楊洲

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200241)

運動對衰老的骨骼肌中MMPs及TIMPs的影響

楊洲

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200241)

衰老過程中會伴隨著肌肉質(zhì)量的下降；細(xì)胞外基質(zhì)的減少；膠原蛋白沉積?；|(zhì)金屬單蛋白(Matrix metalloproteinases,MMPs)能降解膠原蛋白，運動能影響基質(zhì)金屬蛋白、基質(zhì)金屬蛋白抑制劑(Tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的表達(dá)，從而對膠原蛋白產(chǎn)生影響，以致影響骨骼肌。這在一定程度上為骨骼肌重塑提供了思路。

骨骼肌 細(xì)胞外基質(zhì) 衰老 運動 MMPs TIMPs

骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)約占骨骼肌重量的10%，而骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)中膠原蛋白的含量約為85%。衰老與稠密的細(xì)胞外基質(zhì)沉淀物和肌衛(wèi)星細(xì)胞功能丟失有緊密聯(lián)系，這會導(dǎo)致再生能力和力量的減少[1]。MMP和TIMPs共同維護膠原蛋白的穩(wěn)態(tài)，本文通過介紹骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)，闡述衰老對骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)的影響以及運動對MMPs、TIMPs的影響。

1 細(xì)胞外基質(zhì)與骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)

1.1 細(xì)胞外基質(zhì)

細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular Matrix，ECM)是由細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外，分布在細(xì)胞表面或細(xì)胞之間的大分子物質(zhì)，由基底膜(basement membrane，BM)和細(xì)胞間基質(zhì)組成，是阻止腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的重要組織屏障。其主要成分包括糖胺聚糖、蛋白聚糖、膠原蛋白和彈性蛋白、纖連蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)和層粘連蛋白(laminin，LN)。細(xì)胞外基質(zhì)通過膜整合蛋白將細(xì)胞內(nèi)外連成整體，參與細(xì)胞生存及調(diào)亡，決定細(xì)胞的形狀并控制細(xì)胞的分化及細(xì)胞的遷移[2-5]。

1.2 骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)

細(xì)胞外基質(zhì)在骨骼肌組織發(fā)育，結(jié)構(gòu)維持和力量傳遞中發(fā)揮著重要作用。細(xì)胞外基質(zhì)占肌肉重量的10%左右，由三層組成，肌內(nèi)膜，其包裹單一的肌纖維，肌束膜，其分開肌肉呈束，肌外模，其為整個肌肉提供外部支持。基底膜是細(xì)胞外基質(zhì)的特殊層，其存在與每條肌纖維膜和和周圍肌內(nèi)膜之間。其再被分為網(wǎng)狀板，主要包括：(1)膠原纖維(膠原蛋白1，3，6)和纖維連接蛋白；(2)內(nèi)部基底膜，有非纖維膠原蛋白(膠原蛋白4，)和層粘連蛋白組成[1]。

2 膠原蛋白

膠原蛋白(也稱膠原)是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的主要成分，約占膠原纖維固體物85%，占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%～30%。膠原中含有大量的甘氨酸，約占總氨基酸的27%，其一級結(jié)構(gòu)均為“Gly-X-Y”重復(fù)序列，其中脯氨酸和羥脯氨酸的含量特高，占膠原氨基酸的14%，這兩種氨基酸是膠原特有，而色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低，因此，膠原屬不完全蛋白質(zhì).膠原呈乳白色的一種多糖蛋白，具有很強的延伸力，不溶于水，在酸中可溶解[6]。

膠原是骨骼肌ECM最豐富的結(jié)構(gòu)成分，不僅支持組織結(jié)構(gòu)，而且為肌細(xì)胞生長、分化和形變提供條件和遷移的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。骨骼肌膠原主要(超過90%)包括3種亞型，即膠原蛋白I、III，IV。I型和IV型膠原蛋白屬于纖維類膠原，IV型膠原蛋白是基底膜最豐富的結(jié)構(gòu)成分[7-8]。

3 衰老對骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)的影響

肌肉細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)果變化與隨年齡增加的肌肉力量和機械性能有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長會出現(xiàn)膠原沉積。

進一步的研究表明I型膠原比例增加III型膠原比例下降。隨著年齡的增長慢肌基底膜IV型膠原濃度增加，層粘蛋白濃度下降。肌肉的彈性橫量會隨年齡的增加而增加。膠原沉積會造成基膜厚度增加，這會影響衛(wèi)星細(xì)胞與肌纖維的物理聯(lián)合。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白如，纖連蛋白，彈性蛋白，層粘蛋白的受損降解產(chǎn)生的蛋白水解碎片積累增加，會近進一步限制衛(wèi)星細(xì)胞與鄰近細(xì)胞和肌纖維的相互作用。通過利用剛度可調(diào)節(jié)水凝膠顯示，彈性橫量為2kPa時衛(wèi)星細(xì)胞更有可能增殖，彈性橫量為18kPa（與在受損老年肌纖維中觀察到的相同）時衛(wèi)星細(xì)胞更有經(jīng)歷分化，因此細(xì)胞外基質(zhì)的這些變化在老年骨骼肌再生能力下降這個方面有重要影響[7-9]。骨骼肌細(xì)胞外基成分的變化是改變其物理特性的關(guān)鍵，而正是這改變的物理特性影響了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的生物特性。

