摘要: 基质金属蛋白酶(MMPs) 及其天然组织型抑制物TIMPs是调节许多生理和病理过程中细胞外基质有序降解和重塑的重要分子。在卵巢的一个生殖周期中, 从卵泡的发育成熟、排卵到黄体的形成和退化以及卵泡闭锁都受到MMPs/TIMPs家族的精确调控。文章就MMPs家族在卵巢生殖周期中的功能和调控作一综述, 并简要介绍MMPs系统与多囊卵巢综合征发病关系的研究进展。
在卵巢的一个生殖周期中,卵泡的发育成熟、排卵以及黄体的形成和退化都依赖于细胞外基质(extracellular matrix,ECM)周期性的降解和组织重建,而后者又受到基质金属蛋白酶(matrixmetallop roteinases , MMPs)这一蛋白水解酶家族的精确调控。MMPs与其内源性抑制物协同作用,不仅严格控制着ECM降解的部位和程度,而且参与调节细胞增殖、分化、迁移和血管生成等方面,在卵巢的多种生理和病理活动中发挥着重要的作用。本文将对MMPs系统在卵巢生殖周期中的功能和调控作一综述,并简要介绍MMPs及其抑制物与多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome, PCOS)发病关系的研究进展。

一、MMPs系统概述

MMPs是一个高度保守的依赖于锌离子的蛋白水解酶家族,包括至少25种相关的蛋白水解酶。随着人类基因组测序工作的完成,还会不断有新成员被鉴定出来。MMPs通过对ECM和非ECM底物的作用,在细胞增殖、凋亡、迁移以及细胞间的信息传递等方面具有重要的功能。它不仅能够降解ECM和基底膜的主要成分,还可释放ECM结合的生长因子、细胞因子,分解多种重要的生物活性分子结合蛋白,使生物活性分子游离而发挥作用。例如,MMPs通过降解胰岛素样生长因子结合蛋白( IGFBPs) ,释放出具有强烈促进细胞增殖作用的胰岛素样生长因子( IGFs) 。

MMPs的表达受到多因素多水平的调节,包括基因转录水平,酶原分泌和激活以及特异性组织抑制物( tissue inhibi2
tors ofmetallop roteinases , TIMPs )的抑制。近来有文献报道MMPs基因启动子区有单核苷酸多态性( single nucleotide pol2ymorphisms , SNPs)位点的存在,其中一些多态性将影响到基因的转录活性,导致基因功能的改变。例如Rutter等在MMP - 1基因启动子区发现了- 1607 1G/2G多态性,其中2G SNP提供了一个ETS结合位点,和- 1602bp处激动蛋白1 ( activator p rotein - 1,AP - 1)结合位点共同作用,促进MMP- 1转录水平的提高。

二、MMPs / TIMPs与卵泡发育和闭锁

从直径50μm的原始卵泡逐渐发育为400 倍大的直径20mm的格拉夫卵泡,在这一生长分化过程中伴随着广泛的细胞增殖和ECM重塑,而大量的证据表明MMPs / TIMPs的作用贯穿于整个卵泡发育成熟阶段。研究发现,随着卵泡的生长,大鼠卵巢中MMP - 2, 9的mRNA水平和蛋白表达以及酶活性均增加,且两者的细胞定位与卵泡生长时必须进行组织重建的部位相吻合。收集直径在2～20mm牛卵泡的卵泡液,可检测到MMP - 2前体的活性,它在闭锁卵泡中升高;而MMP - 9 活性在直径> 25mm 卵泡的卵泡液中增加。据此发现Imai[提出,MMP - 2可作为衡量健康卵泡的指标,而MMP - 9升高提示存在卵泡囊肿。Huet等发现垂体去势绵羊的闭锁卵泡的卵泡液中, MMP - 2和MMP- 9的活性显著升高,明胶酶活性的增加可能有利于卵泡闭锁晚期阶段基底膜的降解。因此推测MMPs不仅在卵泡生长而且在卵泡闭锁中发挥作用。Hagglund也注意到小鼠MMP - 11的表达与卵泡闭锁存在一定关联。然而,MMP -11并不是启动或完成闭锁过程所必需的,因为MMP - 11基因缺陷小鼠的颗粒细胞凋亡和卵泡闭锁情况没有明显改变。

