Матричные металлопротеиназы ( ММП ), также известные как матриксные металлопептидазы или матриксины , представляют собой металлопротеиназы, которые представляют собой кальций- зависимые цинк- содержащие эндопептидазы ; [1] другими членами семейства являются адамализины , серрализины и астацины . ММП принадлежат к большему семейству протеаз, известному как суперсемейство метцинцинов . [2]
Матричная металлопротеиназа | |
---|---|
Идентификаторы | |
Символ | ММП |
Клан пфам | CL0126 |
ИнтерПро | IPR021190 |
Мембранома | 317 |
В совокупности эти ферменты способны разрушать все виды белков внеклеточного матрикса , но также могут обрабатывать ряд биоактивных молекул. Известно, что они участвуют в расщеплении рецепторов клеточной поверхности , высвобождении апоптотических лигандов (таких как лиганд FAS ) и инактивации хемокинов / цитокинов . [3] Также считается, что ММП играют важную роль в поведении клеток, таком как пролиферация , миграция ( адгезия / дисперсия), дифференцировка , ангиогенез , апоптоз и защита хозяина .
Впервые они были описаны у позвоночных (1962) [4], включая человека, но с тех пор были обнаружены у беспозвоночных и растений. Они отличаются от других эндопептидаз своей зависимостью от ионов металлов как кофакторов , их способностью разрушать внеклеточный матрикс и их специфической эволюционной последовательностью ДНК .
История
Первоначально ММП были описаны Джеромом Гроссом и Чарльзом Лапьером (1962), которые наблюдали ферментативную активность ( деградацию тройной спирали коллагена ) во время метаморфоза хвоста головастика (помещая хвост головастика в пластину коллагенового матрикса). [5] Поэтому фермент был назван интерстициальной коллагеназой ( ММП-1 ).
Позже он был очищен от кожи человека (1968), [6] и признан синтезированным как зимоген . [7]
«Цистеиновый переключатель» был описан в 1990 году [8].
Состав
MMP имеют общую доменную структуру . Эти три общих домены про-пептид, то каталитический домен , и хамопексин -подобного С-концевого домен, который связан с каталитическим доменом посредством гибкой шарнирной области. [2]
Пропептид
Первоначально ММП синтезируются как неактивные зимогены с пропептидным доменом, который необходимо удалить до того, как фермент станет активным. Пропептидный домен является частью «цистеинового переключателя». Он содержит консервативный остаток цистеина, который взаимодействует с цинком в активном центре и предотвращает связывание и расщепление субстрата , сохраняя фермент в неактивной форме. В большинстве MMP остаток цистеина находится в консервативной последовательности PRCGxPD. Некоторые ММП имеют сайт расщепления прогормон-конвертазой (фурин-подобный) как часть этого домена, который при расщеплении активирует фермент. MMP-23A и MMP-23B включают трансмембранный сегмент в этом домене. [9]
Каталитический домен
Рентгеновские кристаллографические структуры нескольких каталитических доменов ММП показали, что этот домен представляет собой сплюснутую сферу размером 35 x 30 x 30 Å (3,5 x 3 x 3 нм ). Активный сайт является 20 Å (2 нм) , что канавка проходит через каталитический домен. В части каталитического домена, образующей активный центр, находится каталитически важный ион Zn 2+ , который связан с тремя остатками гистидина, обнаруженными в консервативной последовательности HExxHxxGxxH. Следовательно, эта последовательность является мотивом, связывающим цинк.
В желатиназах , такие как ММР-2 , включают фибронектин модули типа II , вставленные непосредственно перед в цинке -связывающего мотиве в каталитическом домене. [10]
Шарнирная область
Каталитический домен соединен с С-концевым доменом гибкой шарнирной или линкерной областью. Он состоит из 75 аминокислот и не имеет поддающейся определению структуры.
Гемопексин-подобный C-концевой домен
С-концевой домен имеет структурное сходство с сывороточным белком гемопексином . Он имеет четырехлопастную конструкцию β-винта. Структуры β-пропеллера обеспечивают большую плоскую поверхность, которая, как считается, участвует в межбелковых взаимодействиях . Это определяет специфичность субстрата и является местом взаимодействия с ТИМП ( тканевым ингибитором металлопротеиназ ). Гемопексиноподобный домен отсутствует у ММР-7 , ММР-23, ММП-26, а также у растений и нематод . Связанные с мембраной ММП (МТ-ММП) прикреплены к плазматической мембране через трансмембранный или заякоренный домен GPI.
