Матриксные металлопротеиназы (ММП) представляют собой семейство внеклеточных цинк-зависимых металлопротеиназ, играющих ключевую роль в ремоделировании и деградации внеклеточного матрикса (ВКМ). Эти ферменты активно участвуют в катаболических процессах соединительной ткани, обеспечивая динамическое равновесие между синтезом и деградацией компонентов ВКМ. В настоящее время известно 28 ферментов ММП.

Для контроля протеолитической активности ММП в организме функционирует система тканевых ингибиторов металлопротеиназ (TIMP), которые образуют стабильные комплексы с активными формами ММП, блокируя их каталитическую функцию. Магний, как важный микроэлемент в организме, воздействует на структурные элементы внеклеточного матрикса, такие как фибриллярные компоненты (коллагеновые, эластические волокна) и нефибриллярные (протеогликаны, структурные гликопротеины). Внеклеточная деградация матрикса крайне значима для ремоделирования соединительной ткани. Она осуществляется при обязательном участии в процессе ММП. Их активность находится в обратной зависимости от уровня магния в организме. Также, в ряде исследований было установлено, что при тяжелом дефиците магния специфические тканевые ингибиторы металлопротеиназ неэффективны.

Фторхинолоны, являясь широко используемыми антибиотиками, обладают способностью связываться с ионами магния, образуя хелатные комплексы. Это приводит к снижению биодоступности магния и усилению активности ММП, что может способствовать повреждению соединительной ткани. В условиях существующего дефицита магния фторхинолоны могут оказывать еще более выраженное негативное воздействие на ремоделирование ВКМ. Это подтверждает необходимость осторожного подхода в назначении фторхинолонов пациентам с рисками гипомагниемии.

Ключевые слова: матриксные металлопротеиназы, ММП, активность, тканевые ингибиторы металлопротеиназ, цинк, магний, дефицит, гипомагниемия, внеклеточный матрикс, ВКМ, соединительная ткань, СТ, коллаген, эластин, ремоделирование, деградация, фторхинолоны.

Matrix metalloproteinases (MMPs) are a family of extracellular zinc-dependent metalloproteinases that play a key role in the remodeling and degradation of the extracellular matrix (ECM). These enzymes are actively involved in the catabolic processes of connective tissue, providing a dynamic balance between the synthesis and degradation of ECM components. Currently, 28 MMP enzymes are known.

To control the proteolytic activity of MMPs, the body has a system of tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs), which form stable complexes with active forms of MMPs, blocking their catalytic function. Magnesium, as an important microelement in the body, affects the structural elements of the extracellular matrix, such as fibrillar components (collagen, elastic fibers) and non-fibrillar components (proteoglycans, structural glycoproteins). Extracellular degradation of the matrix is extremely important for connective tissue remodeling. It is carried out with the obligatory participation of metalloproteinases (MMP). Their activity is inversely related to the level of magnesium in the body. Also, a number of studies have found that in severe magnesium deficiency, specific tissue inhibitors of metalloproteinases are ineffective.

Fluoroquinolones, being widely used antibiotics, have the ability to bind with magnesium ions, forming chelate complexes. This leads to a decrease in the bioavailability of magnesium and an increase in MMP activity, which can contribute to damage to connective tissue. In conditions of existing magnesium deficiency, fluoroquinolones can have an even more pronounced negative effect on ECM remodeling. This confirms the need for a cautious approach in prescribing fluoroquinolones to patients at risk of hypomagnesemia.

Keywords: matrix metalloproteinases, MMP, activity, tissue inhibitors of metalloproteinases, TIMP, zinc, magnesium, deficiency, hypomagnesemia, extracellular matrix, ECM, connective tissue, CT, collagen, elastin, remodeling, degradation, fluoroquinolones.

Цель: провести обзор механизмов регуляции активности ММП с акцентом на роль магния в поддержании функциональной целостности ВКМ, а также влияния фторхинолонов на метаболизм магния и последующее изменение активности ММП.

Материалы и методы: открытые источники из баз данных PubMed, Scopus, Embase, Cochrane Library.

Матриксные металлопротеиназы (ММП) — семейство внеклеточных протеиназ. Своё название они получили из-за способности специфически гидролизовать основные белки внеклеточного матрикса. ММП относятся к семейству цинковых металлопротеиназ, так как содержат в активном центре Zn². Они принимают участие в обмене белков соединительной ткани, в процессах нормального развития и ремоделирования клеточного матрикса, эмбриогенезе, репарации тканей, неоангиогенезе, а также в процессах опухолевой трансформации и метастазирования. Функция матриксных металлопротеиназ связана с обменом белков соединительнотканного матрикса (СТМ). Эти ферменты в совокупности способны гидролизовать все компоненты СТМ [1].

