Введение
Семья цинкозависимых металлоэндопептидаз
Матричные металлопротеиназы (ММП), также известные как матричные металлопептидазы или матриксины, – это металлопротеиназы, являющиеся цинк-зависимыми кальций-содержащими эндопептидазами; другие представители этого семейства – адамализины, серрализины и астацины. ММП принадлежат к более крупному семейству протеаз, известному как суперсемейство метцинцинов. В целом, эти ферменты способны расщеплять все виды белков внеклеточного матрикса, а также могут участвовать в процессинге ряда биоактивных молекул. Известно, что они вовлечены в расщепление клеточных поверхностных рецепторов, высвобождение апоптотических лигандов (таких как лиганд FAS) и инактивацию хемокинов/цитокинов. Считается, что ММП играют важную роль в клеточных процессах, таких как пролиферация клеток, миграция (адгезия/дисперсия), дифференцировка, ангиогенез, апоптоз и защита организма. Они были впервые описаны у позвоночных в 1962 году, включая человека, но впоследствии были обнаружены у беспозвоночных и растений. Они отличаются от других эндопептидаз зависимостью от ионов металлов в качестве кофакторов, способностью разрушать внеклеточный матрикс и специфической эволюционной последовательностью ДНК.
История
ММП были впервые описаны Джеромом Гроссом и Чарльзом Лапиером в 1962 году, которые наблюдали ферментативную активность (разрушение тройной спирали коллагена) во время метаморфозы хвоста головастика, поместив хвост головастика в коллагеновую матричную пластину. В связи с этим фермент был назван интерстициальной коллагеназой (ММП 1). Позже он был выделен и очищен из кожи человека (1968 год), и было установлено, что он синтезируется в виде зимогена. "Цистеиновый переключатель" был описан в 1990 году.
Структура
У ММП общая структура доменов. Три общих домена — это пропептид, каталитический домен и C-терминальный домен, подобный гемопексину, который соединен с каталитическим доменом гибким шарнирным участком.
Каталитическая область
Рентгеновские кристаллографические структуры нескольких каталитических доменов MMP показали, что этот домен имеет форму приплюснутой сферы размером 35 x 30 x 30 Å (3,5 × 3 x 3 нм). Активный центр представляет собой бороздку длиной 20 Å (2 нм), проходящую через каталитический домен. В части каталитического домена, формирующей активный центр, находится каталитически важный ион Zn2+, координированный тремя остатками гистидина, расположенными в консервативной последовательности HExxHxxGxxH. Таким образом, эта последовательность является мотивом связывания цинка. Желатиназы, такие как MMP 2, содержат модули фибронектина типа II, вставленные непосредственно перед мотивом связывания цинка в каталитическом домене.
Область шарниров
Каталитический домен соединен с C-концевым доменом гибким шарниром или линкерной областью. Эта область может содержать до 75 аминокислот и не имеет определяемой структуры.
Гемопексиноподобный C-концевой домен
С-терминальный домен имеет структурное сходство с сывороточным белком гемопексином. Он обладает четырехлопастной β-пропеллерной структурой. β-пропеллерные структуры обеспечивают большую плоскую поверхность, которая, как считается, участвует во взаимодействиях между белками. Это определяет специфичность к субстрату и является местом взаимодействия с ТИМП (ингибиторами тканевых металлопротеиназ). Домен, подобный гемопексину, отсутствует в MMP 7, MMP 23, MMP 26, а также у растений и нематод. Мембранные ММП (МТ-ММП) закреплены в плазматической мембране посредством трансмембранного или GPI-якорного домена.
Каталитический механизм
Было опубликовано три каталитических механизма. В первом механизме Брауннер М. Ф. и его коллеги предложили механизм базового катализа, осуществляемый консервированным остатком глутамата и ионом Zn2+. Во втором механизме, механизме Мэтьюса, Кестер и Мэтьюс предположили взаимодействие между молекулой воды и ионом Zn2+ в ходе кислотно-основного катализа. В третьем механизме, механизме Манцетти, Манцетти Серхио и его коллеги предоставили доказательства маловероятности координации между водой и цинком во время катализа и предложили альтернативный механизм, в котором гистидин из мотива HExxHxxGxxH участвует в катализе, позволяя иону Zn2+ переходить в квазипентакоординированное состояние посредством диссоциации. В этом состоянии ион Zn2+ координируется с двумя атомами кислорода каталитической глутаминовой кислоты, атомом карбонильного кислорода субстрата и двумя остатками гистидина, что позволяет ему поляризовать атом кислорода глутаминовой кислоты, находящийся вблизи расщепляемой связи, и индуцировать его к действию как обратимый донор электронов. Это приводит к образованию оксианионного переходного состояния. На этой стадии молекула воды атакует диссоциированную расщепляемую связь, завершая гидролиз субстрата.