Каталитический механизм
Опубликованы три каталитических механизма.
- В первом механизме Browner MF и его коллеги [11] предложили механизм основного катализа, осуществляемый консервативным остатком глутамата и ионом Zn 2+ .
- Во втором механизме, механизме Мэтьюза, Кестер и Мэтьюз [12] предположили взаимодействие между молекулой воды и ионом Zn 2+ во время кислотно-основного катализа .
- В третьем механизме, механизме Манцетти, Манцетти Серджио и его коллеги [13] предоставили доказательства того, что координация между водой и цинком во время катализа маловероятна, и предложили третий механизм, в котором гистидин из мотива HExxHxxGxxH участвует в катализе , позволяя Ион Zn 2+ принимает квазипента-координированное состояние путем его диссоциации от него. В этом состоянии ион Zn 2+ координирован с двумя атомами кислорода каталитической глутаминовой кислоты, карбонильным атомом кислорода субстрата и двумя остатками гистидина и может поляризовать атом кислорода глутаминовой кислоты, приближаться к ножницеобразной связи и индуцировать он действует как обратимый донор электронов. Это образует переходное состояние оксианиона. На этом этапе молекула воды воздействует на диссоциированную ножничную связь и завершает гидролиз субстрата.
Классификация
MMP можно подразделить по-разному.
Эволюционный
Использование биоинформатических методов для сравнения первичных последовательностей ММП позволяет предположить следующие эволюционные группировки ММП:
- ММП-19
- MMP 11, 14 , 15, 16 и 17
- ММП-2 и ММП-9
- Все остальные MMP
Анализ каталитических доменов в изоляции предполагает , что каталитические домены развивались дальше , как только основные группы дифференцировались, а также указывает на субстрат специфичности этих ферментов .
Функциональный
Наиболее часто используемые группы (исследователями в области биологии ММП) основаны частично на исторической оценке субстратной специфичности ММП и частично на клеточной локализации ММП. Эти группы представляют собой коллагеназы, желатиназы, стромелизины и ММП мембранного типа (МТ-ММП).
- В коллагеназы способны разлагать трехспирального фибриллярных коллагенов в отличительные 3/4 и 1/4 фрагментов. Эти коллагены являются основными компонентами костей , хрящей и дентина , а ММП - единственные известные ферменты млекопитающих, способные их расщеплять. Коллагеназы - это №1, №8, №13 и №18. Кроме того, было показано, что №14 расщепляет фибриллярный коллаген , и есть доказательства того, что №2 способен к коллагенолизу. В MeSH текущий список коллагеназ включает № 1, № 2, № 8, № 9 и № 13. Коллагеназа № 14 присутствует в MeSH, но не указана как коллагеназа, а № 18 - отсутствует в MeSH.
- Основными субстратами желатиназ являются коллаген IV типа и желатин , и эти ферменты отличаются наличием дополнительного домена, встроенного в каталитический домен. Эта связывающая желатин область расположена непосредственно перед цинк-связывающим мотивом и образует отдельную фолдинговую единицу, которая не нарушает структуру каталитического домена. Желатиназы - №2 и №9.
- Стромелизины обладают широкой способностью расщеплять белки внеклеточного матрикса, но неспособны расщеплять трехспиральные фибриллярные коллагены. Три канонических члена этой группы - № 3, № 10 и № 11.
- Все шесть ММП мембранного типа ( № 14 , № 15, № 16, № 17, № 24 и № 25) имеют сайт расщепления фурином в пропептиде, который также является общим для №11.
Однако становится все более очевидным, что это деление несколько искусственно, поскольку есть ряд MMP, которые не вписываются ни в одну из традиционных групп.
