structure and function. Biochim Biophys

Acta 1477: 267-283

34. Baker EA, Leaper DJ (2003) The plasminogen activator and matrix

metalloproteinase system in colorectal cancer: relationship to tumour

pathology. Eur J Cancer 39: 981-988

35. Yu WH, Woessner JF Jr (2000) Heparan sulfate proteoglycans as extra-

cellular docking molecules for matrilysin (matrix metalloproteinase 7).

J Biol Chem 275: 4183-4191

36. D’Alessio S, Ferrari G, Cinnante K, Scheerer W, Galloway AC, Roses

DF, Rozanov DV, Remacle AG, Oh ES, Shiryaev SA et al (2008) Tissue

inhibitor of metalloproteinases-2 binding to membrane-type 1 matrix

metalloproteinase indices MAPK activation and cell growth by a non-

-proteolytic mechanism. J Biol Chem 283: 87-99

37. Aldonyte R, Brantly M, Block E, Patel J, Zhang J (2009) Nuclear locali-

zation of active matrix metalloproteinase-2 in cigarette smoke-exposed

apoptotic endothelial cells. Exp Lung Res 35: 59-75

38. Yang Y, Candelario-Jalil E, Thompson JF, Cuadrado E, Estrada EY, Ro-

sell A, Montaner J, Rosenberg GA (2010) Increased intranuclear matrix

metalloproteinase activity in neurons interferes with oxidative DNA

repair in focal cerebral ischemia. J Neurochem 112: 134-149

39. Lee S, Park HI, Sang QX (2007) Calcium regulates tertiary structure

and enzymatic activity of human endometase/matrilysin-2 and its

role in promoting human breast cancer cell invasion. Biochem J 403:

31-42

40. Mancini A, Di Battista JA (2006) Transcriptional regulation of matrix

metalloproteinase gene expression in health and disease. Front Biosci

11: 423-446

41. Vincenti MP, Brinckerhoff CE (2007) Signal transduction and cell-type

specific regulation of matrix metalloproteinase gene expression: Can

MMPs be good for you? J Cell Physiol 213: 355-364

42. Yan C, Boyd DD (2007) Regulation of matrix metalloproteinase gene

expression. J Cell Physiol 211: 19-26

43. Raymond I, Eck S, Mollmark J, Hays E, Tomek I, Kantor S, Elliott S,

Vincenti M (2006) Interleukin-1 beta induction of matrix metallopro-

teinase-1 transcription in chondrocytes requires ERK-dependent acti-

vation of CCAAT enhancer-binding protein-beta. J Cell Physiol 207:

683-688

44. Palosaari H, Pennington CJ, Larmas M, Edwards DR, Tjäderhane L,

Salo T (2003) Expression profile of matrix metalloproteinases (MMPs)

and tissue inhibitors of MMPs (TIMPs) in mature human odontoblasts

and pulp tissue. Eur J Oral Sci 111: 1–11

45. Łukaszewicz-Zając M, Mroczko B, Szmitkowski M (2009) Znaczenie

metaloproteinaz i ich inhibitorów w raku żołądka. Postepy Hig Med.

Dosw 63: 258-265

46. Yaghooti H, Firoozrai M, Fallah S, Khorramizadeh MR (2010) Angio-

tensin II differentially induces matrix metalloproteinase-9 and tissue

inhibitor of metalloproteinase-1 production and disturbs MMP/TIMP

balance. Avicenna J Med Biotech 2: 79-85

47. Baker AH, Edwards DR, Murphy G (2002) Metalloproteinase inhibi-

tors: biological actions and therapeutic opportunities J Cell Sci 115:

3719-3727

48. Ganea E, Trifan M, Laslo AC, Putina G, Cristescu C (2007) Matrix me-

talloproteinases: useful and deleterious. Biochem Soc Transc 35: 689-

691

49. Page-McCaw A, Ewald AJ, Werb Z (2007) Matrix metalloproteinases

and the regulation of tissue remodelling. Nat Rev Mol Cell Biol 8: 221-

33

50. Miossec , Korn T, Kuchroo VK (2009) Interleukin-17 and type 17 helper

T cells. N Engl J Med 361: 888-898

51. Derosa G, D’Angelo A, Ciccarelli L, Piccinni MN, Pricolo F, Salvadeo

S, Montagna L, Gravina A, Ferrari I, Galli S, Paniga S, Tinelli C, Cicero

A (2006) Matrix metalloproteinase-2, -9, and tissue inhibitor of metal-

loproteinase-1 in patients with hypertension. Endothelium 13: 227-231

52. Peeters ACTM, Netea MG, Janssen MCH, Kullberg BJ, Van der Meer

WM, Thien T (2001) Pro-inflammatory cytokines in patients with es-

sential hypertension. Eur J Clin Invest 31: 31-36

53. Chon H, Gaillard CAJM, van der Meijden BB, Dijstelbloem HM, Kraai-

jenhagen RJ, van Leenen D, Holstege FCP, Joles JA, Bluyssen HAR,

Koomans HA, Braam B (2004) Broadly altered gene expression in

blood leukocytes in essential hypertension is absent during treatment.

Hypertension 43: 947-951

54. Pauletto P, Rattazzi M (2006) Inflammation and hypertension: the

search for a link. Nephrol Dial Transplant 21: 850-853

55. Kaczmarek L, Lapińska-Dzwonek J, Szymczak S (2002) Matrix metal-

loproteinases in the adult brain physiology: a link between c-Fos, AP-1

and remodeling of neuronal connections? EMBO J 21: 6643-6648

56. Yong VW, Power C, Forsyth P, Edwards DR (2001) Metalloproteinases

in biology and pathology of the nervous system. Nat Rev Neurosci 2:

502-511

57. Mizoguchi H, Yamada K, Nabeshima T (2011) Matrix metallopro-

teinases contribute to neuronal dysfunction in animal models of drug

dependence, Alzheimer’s disease, and epilepsy. Biochem Res Int, w

druku

58. Yong VW, Agrawal SM, Stirling DP (2007) Targeting MMPs in acute

and chronic neurological condition. Neurotherapeutics 4: 580-589

59. Cobos-Correa A, Trojanek JB, Diemer S, Mall MA, Schultz C (2009)

Membrane-bound FRET probe visualizes MMP12 activity in pulmo-

nary inflammation. Nature Chem Biol 5: 628-630

60. Mall MA, Harkema JR, Trojanek JB, Treis D, Livraghi A, Schubert

S, Zhou Z, Kreda SM, Tilley SL, Hudson EJ, O’Neal WK, Boucher

RC (2008) Development of chronical bronchitis and emphysema in

β-epithelial Na

+

channel- overexpressing mice. Am J Respir Crit Care

Med 177: 730-742

61. Żebrowska A, Wysoczyńska K, Waszczykowska E (2005) Adamalizy-

ny — metaloproteinazy biorące udział w patofizjologii chorób skóry.

Alergia Astma Immunologia 10: 187-193

62. Edwards DR, Handsley MM, Pennington CJ (2008) The ADAM metal-

loproteinases. Mol Asp Med 29: 258-289

362

www.postepybiochemii.pl

Matrix metalloproteinases and their tissue inhibitors

Joanna Trojanek

*

Departament of Microbiology and Clinical Immunology, The Children’s Memorial Health Institute, 20 Aleja Dzieci Polskich; 04-730 Warsaw,

Poland

*

e-mail: [e-mail]; [e-mail]

Key words: extracellular matrix, extracellular matrix metalloproteinases, tissue inhibitors, remodeling, fibrosis, MMP/TIMP ratio

ABSTRACT

Matrix metalloproteinases (MMPs), also known as matrixins are endoproteinases that degrading protein components of the extracellular ma-

trix (ECM), cause its restoration and reconstruction. In this way, retain the appropriate structure of the ECM and basement membrane during

both: physiological processes and pathological conditions. Changes in the structure of the ECM are accompanied by physiological processes

such as embryogenesis, angiogenesis, apoptosis, and development and rebuilding of connective tissue. Under physiological conditions, the

activity of MMPs is regulated at the transcriptional level, activation of proMMP precursor zymogens and interactions with endogenous in-

hibitors (tissue inhibitors of metalloproteinases, TIMPs). The imbalance in the system of MMPs/TIMPs induces the development of many

diseases, including cancer, fibrosis, arthritis, cardiovascular diseases, neurological and autoimmune disorders. The publication describes the

types of metalloproteinases, their structure, function and regulation of activity and endogenous inhibitors of MMPs.