Классификация
МПП можно подразделять различными способами.
Функциональные
Наиболее часто используемые группировки (исследователями в области биологии ММП) основаны частично на исторической оценке специфичности субстрата ММП и частично на клеточной локализации ММП. Эти группы – коллагеназы, желатиназы, стромализины и ММП мембранного типа (МТ ММП). Коллагеназы способны расщеплять тройно спиральные фибриллярные коллагены на характерные фрагменты 3/4 и 1/4. Эти коллагены являются основными компонентами кости, хряща и дентина, а ММП – единственные известные ферменты млекопитающих, способные их разрушать. Коллагеназы – № 1, № 8, № 13 и № 18. Кроме того, показано, что № 14 также расщепляет фибриллярный коллаген, и есть данные о способности № 2 к коллагенолизу. В MeSH текущий список коллагеназ включает № 1, № 2, № 8, № 9 и № 13. Коллагеназа № 14 присутствует в MeSH, но не классифицируется как коллагеназа, в то время как № 18 отсутствует в MeSH. Основными субстратами желатиназ являются коллаген IV типа и желатин, и эти ферменты отличаются наличием дополнительного домена, вставленного в каталитический домен. Этот участок связывания желатина расположен непосредственно перед мотивом связывания цинка и формирует отдельную складку, не нарушающую структуру каталитического домена. Желатиназы – № 2 и № 9. Стромализины демонстрируют широкую способность расщеплять белки внеклеточного матрикса, но не способны расщеплять тройно спиральные фибриллярные коллагены. Три канонических представителя этой группы – № 3, № 10 и № 11. Все шесть ММП мембранного типа (№ 14, № 15, № 16, № 17, № 24 и № 25) имеют сайт расщепления фурина в пропептиде, что также характерно для № 11. Однако становится все более очевидным, что эти деления несколько искусственны, поскольку существует ряд ММП, которые не вписываются ни в одну из традиционных групп.
Функция
ММП играют важную роль в ремоделировании тканей, связанном с различными физиологическими или патологическими процессами, такими как морфогенез, ангиогенез, восстановление тканей, цирроз, артрит и метастазирование. Считается, что MMP 2 и MMP 9 играют важную роль в метастазировании. MMP 1, как полагают, важен при ревматоидном и остеоартрите. Недавние данные указывают на активную роль ММП в патогенезе аневризмы аорты. Избыток ММП разрушает структурные белки стенки аорты. Нарушение баланса между ММП и TIMP также является характерной особенностью острых и хронических сердечно-сосудистых заболеваний.
Активация
Все ММП синтезируются в латентной форме (зимогены). Они секретируются в виде проэнзимов и требуют внеклеточной активации. Их можно активировать in vitro различными механизмами, включая органомеркуриалы, хаотропные агенты и другие протеазы.
Ингибиторы
ММП ингибируются специфическими эндогенными тканевыми ингибиторами 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. К распространенным хелатирующим группам относятся гидроксиматы, карбоксилаты, тиолы и фосфинилы. Гидроксиматы являются особенно эффективными ингибиторами ММП и других ферментов, зависимых от цинка, благодаря их бидентатной хелатации атома цинка. Другие заместители в этих ингибиторах обычно разрабатываются для взаимодействия с различными связывающими участками в интересующем ММП, что делает ингибитор более или менее специфичным для конкретных ММП.
Фармакология
Доксициклин в субмикробных дозах ингибирует активность ММП и использовался в различных экспериментальных системах для этой цели, например, при трудноизлечимых рецидивирующих эрозиях роговицы. Он применяется клинически для лечения пародонтита и является единственным широкодоступным ингибитором ММП. Он продается под торговым названием Periostat компанией CollaGenex. Миноциклин, другой тетрациклиновый антибиотик, также продемонстрировал способность ингибировать активность ММП. Ряд рационально разработанных ингибиторов ММП показал некоторую перспективность в лечении патологий, в которых подозревается участие 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, показали неудовлетворительные результаты в клинических испытаниях. Провал маримастата частично привел к ликвидации компании British Biotech, которая его разработала. Неудача этих препаратов в основном обусловлена токсичностью (в частности, мышечно-скелетной токсичностью в случае ингибиторов широкого спектра действия) и неспособностью продемонстрировать ожидаемые результаты (в случае трокада, многообещающие результаты в моделях артрита на кроликах не были воспроизведены в клинических исследованиях на людях). Причины в основном разочаровывающих клинических результатов ингибиторов ММП остаются неясными, особенно учитывая их активность в животных моделях.