4 MMPs/TIMPs

Gross和Lapiere在1962首次發(fā)現(xiàn)MMP[10]，MMPs可由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及癌細(xì)胞細(xì)胞分泌[11]。

MMPs被稱為基質(zhì)金素蛋白，由于其活性依賴于鋅、鈣、鎂等離子，所以稱之為金屬蛋白酶[12-13]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和組織特異性，MMPs可被分為6組：膠原酶，明膠酶，間質(zhì)溶解素，解素，膜型MMPs，以及其他的未劃分MMPs。其中膠原酶包括M M P1、M M P8、M M P13；明膠酶包括MMP2、MMP9；基質(zhì)水解酶包括MMP3、MMP7、MMP10、MMP11、MMP12；模型MMPs包括MMP14、MMP15、MMP16、MMP17；未劃分的MMPs包括MMP19和MMP20[14]。

相關(guān)研究報道MMPs大都含有幾個高度保守的相同結(jié)構(gòu)片段。(1)信號肽區(qū)域；(2)前肽區(qū)域(激活時去除)；(3)含Zn2+結(jié)合區(qū)催化區(qū)域；(4)鉸鏈區(qū)域；(5)血紅素結(jié)合蛋白區(qū)域，在乙酰氨基苯汞（APMA）作用下，切斷末端，形成具有活性的酶，選擇作用與肽鏈中，其斷端具有共同序列PRCGVPD，催化區(qū)域含Zn2+結(jié)合區(qū)，MMP2和MMP9具有明膠酶結(jié)合區(qū)，膜型金屬蛋白酶有細(xì)胞膜貫通區(qū)域，這些都與MMPs結(jié)合并降解ECM有關(guān)[15]。其中MMP9的分子量為92～97kDa，可降解Ⅳ、V、Ⅺ、Ⅸ型膠原。且主要以Ⅳ型膠原為主。眾多研究證實Ⅳ型膠原是基底膜的重要成分。

M M Ps受特殊組織金屬蛋白酶抑制劑（TI M Ps）調(diào)整，TIMP家族已經(jīng)確定的成員有四個其中包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4。TIMP-1由大多數(shù)的結(jié)締組織和巨噬細(xì)胞分，TIMP-1降解所有類型的膠原酶，基質(zhì)溶解酶、明膠酶。

TIMPs蛋白含有184～194個氨基酸，其分子量約為21kDa[16]。TIMPs成員大約有40%的氨基序列相同，TIMPs的抑制能力也來源于N-末端區(qū)[17]。蛋白酶抑制功能涉及五個關(guān)鍵的N-末端氨基酸(Cys1 Thr Cys Val Pro5)其使“楔型”的TIMPs蛋白形成了一個脊，這個脊嵌入到基質(zhì)金屬蛋白的激活位點即保守的Cys1殘基處于催化的Zn2+之上，取代肽鍵水解所需的原子[16-18]。2～5個殘基與蛋白酶次位點相互作用決定蛋白酶底物的特異性并促進高親和綁定。在TIMP-1中由于9個殘基，其C-末端區(qū)尾巴更短，TIMP-2和TIMP-4帶負(fù)電荷，TIMP1和TIMP3不帶電，在這里其能被糖基化。這個區(qū)域是TIMP綁定到MMP血紅素結(jié)合蛋白區(qū)的關(guān)鍵[19]。X射線晶體和核磁共振（NMR）溶液結(jié)構(gòu)，主要用于決定MMP結(jié)合TIMP的N-末端復(fù)合物。TIMP以1∶1摩爾化學(xué)計量非共價特異性結(jié)合活化的MMP[18]。TIMP-1是某些膜型基質(zhì)金屬蛋白的弱抑制劑包括膜型1型基質(zhì)金屬蛋白酶（MT1-MMP；也被稱為MMP14）[16]，但其是MMP-3和MMP-7的有效抑制劑，TIMP2、TIMP3T、TIMP4能抑制絕大多數(shù)的MMP[20]。