63. Apte SS (2004) A disintegrin-like and metalloprotease (reprolysin

type) with trombospondin type 1motifs: the ADAMTS family. IJBCB

36: 981-985

64. Tang BL, Hong W (1999) ADAMTs: A novel family of proteases with

an ADAM protease domain and thrombospondin 1 repeats. FEBS Lett

445: 223-225

65. Clark IM, Swingler TE, Sampieri CL, Edwards DR (2008) The regula-

tion of matrix metalloproteinases and their inhibitors. Internat J Bio-

chem Cell Biol 40: 1362-1378

66. Sorsa T, Tervahartiala T, Leppilahti J, Hernandez M, Amonal J, Atu-

omainen AM, Lauhio A, Pussinen PJ, Mäntylä P (2011) Collagenase-2

(MMP-8) as a point-of-care biomarker in periodontitis and cardiovas-

cular diseases. Therapeutic response to non-antimicrobial properties

of tetracyclines. Pharmacol Res 63: 108-113

67. Troeberg L, Nagase H (2012) Proteases involved in cartilage matrix

degradation in osteoarthritis. Biochim Biophys Acta 1824: 133-45

68. Rodriguez JA, Orbe J, Martinez de Lizarrondo S, Calvayrac O, Rodri-

guez C, Martinez-Gonzalez J, Paramo JA (2008) Metalloproteinases

and atherothrombosis: MMP-10 mediates vascular remodeling pro-

moted by inflammatory stimuli. Front Biosci 13: 2916-2921

69. Motrescu ER, Rio MC (2008) Cancer cells, adipocytes and matrix me-

talloproteinase 11: a vicious tumor progression cycle. Biol Chem 389:

1037-1041

70. Ito E, Yana I, Fujita C, Irifune A, Takeda M, Madachi A, Mori S, Hama-

da Y, Kawaguchi N, Matsuura N (2010) The role of MT2-MMP in can-

cer progression. Biochem Biophys Res Commun 393: 222-227

71. Ferraro GB, Morrison CJ, Overall CM, Strittmatter SM, Fournier AE

(2011) Membrane-type matrix metalloproteinase-3 regulates neuronal

responsiveness to myelin through Nogo-66 receptor 1 cleavage. J Biol

Chem 286: 31418-31424

72. Tatti O, Arjama M, Ranki A, Weiss SJ, Keski-Oja J, Lehti K (2011)

membrane-type-3 matrix metalloproteinase (MT3-MMP) functions as

a matrix composition-dependent effector of melanoma cell invasion.

PLoS One 6: e28325

73. Sohail A, Marco M, Zhao H, Shi Q, Merrman S, Mobashery S, Fridman

R (2011) Characterization of the dimerization interface of membrane

type 4 (MT4)-matrix metalloproteinase. J Biol Chem 286: 33178-33189

74. Folgueras AR, Valdes-Sanchez T, Llano E, Menendez L, Baamonde A,

Denlinger BL, Belmonte C, Juarez L, Lastra A, Garcia-Suarez O, Astu-

dillo A, Kirstein M, Pendas AM, Farinas I, Lopez-Otin C (2009) Metal-

loproteinase MT5-MMP is an essential modulator of neuro-immune

interactions in thermal pain stimulation. Proc Natl Acad Sci USA 106:

16451-16456

75. Sohail A, Sun Q, Zhao H, Bernardo MM, Cho JA, Fridman R (2008)

MT4-(MMP17) and MT6-MMP (MMP25), a unique set of membrane-

anchored matrix metalloproteinases: properties and expression in can-

cer. Cancer Metastasis Rev 27: 289-302

76. Tomlinson ML, Garcia-Morales C, Abu-Elmagd M, Wheeler GN (2008)

Three matrix metalloprotenases are required in vivo for macrophage

migration durng embryonic development. Mech Dev 125: 1059-1070

77. Brauer R, Beck IM, Roderfeld M, Roeb E, Sedlacek R (2011) Matrix

metaloproteinase-19 inhibits growth of endothelial cells by generating

angiostatin-like fragments from plasminogen. BMC Biochem 12: 38

78. Suomela S, Koljonen V, Skoog T, Kukko H, Böhling T, Saarialho-Kere

U (2009) Expression of MMP-10, MMP-21, MMP-26, and MMP-28 in

Merkel cell carcinoma. Virchows Arch 455: 495-503