Благодаря новым методам исследования структур органических молекул оказалось возможным выяснить структуры ММП, а также установить ряд общих особенностей. ММП состоит из следующих частей:

Продомен (PRO). Эта структура, которую условно можно разделить на два фрагмента: N-концевую последовательность (сигнальный домен) из 18–20 аминокислотных остатков (АКО), отщепляющихся во время активации фермента, и так называемого «пропептида», содержащего около 80 АКО. Эта последовательность несёт остаток цистеина, взаимодействующего с ионом Zn2+ в каталитическом домене [2].

Каталитический домен (CAT). Состоит примерно из 170 АКО. Включает активный Zn-связывающий сайт, в котором ион металла связывают три остатка гистидина. После сайта следует стабилизирующая структура из метионина, его восемь остатков образуют «метиониновую петлю», которая поддерживает структуру активного центра вокруг каталитического иона цинка [3, 4].

Шарнирная область (LINKER). Ещё часто называют линкерный пептид. Его основная задача состоит в том, чтобы соединять каталитический домен с последующим гемопексиноподобным. Она может состоять из разных АКО, расположенных в произвольном порядке [4].

Гемопексиноподобный домен (HPX) (С-концевой). Образован серией около 200 АКО. Ответственен за специфичность при взаимодействии с белком. Раскручивает спирали в молекуле коллагена, попутно определяя её положение по отношению к ферменту. Именно на гемопексиноподобном домене происходит взаимодействие с тканевыми ингибиторами ММП [4].

Всего на сегодняшний день известно 28 ферментов ММП. Выделяют 5 подсемейств: коллагеназы (ММП-1, ММП-8, ММП-13), желатиназы (ММП-2, ММП-9), стромелизины (ММП-3, ММП-10, ММП-11), митрилизины (ММП-7, ММП-26) и мембранносвязанные ММП (трансмембранным доменом (ММП-14, ММП-15, ММП-16, ММП-24), гликозилфосфатидилинозитольным якорем (ГФИ) (ММП-17 и ММП-25) или сигнальным пептидом на амино-конце (ММП-23A и -23Б) [6]. Недостаточно изученные относят в группу «другие ферменты» [5].

Все ММП имеют общие свойства: способны гидролизовать основные компоненты ЭЦМ (экстрацеллюлярный матрикс); содержат ионы Zn2+ в активном центре и используют ионы Са2+ для стабилизации молекулы; секретируются из клеток в неактивной форме; каталитическая активность подавляется специфическими тканевыми ингибиторами (ТIМP) [7].

В организме ММП синтезируются в виде проферментов (проММП), которые активируются как протеолитически, так и непротеолитически соединениями ртути (HgCl2; 4-aминофенилацетат ртути), хаотропными агентами и додецилсульфатом натрия [8, 9]. В основном, активность фермента регулируется благодаря наличию пропептида. Он взаимодействует с цинком в каталитическом домене, образуя координационную связь. Молекула воды, находящаяся в пропептиде, не связывается с ионом цинка, следовательно, не происходит катализа и расщепления субстрата, из-за чего фермент и остаётся в неактивной форме. Чтобы ММП активировались, необходимо отщепить пропептид от каталитического домена. Зачастую это достигается автокатализом или взаимодействием с другими ММП [4].

В организме существует биологический механизм ограничения протеолиза тканей, вызванного активными МПП, в виде секреции клетками стромы тканевых ингибиторов металлопротеиназ (TIMP), которые могут блокировать разрушение экстрацеллюлярного матрикса. TIMP — белки небольшого размера, способные формировать нековалентные комплексы со многими членами семейства матриксных металлопротеиназ. Кроме TIMPs ингибировать металлопротеиназы могут различные макроглобулины (α1‑макроглобулин, α1‑ингибитор‑3). TIMP действуют как ключевые ингибиторы ММП в тканях путем связывания в активном сайте и формирования стабильного, инактивного комплекса фермент-ингибитор. TIMP отличаются в своей специфичности ингибирования желатиназ, с наибольшей активностью TIMP‑2 к ММР‑2, и TIMP‑1, преимущественно связывающейся с ММР‑9 [1].