Гены
Ген | Имя | Псевдонимы | Место расположения | Описание |
MMP1 | Интерстициальная коллагеназа | CLG, CLGN | секретный | Субстраты включают Col I, II, III, VII, VIII, X, желатин. |
MMP2 | Желатиназа-A, желатиназа 72 кДа | секретный | Субстраты включают желатин, Col I, II, III, IV, Vii, X | |
MMP3 | Стромелизин 1 | ЧДС6, ММП-3, СЛ-1, СТМИ, СТМИ1, СТР1 | секретный | Субстраты включают Col II, IV, IX, X, XI, желатин. |
MMP7 | Матрилизин, НАСОС 1 | ММП-7, МПСЛ1, НАСОС-1 | секретный | мембрана связана через связывание с сульфатом холестерина в клеточных мембранах, субстраты включают: фибронектин, ламинин, Col IV, желатин |
MMP8 | Коллагеназа нейтрофилов | CLG1, HNC, MMP-8, PMNL-CL | секретный | Субстраты включают Col I, II, III, VII, VIII, X, аггрекан, желатин. |
MMP9 | Желатиназа-B, желатиназа 92 кДа | CLG4B, GELB, MANDP2, MMP-9 | секретный | Субстраты включают желатин, Col IV, V |
MMP10 | Стромелизин 2 | SL-2, STMY2 | секретный | Субстраты включают Col IV, ламинин, фибронектин, эластин. |
MMP11 | Стромелизин 3 | СЛ-3, СТ3, СТМИ3 | секретный | ММП-11 проявляет большее сходство с МТ-ММП, активируется конвертазой и секретируется, поэтому обычно ассоциируется с ММП, активируемыми конвертазой. Субстраты включают Col IV, фибронектин, ламинин, аггрекан. |
MMP12 | Макрофаги металлоэластазы | HME, ME, MME, MMP-12 | секретный | Субстраты включают эластин, фибронектин, Col IV. |
MMP13 | Коллагеназа 3 | CLG3, MANDP1, MMP-13 | секретный | Субстраты включают Col I, II, III, IV, IX, X, XIV, желатин. |
MMP14 | МТ1-ММП | MMP-14, MMP-X1, MT-MMP, MT-MMP 1, MT1-MMP, MT1MMP, MTMMP1, WNCHRS | мембранно-связанный | трансмембранный ММП I типа; субстраты включают желатин, фибронектин, ламинин |
MMP15 | МТ2-ММП | MT2-MMP, MTMMP2, SMCP-2, MMP-15, MT2MMP | мембранно-связанный | трансмембранный ММП I типа; субстраты включают желатин, фибронектин, ламинин |
MMP16 | MT3-MMP | C8orf57, MMP-X2, MT-MMP2, MT-MMP3, MT3-MMP | мембранно-связанный | трансмембранный ММП I типа; субстраты включают желатин, фибронектин, ламинин |
MMP17 | MT4-MMP | MT4-MMP, MMP-17, MT4MMP, MTMMP4 | мембранно-связанный | гликозилфосфатидилинозитол- присоединенный; субстраты включают фибриноген, фибрин |
MMP18 | Коллагеназа 4, xcol4, коллагеназа xenopus | - | Нет известных человеческих ортологов | |
MMP19 | RASI-1, иногда называемый стромелизин-4 | ММП18, РАСИ-1, КОДА | - | |
MMP20 | Эмелизин | АИ2А2, ММП-20 | секретный | |
MMP21 | X-MMP | ММП-21, HTX7 | секретный | |
MMP23A | CA-MMP | мембранно-связанный | Трансмембранный цистеиновый массив типа II | |
MMP23B | - | MIFR, MIFR-1, MMP22, MMP23A | мембранно-связанный | Трансмембранный цистеиновый массив типа II |
MMP24 | MT5-MMP | MMP-24, MMP25, MT-MMP 5, MT-MMP5, MT5-MMP, MT5MMP, MTMMP5 | мембранно-связанный | трансмембранный ММП типа I |
MMP25 | MT6-MMP | MMP-25, MMP20, MMP20A, MMPL1, MT-MMP 6, MT-MMP6, MT6-MMP, MT6MMP, MTMMP6 | мембранно-связанный | гликозилфосфатидилинозитол- присоединенный |
MMP26 | Матрилизин-2, эндометаза | - | ||
MMP27 | ММП-22, С-ММП | ММП-27 | - | |
MMP28 | Эпилизин | ЭПИЛИЗИН, ММ28, ММП-25, ММП-28, ММП25 | секретный | Обнаружен в 2001 году и получил свое название из-за того, что был обнаружен в кератиноцитах человека . В отличие от других ММП, этот фермент конститутивно экспрессируется во многих тканях (высоко экспрессируется в семенниках и на более низких уровнях в легких , сердце , головном мозге, толстой кишке , кишечнике , плаценте , слюнных железах , матке , коже). Треонин заменяет пролин в его переключателе цистеина (PRCGVTD). [14] |
Матричные металлопротеиназы объединяются с металло-связывающим белком, металлотионином; таким образом помогая в механизме связывания металла.