5 運動對MMPs/TIMPs的影響

與年齡相關(guān)的肌再生能力下降是由于肌衛(wèi)星細(xì)胞功能紊亂，老年肌衛(wèi)星細(xì)胞展示了一種纖維轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致纖維化和損傷后的修復(fù)受損。雖然很多研究已經(jīng)證明細(xì)胞外基質(zhì)特性對干細(xì)胞命運的影響。Kristen M等人研究研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加膠原蛋白的曲折會減少，肌肉的硬度增加。與年齡相關(guān)的細(xì)胞外基質(zhì)的改變直接破壞了肌衛(wèi)星細(xì)胞的應(yīng)答，將肌衛(wèi)星細(xì)胞移植到從離體老年肌肉中分離出來的細(xì)胞外基質(zhì)與移植到年輕的細(xì)胞外基質(zhì)相比，前者顯示出了更多的纖維化標(biāo)志物，以及降低的肌源性。與年輕的纖維母細(xì)胞相比，從老年的肌肉中分離出的纖維母細(xì)胞顯示出更高的感受器細(xì)胞核水平[21]。由于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞處于基底膜的下方，骨骼肌受損部位需修復(fù)時，激活的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞需穿過基底膜到達(dá)受損部位，這樣才能完成之后的修復(fù)過程。衰老的細(xì)胞外基質(zhì)會出現(xiàn)膠原沉積，剛度增加，不利于肌衛(wèi)星細(xì)胞的遷移，基質(zhì)金屬蛋白對于膠原蛋白具有降解作用，運動對于基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制的影響是否能改善這種沉積狀況，值得關(guān)注，相關(guān)研究人員對于運動對MMPs/TIMPs的影響有一定的研究

JS Williams通過將21只Wistar大鼠隨機分為3組(n=7組)：對照（SC）；RT4梯爬（RT-4；50，75，90和100%的最大承載能力）和RT8梯爬(rt-8每個負(fù)荷進行兩組)。8周的RT訓(xùn)練包括垂直的1.1m的梯子和固定于動物的尾部的重量。MMP-2和9活性利用明膠酶譜法進行檢測。結(jié)果顯示rt-8與RT-4、SC腓腸肌相比其 MMP-2活性顯著升高(P＜0.05)[22]。在大鼠的等長，向心和離心訓(xùn)練研究中，檢測發(fā)現(xiàn)三種類型的訓(xùn)練都會增加I型和III膠原、MMP-2、TIMP-1和2[23]。

也有研究人員發(fā)現(xiàn)在凍傷的后3天MMP-2的表達(dá)大幅上調(diào)，凍傷7天后其MMP-2 mRNA的數(shù)量開始減少，損傷10天后MMP-2 mRNA恢復(fù)到骨骼肌再生進程的在凍傷的后3天MMP-2的表達(dá)大幅上調(diào)，凍傷7天后其MMP-2 mRNA的數(shù)量開始減少，損傷10d后MMP-2 mRNA恢復(fù)到骨骼肌再生進程的基線水平[24]。肌肉毒素?fù)p傷脛骨前（TA）的后3天MMP-9的活動大幅上調(diào)，3天后MMP-9 mRNA以及MMP-9 的數(shù)量開始下降[25]。

從這些研究中可以看出運動可使MMP的表達(dá)增加，以及其相應(yīng)的抑制劑表達(dá)下降，但是不同的運動效果并不想同，甚至相同的運動結(jié)果卻不一樣，比如在運動對與MMP-2的影響上，有些研究發(fā)現(xiàn)有氧運動可上調(diào)MMP-2的表達(dá)，但是也有研究認(rèn)為有氧運動對于MMP-2的表達(dá)并不能產(chǎn)生影響。某些條件下造成的肌肉損傷能對MMPs/TIMPs產(chǎn)生與運動對MMPs/TIMPs相同的效果。

運動能上調(diào)部分MMPs的表達(dá)，但對TIMPs的影響研究較少，MMPs高表達(dá)可降解膠原蛋白，甚至是破壞細(xì)胞外基質(zhì)，但是衰老的骨骼肌細(xì)胞會出現(xiàn)基質(zhì)膠原沉積，不利于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的遷移，會對骨骼肌再生造成不利影響，但MMPs對于膠原蛋白的降解作用有利于改善改善膠原沉積，MMPs與TIMPs之間可能存在一定程度上的動態(tài)平衡，以達(dá)到改善膠原沉積的狀況，促進細(xì)胞外基質(zhì)的恢復(fù)。

6 結(jié)語

MMPs作為唯一能降解纖維類膠原的蛋白酶家族，與其抑制因子TIMPs相互作用，共同維護細(xì)胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，可能MMPs/TIMPs之間存在一定的比例，而這個比例由于不同組織和不同的生理年齡而產(chǎn)生變化。MMPs過多必定會過度降解細(xì)胞外基質(zhì)，眾多研究顯示急性運動會使MMPs表達(dá)過多，會破壞細(xì)胞外基質(zhì)或造成炎癥反應(yīng)，MMPs過少在生長發(fā)育期可能會使膠原的表達(dá)過度，細(xì)胞外基質(zhì)增厚，造成纖維化。機體存在一個高效機制，能應(yīng)對外界的變化，調(diào)整自身的機能狀態(tài)，MMPs/TIMPs的動態(tài)變化也在這個機制之中。衰老對于機體的影響會使之朝著紊亂發(fā)展，那么相應(yīng)的措施對于某些機制的影響就必須采取，利用運動刺激MMPs的表達(dá)，改善衰老的骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)也有一定的價值。

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