Влияние дефицита магния на активность ММП

Среди электролитов, присутствующих в организме человека, магний занимает четвертое место после кальция, натрия и калия по содержанию в сыворотке крови. С физиологической точки зрения до 53 % магния концентрируется в костной ткани, дентине и эмали зубов и около 20 % — в тканях с высокой метаболической активностью (мозг, сердце, мышцы, надпочечники, почки, печень). Только 10 % всего магния в организме человека находится вне клеток, и 90 % магниевых ионов концентрируются внутри клеток в форме Mg2+-ATФазы (30 % в митохондриях, 50 % в цитозоле и 10 % в ядре). У здорового человека концентрация магния в сыворотке крови поддерживается в достаточно узком диапазоне (норма 0,7–1,1 ммоль/л). Сбалансированная диета должна содержать не менее 400 мг магния в сутки, из которого адсорбируется, как правило, около 200 мг. Дефицит магния может быть генетически обусловленным или быть связанным с внешними факторами (несбалансированное питание, хронический эмоциональный стресс). В общих чертах, известные генетические заболевания, приводящие к отчетливой гипомагниемии, сравнительно редки (1:50000) [14].

Биодоступность магния в организме регулируется рядом генов, среди которых TRPM6 и TRPM7 наиболее важны. Белок TRPM6 является ионным каналом, транспортирующим двухвалентные катионы. TRPM6 специфически взаимодействует с другим Mg2+–проницаемым каналом TRPM7, что приводит к сборке функциональных TRPM6/TRPM7 комплексов на поверхности клетки. Мутации в TRPM6 могут приводить к гипомагниемии и вторичной гипокальциемии [14].

При гипомагниемии увеличивается экспрессия и другого гена ионного транспортера SLC41A1: у мышей на безмагниевой диете экспрессия мРНК гена SLC41A1 увеличивается в почках, кишечнике и сердце. В дополнение к Mg2+, SLC41A1 также может транспортировать Sr2+, Zn2+, Cu2+ и Co2+ [14].

Клаудины (гены CLDN16 и CLDN19) — трансмембранные белки, обнаруженные на плотных соединениях клеток, которые образуют барьеры, контролирующие транспорт ионов и метаболитов поперек листа эпителиальных клеток, а также перемещение белков и липидов между апикальными и базолатеральными областями эпителиальных клеток. Ген CLDN16 экспрессируется на плотных соединениях почечных эпителиальных клеток, находящихся на толстом восходящем отростке петли Генле, и играет центральную роль в реабсорбции двухвалентных катионов. Генетические дефекты в клаудине–16 были связаны с первичной гипомагниемией, а дефекты клаудина–19 приводят к почечной гипомагниемии с вовлечением глазной симптоматики (миопия, подвывих хрусталика) [14].

Регулирует обмен магния и Ca2+/Mg2+–чувствительный рецептор (ген CASR) — G–белок–связанный рецептор плазматической мембраны, который экспрессируется в паращитовидной железе и в почечных канальцах. Благодаря высокой чувствительности к небольшим изменениям в концентрациях, циркулирующих кальция и магния CASR действует как сенсор, реагирующий на концентрацию катионов, и играет существенную роль в поддержании катионного гомеостаза. Дефекты в этом гене связаны как с гиперкальциемией, так и с гипокальциемией. Активация гена CASR Ca2+/Mg2+–чувствительного рецептора уменьшает активность белковой киназы А (PKA). Это приводит к уменьшению фосфорилирования клаудина–16, транслокации клаудина–16 в лизосомы, а в результате — к уменьшению реабсорбции магния в почечных канальцах [14].

Магний — один из наиболее значимых элементов, участвующих в реализации клеточных процессов. В частности, магний способствует миграции клеток, их адгезии на различных макромолекулярных субстратах с помощью интегринов, а также транскрипции ДНК, синтезу белка [14]. В аннотированной последовательности генома человека существует не менее 290 генов и белковых продуктов, о которых известно, что они связывают Mg2+ как кофактор. Наиболее общий эффект воздействия Mg2+ на любую ткань заключается в том, что ионы Mg2+ необходимы для стабилизации некодирующих РНК. В частности, ионы Mg2+ стабилизируют структуру транспортной РНК, и дефицит магния приводит к увеличению числа дисфункциональных молекул т-РНК, таким образом снижая и замедляя общую скорость белкового синтеза [15].

