MMPs的结构、功能与分类
MMP是自然界进化中高度保守的Zn2＋依赖性内肽酶蛋白家族，在细胞外基质（extracellular matrix，ECM）及基底膜的降解、ECM的重构、新生血管发生、肿瘤侵袭与转移等多种生理及病理过程中发挥重要作用。
（一）MMPs的结构
MMPs是一个在结构上具有极大同源性的锌离子依赖性内源性蛋白水解酶家族。虽然各成员大小各异、作用底物亦不尽相同，但具有一些共同的结构域：至少含有二个保守模块（conserved motifs），即前肽区（pro－domain）和催化区（catalytic domain）；另外不同的MMPs还具有其他结构域，如信号肽、铰链区、类血红素结合蛋白区和跨膜区等。
1．信号肽与前肽区 MMPs常含有一个信号肽序列，与MMPs的合成和分泌有关，主要作用是引导翻译后的产物至胞质内质网。典型的MMPs的前肽区约80个氨基酸残基，除MMP21和CA－MMP外，都含有一致序列PRCXXPD。前肽区的裂解对于MMPs的激活至关重要。MT－MMP在前肽区与催化区之间有11个氨基酸的插入区，间质溶素－3（MMP－11）在同样的位点有相似的插入，插入序列中的RXKR序列（MT－MMP4为RRRR序列）与MT－MMP，MMP－11的特殊激活过程有关。
2．催化区 催化区有两个Zn2＋离子结合区和至少一个Ca2＋离子结合区。两个Zn2＋离子结合区中，一个为催化性Zn2＋离子，位于活性中心内，涉及MMP的催化过程，另一个为结构性Zn2＋离子。MMPs中多种MMP如MMP－1、MMP－3、MMP－7和MMP－8的晶体结构已经阐明。催化区中保守的HEXXHXXGXXHS／TXXXXXXM基序中存在3个催化性Zn2＋离子的组氨酸配基。它们与催化性Zn2＋离子相连，不仅与MMP活化过程密切相关，而且在催化性Zn2＋离子催化活性研究中，对于催化性Zn2＋离子的精确定位必不可少。在催化区内，MMP－2和MMP－9有一个175个氨基酸残基的插入序列。这一插入序列是3个重复的类纤维连接蛋白结合区，研究认为其有助于明胶酶与其作用底物的结合。
3．铰链区与类血红素结合蛋白区 除了MMP－7、MMP－23和MMP－26外，MMPs含有铰链区。铰链区位于催化区与类血红素结合蛋白区之间，常富含脯氨基酸，以一个二硫键与类血红素结合蛋白区末端氨基酸残基相连。如间质胶原酶为Cys259和Cys466之间形成二硫键，可能与MMP激活过程中的分子折叠有关。类血红素结合蛋白区是与血红素结合蛋白（hemopexin）或玻璃体结合蛋白（vitronection）有较弱的同源性片段，由4个重复序列（约200个氨基酸）以二硫键相连接，决定底物特异性。基质溶素和巨噬细胞弹力蛋白酶结构上缺乏类血红素结合蛋白区。此区的作用认为与大多数MMPs底物特异性及与其他蛋白分子识别、相互作用有关，同时在MMPs与组织金属蛋白酶抑制物（TIMP）结合中起重要作用。如实验表明切除C－末端的明胶酶A酶原（proMMP2）不能结合TIMP－2。
4．跨膜区 4个膜型－MMPs（MT－MMP1，MT－MMP2，MTMMP3，和MT－MMP5）含有跨膜区和胞质区，而MT－MMP4和MT－MMP6也有一个C－末端疏水延伸区，作为甘油磷脂酰肌醇锚定信号。
（二）MMPs的功能和分类
目前至少已发现20多个MMP家族成员，根据MMPs的作用底物特异性、序列相似性及结构域的不同大致分为六大类（表4－1）：胶原酶类、明胶酶类、间充质溶解素类、基质溶解素类、膜型－基质金属蛋白酶类及其他类。
表4－1 MMPs家族成员
（续 表）
（续 表）
1．胶原酶类（collagenases） 包括Ⅰ型胶原酶（MMP－1）、多形核细胞胶原酶（MMP－8）、间质胶原酶－3（MMP－13）和MMP－18，主要降解天然Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原等，是目前已知酶中惟一能在细胞外间隙的中性pH值条件下降解天然Ⅰ型胶原三螺旋的酶；也能降解许多其他ECM及其他非ECM分子。
2．明胶酶类（gelatinases） 包括明胶酶A（MMP－2）和明胶酶B（MMP－9），其主要底物是变性的胶原和明胶。由于这些酶的催化区插入了3个重复的Ⅱ型纤维连接蛋白结构域（fibronectin domain），能结合胶原、明胶和层黏连蛋白。MMP－2还能降解Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型胶原，而MMP－9却没有这个作用。
3．间充质溶解素类（stromelysins） 包括MMP－3、MMP－10和MMP－11，特异性降解蛋白多糖、纤维连接蛋白、层黏连蛋白；MMP－3和MMP－10有相似的底物特异性，但通常MMP－3的蛋白水解效率比MMP－10高。除降解ECM成分外，MMP－3能激活许多前体MMPs（proMMPs），特别在产生具有完全活性的MMP－1中起着关键的作用。MMP－11又名间充质溶解素3，由于其序列结构和底物特异性与MMP－3不同常归于其他MMPs类。
4．基质溶解素类（matrilysins） 包括MMP－7和MMP－26，缺少类血红素结合蛋白结构域，又名内肽酶；除了降解ECM成分外，MMP－7还能处理细胞表面分子如α－防御素前体（pro－α－defensin）、FAS配体（Fas－ligand）、TNF前体（pro－tumor necrosis factor α）和钙黏蛋白E（E－cadherin）。MMP－26也能分解许多ECM组分。
5．膜型－基质金属蛋白酶（membrane－type MMPs，MTMMPs） 已发现6个MT－MMPs，其中4个属于Ⅰ型跨膜蛋白（MMP－14、MMP－15、MMP－16和MMP－24）和2个GPI（glycosylphosp hatidylinositol）锚定蛋白（MMP－17和MMP－25），具有降解许多ECM成分的作用。除MT4－MMP外，其他的MTMMPs还具有活化MMP－2前体（proMMP－2）的作用。MT1－MMP具有分解Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 型胶原活性，在新生血管形成中起着重要的作用。MT5－MMP具有脑组织特异性，主要在小脑中表达。MT6－MMP（MMP－25）几乎特异性在外周血白细胞、星状细胞瘤（astrocytomas）和神经胶质细胞瘤中表达。
6．其他MMPs 包括7个未归为以上几类的MMPs成员。MMP－12主要在巨噬细胞中表达，负责巨噬细胞的迁移，除弹性蛋白外，也能水解许多其他蛋白。MMP－20主要降解新生牙釉质中的amelogenin。MMP－23主要表达于再生组织中，该蛋白的前肽区缺少半胱氨基酸开关基序（cysteine switch motif），也缺少血红素结合蛋白结构域（hemopexin domain），代之的是半胱氨基酸富集区（cysteine－rich domain）及免疫球蛋白样结构域（immunoglobulin－like domain）。MMP－23前肽含有一个furin识别基序（furin recognition motif），在高尔基体被切割后作为有活性的酶分泌到胞外，被认为是Ⅱ型跨膜蛋白。MMP－28是最近发现的MMPs家族成员，主要在角化细胞中表达，其可能具有组织止血及创伤修复的作用。