Функция
ММП играют важную роль в ремоделировании тканей, связанных с различными физиологическими или патологическими процессами, такими как морфогенез , ангиогенез , восстановление тканей , цирроз , артрит и метастазирование . Считается, что ММП-2 и ММП-9 играют важную роль в метастазировании. Считается, что MMP-1 важен при ревматоидном артрите и остеоартрите. Последние данные свидетельствуют об активной роли ММП в патогенезе аневризмы аорты. Избыток ММП разрушает структурные белки стенки аорты. Нарушение баланса между MMP и TIMP также характерно для острых и хронических сердечно-сосудистых заболеваний. [15]
Активация
Все ММП синтезируются в латентной форме (зимоген). Они секретируются как проферменты и требуют внеклеточной активации. Они могут быть активированы in vitro многими механизмами, включая ртутьорганические, хаотропные агенты и другие протеазы.
Ингибиторы
ММП ингибируются специфическим эндогенным тканевым ингибитором металлопротеиназ (ТИМП), которые составляют семейство из четырех ингибиторов протеаз : ТИМП-1, ТИМП-2, ТИМП-3 и ТИМП-4.
Синтетические ингибиторы обычно содержат хелатирующую группу, которая прочно связывает каталитический атом цинка в активном центре ММП . Общие хелатирующие группы включают гидроксаматы , карбоксилаты , тиолы и фосфинилы . Гидроксиматы являются особенно мощными ингибиторами ММП и других цинк-зависимых ферментов из-за их бидентатного хелатирования атома цинка. Другие заместители этих ингибиторов обычно предназначены для взаимодействия с различными карманами связывания на интересующей ММП, делая ингибитор более или менее специфичным для данных ММП. [2]
Фармакология
Доксициклин в субантимикробных дозах подавляет активность ММП и использовался для этой цели в различных экспериментальных системах, например, для лечения устойчивых рецидивирующих эрозий роговицы. Он используется в клинических условиях для лечения заболеваний пародонта и является единственным ингибитором ММП, который широко доступен в клинической практике. Он продается под торговой маркой Periostat компанией CollaGenex . Миноциклин, другой антибиотик тетрациклинового ряда, также ингибирует активность ММП.
Ряд рационально разработанных ингибиторов ММП показали некоторые перспективы в лечении патологий, в которые, как предполагается, вовлечены ММП (см. Выше). Однако большинство из них, такие как маримастат (BB-2516), ингибитор ММП широкого спектра действия, и ципемастат (Ro 32-3555), селективный ингибитор ММП-1 , плохо себя показали в клинических испытаниях . Неудача Маримастата была частично причиной сворачивания компании British Biotech , которая его разработала. Неудача этих препаратов была вызвана в основном токсичностью (в частности, скелетно-мышечной токсичностью в случае ингибиторов широкого спектра действия) и неспособностью показать ожидаемые результаты (в случае троакады многообещающие результаты на моделях артрита кроликов не были воспроизведены в испытания на людях). Причины разочаровывающих клинических результатов ингибиторов ММП неясны, особенно в свете их активности на животных моделях .
Смотрите также
- Протеазы в ангиогенезе
- Открытие лекарств и разработка ингибиторов ММП
- Гибридизирующий пептид коллагена , пептид, который может связывать и окрашивать расщепленный ММП коллаген.
Рекомендации
- ^ Верма RP, Хэнш C (март 2007). «Матричные металлопротеиназы (MMP): химико-биологические функции и (Q) SAR» (PDF) . Биоорг. Med. Chem. 15 (6): 2223–68. DOI : 10.1016 / j.bmc.2007.01.011 . PMID 17275314 . Архивировано 13 мая 2015 года из оригинального (PDF) . Проверено 21 октября 2015 года .
- ^ a b c Матричные металлопротеиназы: их значение при сердечно-сосудистых заболеваниях
- ^ Ван Линт П., Либерт С. (декабрь 2007 г.). «Обработка хемокинов и цитокинов матриксными металлопротеиназами и их влияние на миграцию лейкоцитов и воспаление» . J. Leukoc. Биол. 82 (6): 1375–81. DOI : 10,1189 / jlb.0607338 . PMID 17709402 .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Gross, J .; Лапьер, CM (июнь 1962 г.). «Коллагенолитическая активность в тканях земноводных: анализ культуры ткани» . Труды Национальной академии наук . 48 (6): 1014–22. Bibcode : 1962PNAS ... 48.1014G . DOI : 10.1073 / pnas.48.6.1014 . PMC 220898 . PMID 13902219 .