Магний воздействует на структурные элементы внеклеточного матрикса, такие как фибриллярные компоненты (коллагеновые, эластические волокна) и нефибриллярные составляющие (протеогликаны, структурные гликопротеины). Равновесие между синтезом и деградацией перечисленных структурных элементов межклеточного вещества является определяющим условием в сохранении целостности ткани.

Внеклеточная деградация матрикса крайне значима для ремоделирования соединительной ткани. Она осуществляется при обязательном участии в процессе особых ферментов — металлопротеиназ (ММП) [16]. Их активность находится в обратной зависимости от уровня магния в организме.

Эксперименты на животных подтверждают влияние магния на биологическую активность ММП. У мышей с искусственно вызванным дефицитом магния стенка аорты была значительно тоньше, чем у контрольных животных. Специфическая окраска двух основных типов волокон (коллагена и эластина) показала существенные структурные изменения обоих компонентов. Эти изменения коррелировали с повышением общей активности ММП-2 и ММП-9 [17]. В клетках гладкой мускулатуры сосудов у крыс добавление магния уменьшало общую активность ММП-2 прямо пропорционально дозе магния [18].

Данные, приведенные выше, позволяют предположить, что дефицит Mg2+ должен, вероятно, приводить к повышению активности ММП, которые начинают разрушать структурные компоненты ВКМ (прежде всего коллаген) с более высокой скоростью. Эти эффекты воздействия магния наиболее вероятно вызываются через некий, пока не известны внутриклеточный сигнальный каскад. Нельзя исключать также возможность прямого ингибирования различных ММП ионами магния через конкурентное связывание двухвалентных катионов в активном центре или через аллостерические взаимодействия с ММП [7].

Также, в ряде исследований было установлено, что при тяжелом дефиците магния специфические тканевые ингибиторы металлопротеиназ неэффективны. Сообщалось о единой локализации интегринов, функционирующих как трансмембранные рецепторы, и металлопротеиназ, в связи с чем можно сделать предположение о влиянии на функциональную активность металлопротеиназ зависимых от двухвалентных катионов конформационных изменений интегринов [19].

Связь фторхинолонов с магнием и влияние на активность ММП

Магний и фторхинолоны — антагонисты. При дефиците магния — повышение активности ММП, что приведет к деградации соединительной ткани. Фторхинолоны ведут к дефициту магния, а на фоне существующего пониженного уровня магния — оказывают еще большее стимулирующее действие на ММП [10].

Магний связывается с магний-связывающим центром между карбоксильной и карбонильной группы хинолонового кольца ФХ, что было выявлено при спектроскопии ядерного магнитного резонанса [10,13].

В итоге способность к комплексообразованию снижает доступность магния для выполнения его функций. Чем больше хелатация фторхинолоном магния, тем больше выражены повреждения соединительной ткани [12].

Увеличение экспрессии ММП из-за снижения активности их эндогенных тканевых ингибиторов TIMP-1 и TIMP-2 ведет к нарушению отложения коллагена I и деградации ВКМ — снижение биосинтеза компонентов СТ. Также ФХ повышают выработку АФК, что ведет к дисфункции митохондрий из-за повреждения ДНК, что в дальнейшем может привести к некрозу и активации апоптоза [11,12].

Выводы

ММП играют ключевую роль в ремоделировании ВКМ и регуляции тканевого гомеостаза. Активность ММП регулируется за счет взаимодействия с ионами цинка, тканевыми ингибиторами (TIMP). Уровень магния также играет важную роль в регуляции активности ММП. Дефицит магния приводит к повышению активности ММП, что способствует ускоренной деградации СТ. Фторхинолоны — антагонисты магния, приводят к его хелатации и дефициту, что в свою очередь повышает активность ММП и усиливает разрушение СТ. Это подтверждает необходимость осторожного подхода в назначении фторхинолонов пациентам с рисками гипомагниемии.

Литература:

1. Ярмолинская М. И., Молотков А. С., Денисова В. М. Матриксные металлопротеиназы и ингибиторы: классификация, механизм действия // Журнал акушерства и женских болезней. — 2012. — Т. 61. — № 1. — С. 113–125.
2. Соловьёва Н. И. Основные металлопротеиназы соединительнотканного матрикса // Биоорганическая химия. — 1994. — Т. 20. — № 2. — С. 143–152.
3. Butler GS. The canonical methionine 392 of matrix metalloproteinase 2 (gelatinase A) is not required for catalytic efficiency or structural integrity: probing the role of the methionine-turn in the metzincin metalloprotease superfamily. J. Biol. Chem. 2004;279(15):15615–15620. DOI:10.1074/jbc. m312727200
4. Lauer-Fields JI, Juska D, Fields GB. Matrix metalloproteinases and collagen metabolism. Biopolimers. 2002;66(1):19–32. DOI: 10.1002/bip.10201
5. Coussens LM, Werb Z. Matrix metalloproteinases and the development of cancer. Chem. Bio. 1996;3(11):895–904. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/ S1074–5521(96)90178–7
6. Yip C., Foidart P., Noël A., Sounni N. E. MT4-MMP: The GPI-an-chored membrane-type matrix metalloprotease with multiple functions in diseases. International journal of molecular scien-ces 2019; 20 (354): 1–13. doi: 10.3390/ijms20020354
7. Калинин Р. Е., Сучков И. А., Камаев А. А., Пшенников А. С. Патогенез варикозной болезни: роль матриксных металлопротеиназ и ионов магния // Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н. И. Пирогова. 2017. № 1.
8. Stack MS, Itoh Y, Young TN, et al. Fluorescence quenching studies of matrix metalloproteinases (MMPs): evidence for structural rearrangement of the proMMP-2/TIMP-2 complex upon mercurial activation. Arch. Biochem. Biophys. 1996;333(1):163–169. DOI: 10.1006/abbi.1996.0377
9. Kim TH, Mars WM. Expression and Activation of Pro-MMP-2 and Pro-MMP-9 During Rat Liver Regeneration. Hepatology. 2003;31(1):75–82. DOI: 10.1002/hep.510310114
10. О фармакологических взаимодействиях магния с антибиотиками и дефиците магния, возникающем в результате антибиотикотерапии / Громова О. А., Торшин И. Ю., Моисеев В. С. и др. // Терапия. — 2017. — № 1. — С. 135–143.
11. Магний в клинической практике/ Е. Л. Трисветова./ Белорусский государственный медицинский университет. Республика Беларусь, 220116,Минск, пр. Дзержинского, 83
12. Антибиотикотерапия провоцирует дефицит магния. Что делать?/ О. А. Громова (1), И. Ю. Торшин (2), О. А. Лиманова (1), Л. Э. Федотова (1), А. Г. Калачева (1), Т. Р. Гришина (1)//(1) ГБОУ ВПО «Ивановская государственная медицинская академия», Иваново; 2) ФГАОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)», Москва
13. Uivarosi V. Metal Complexes of Quinolone Antibiotics and Their Applications: An Update // Molecules. — 2013. — N 18. — p. 11153–11197.
14. Торшин И. Ю. Дисплазия соединительной ткани, клеточная биология и молекулярные механизмы воздействия магния / И. Ю. Торшин, О. А. Громова // Русский медицинский журнал. — 2008. — Т.16. — № 4. — P. 230–238
15. Shibata M, Ueshima K, Harada M, Nakamura M et al. Effect of Magnesium Sulfate Pretreatment and Significance of Matrix Metalloproteinase-1 and Interleukin-6 Levels in Coronary Reperfusion Therapy for Patients with Acute Myocardial Infarction. Angiology. 1999;50(7):573–582. doi: 10.1177/000331979905000707
16. Gilbert S. J. Does protein kinase R mediate TNF-alpha- and ceramide-induced increases in expression and activation of matrix metalloproteinases in articular cartilage by a novel mechanism? / S. J. Gilbert, V. C. Duance, D. J. Mason // Arthritis ResearchTherapy. — 2004. — V.6. — № 1. — P. 46–55.
17. Pages N, Gogly B, Godeau G, Igondjo-Tchen S, Maurois P, Durlach J, Bac P. Structural alterations of the vascular wall in magnesium-deficient mice. A possible role of gelatinases A (MMP-2) and B (MMP-9). Magnes Res. 2003;16(1):43–48.
18. Yue H, Lee JD, Shimizu H, Uzui H, Mitsuke Y, Ueda T. Effects of magnesium on the production of extracellular matrix metalloproteinases in cultured rat vascular smooth muscle cells. Atherosclerosis. 2003;166(2):271–277. doi: 10.1016/s0021–9150(02)00390–8
19. Pagès N. Structural alterations of the vascular wall in magnesium-deficient mice. A possible role of gelatinases A (MMP-2) and B (MMP-9) / N. Pagès, B. Gogly, G. Godeau, et al. // Magnesium Research. — 2003. — V.16. — № 1. — P. 43–48.