卵泡发育时, TIMPs产生于卵泡膜、颗粒细胞、间质组织和生发上皮中,其变化与MMPs的改变呈平行关系。大鼠注射孕马血清促性腺激素后, TIMP - 1, 4的mRNA水平增高, TIMP - 2mRNA没有改变,而TIMP - 3mRNA水平轻微下降。研究者认为,MMPs和TIMP - 1、TIMP - 4的平行增加,以及TIMP - 2、3的基础性表达,共同维持着卵泡生长过程中的蛋白溶解平衡,调节卵泡组织重建的位置和程度。

总之,MMPs既可以通过重塑颗粒细胞基底膜和卵泡膜的胞外基质成分,促进卵泡扩展,又可能通过调节生长因子和细胞因子(例如IL - 1β, EGF, TNF - α, IGFBPs, P物质等)的生物利用度,间接地刺激卵泡生长。而TIMPs除了控制MMPs的蛋白水解程度和范围外,在生殖活动中还作为自分泌或旁分泌因子参与细胞增殖、分化,诱导细胞凋亡,调节新生血管形成和卵巢甾体激素生成。有学者推测,MMPs /TIMPs系统通过调节卵泡的成熟和闭锁,以获得合适数量的排卵卵泡。

三、MMPs / TIMPs与排卵

排卵是在月经中期由LH峰启动的剧烈而协调的生理过程,以卵泡壁顶部ECM的局限、定向降解为特征。LH峰启动一系列的生化事件并使之同步,最后以卵泡壁破裂、成熟卵子排出告终。这些生化事件包括孕酮、前列腺素、生长因子、细胞因子和蛋白水解酶(包括纤溶酶系统和MMPs)的合成和分泌。通过蛋白水解作用,降解卵泡壁隆起尖端部分的结缔组织,改变卵泡壁结构的完整性,利于卵子排出。从形态学上,观察到颗粒细胞基底膜断裂和卵泡壁尖端隆起部胶原组织崩解。生化研究发现, LH峰后卵巢内和卵泡内的胶原含量下降,在卵泡壁顶部尤为明显。

越来越多的研究证明,MMPs是参与卵泡破裂的关键蛋白酶。尽管存在着一定的种属特异性,在多个物种中都观察到在出现内源性LH峰或注射HCG后,MMPs的mRNA表达和酶活性增加。用外源性的MMPs化学抑制剂或MMPs抗体来阻断其作用,可抑制排卵。LH 峰出现后,在大鼠卵巢、恒河猴的颗粒细胞以及牛排卵前卵泡均可观察到胶原酶MMP - 1 mRNA 表达显著升高。推测这将有助于降解卵泡外膜和白膜中富含Ⅰ型和Ⅲ型胶原的ECM。胶原酶使胶原分子变性为明胶,后者可被明胶酶MMP - 2、9进一步水解。此外,MMP - 2、9还能降解分隔颗粒细胞层和泡膜细胞层的基底膜,在排卵过程中发挥着重要的作用。近来研究发现,膜型MMPs (MT - MMPs)通过激活家族中的其它成员以及直接降解多种ECM底物参与排卵过程的调节。诱导大鼠排卵时,MT1 - MMP的表达模式发生了有趣的改变 。HCG注射前,它在颗粒细胞和泡膜- 间质细胞均有表达。给予排卵剂量的HCG后,大的排卵前卵泡的颗粒细胞中MT1 - MMP表达显著下调,而在其周围的膜间质细胞中,MT1 - MMP和MMP - 2表达协同增加。提示MT1 - MMP在卵泡发育过程中作为基质降解蛋白酶发挥作用,而在排卵前,它的主要功能是激活环绕排卵前卵泡的膜间质细胞中的MMP - 2前体。

伴随着LH诱导的MMPs表达增加,排卵前后TIMP - 1的表达也相应增加。MMPs和TIMPs的协同表达和相互作用使排卵卵泡形成局部蛋白水解流“窗口域”,以便保证在非常特异和定向地完成局部ECM降解的同时不危害邻近的细胞和组织。值得注意的是,在大鼠的排卵前卵泡, TIMP -1mRNA的定位从泡膜细胞转移到颗粒细胞,提示TIMP - 1的作用可能发生了功能上的改变。