- ^ Гросс Дж, Лапьер С. (1962). «Коллагенолитическая активность в тканях земноводных: анализ тканевой культуры» . Proc Natl Acad Sci USA . 48 (6): 1014–22. Bibcode : 1962PNAS ... 48.1014G . DOI : 10.1073 / pnas.48.6.1014 . PMC 220898 . PMID 13902219 .
- ^ Эйзен А., Джеффри Дж., Гросс Дж. (1968). «Коллагеназа кожи человека. Выделение и механизм атаки на молекулу коллагена». Biochim Biophys Acta . 151 (3): 637–45. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (68) 90010-7 . PMID 4967132 .
- ^ Харпер Э, Блох К., Гросс Дж. (1971). «Зимоген коллагеназы головастиков». Биохимия . 10 (16): 3035–41. DOI : 10.1021 / bi00792a008 . PMID 4331330 .
- ^ Ван Варт Х, Биркедал-Хансен Х (1990). «Цистеиновый переключатель: принцип регуляции активности металлопротеиназы с потенциальной применимостью ко всему семейству генов матриксных металлопротеиназ» . Proc Natl Acad Sci USA . 87 (14): 5578–82. Bibcode : 1990PNAS ... 87.5578V . DOI : 10.1073 / pnas.87.14.5578 . PMC 54368 . PMID 2164689 .
- ^ Пей Д., Кан Т., Ци Х. (2000). «Матричная металлопротеиназа цистеинового массива (CA-MMP) / MMP-23 представляет собой трансмембранную матричную металлопротеиназу типа II, регулируемую одним расщеплением как для секреции, так и для активации» . J Biol Chem . 275 (43): 33988–97. DOI : 10.1074 / jbc.M006493200 . PMID 10945999 .
- ^ Trexler M, Briknarová K, Gehrmann M, Llinás M, Patthy L (2003). «Пептидные лиганды для модулей фибронектина типа II матричной металлопротеиназы 2 (MMP-2)» . J Biol Chem . 278 (14): 12241–6. DOI : 10.1074 / jbc.M210116200 . PMID 12486137 .
- ^ Браунер М.Ф., Смит В.В., Кастельхано А.Л. (1995). «Комплексы матрилизин-ингибитор: общие темы среди металлопротеиназ». Биохимия . 34 (20): 6602–10. DOI : 10.1021 / bi00020a004 . PMID 7756291 .
- ^ Кестер WR, Мэтьюз BW (1977). «Кристаллографическое исследование связывания дипептидных ингибиторов с термолизином: влияние на механизм катализа». Биохимия . 16 (11): 2506–16. DOI : 10.1021 / bi00630a030 . PMID 861218 .
- ^ Manzetti S, McCulloch DR, Herington AC, van der Spoel D (2003). «Моделирование фермент-субстратных комплексов для металлопротеаз MMP-3, ADAM-9 и ADAM-10». J. Comput.-Aided Mol. Des . 17 (9): 551–65. Bibcode : 2003JCAMD..17..551M . DOI : 10,1023 / Б: JCAM.0000005765.13637.38 . PMID 14713188 . S2CID 17453639 .
- ^ Лохи Дж., Уилсон К.Л., Роби Дж. Д., Парки WC (2001). «Эпилизин, новая матричная металлопротеиназа человека (ММР-28), экспрессируемая в семенниках и кератиноцитах в ответ на повреждение» . J Biol Chem . 276 (13): 10134–10144. DOI : 10.1074 / jbc.M001599200 . PMID 11121398 .
- ^ Snoek-van Beurden PAM; Фон ден Хофф JW (2005). «Зимографические методы анализа матриксных металлопротеиназ и их ингибиторов» . Биотехнологии . 38 (1): 73–83. DOI : 10.2144 / 05381RV01 . PMID 15679089 .
Синергетический эффект полиморфизма промотора (-1171 5A-> 6A) промотора стромелизина-1 (матриксная металлопротеиназа-3) при субмукозном фиброзе полости рта и поражениях головы и шеи. Chaudhary AK, Singh M, Bharti AC, Singh M, Shukla S, Singh AK, Мехротра Р. BMC Рак. 14 июля 2010 г .; 10: 369.
Внешние ссылки
- MBInfo - Матричные металлопротеиназы (ММП) способствуют разборке внеклеточного матрикса
- Протеин матричной металлопротеиназы
- Внеклеточный протеолиз при fibrinolysis.org
- В настоящее время идентифицированные субстраты для ММП млекопитающих на clip.ubc.ca
- Матрица + металлопротеиназы в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)