Mmp and Wound Healing

8/10/2019 Mmp and Wound Healing

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P R O T E O LY T I CE V E N T SO F W O U N D - H E A L I N G -C O O R D I N AT E DI N T E R A C T I O N SA M O N GM AT R I XM E TA L L O P R O T E I N A S E S MMPs , I N T E G R I N S ,AND EXT R ACELLULARM AT R I XM O L E C U L E SB j o r nS t e f f e n s e n *D e p a r t m e n to fP e r i o d o n t i c s - M S C 7 8 9 4 ,U n i v e r s i t yo fT e x a sH e a l t hS c i e n c e e n t e ra tS a nA n t o n i o ,7 7 0 3F l o y d u r lD r i v e ,S a nA n t o n i o ,T X7 8 2 2 9 - 3 9 0 0 ;* c o r r e s p o na us t e f f e n s e n b @ u t h s c s a . e d u

L a r iH a k k i n e nH a n n uL a r i a v aD e p a r t m e n t o f O r a lB i o l o g i c a la n dM e d i c a l S c i e nc es ,U n i v e r s i t yo fB r i t i s hC o l u m b i a ,Va n c o u v e rB C ,C a n a d a

A B S T R A C T:D u r i n gw o u n d - h e a l i n g ,c e l l sa r er e q u i r e dt o m i g r a t er a p i d l yi n t ot h ew o u n d s i t ev i aa p r o t e o l y t i c a l l yg e n e r ap a t h w a yi n t h ep r o v i s i o n a l m a t r i x ,t op r o d u c ene w e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ,a n d , s u b s e q u e n t l y ,t o r e m o d e lt h en e w l yf o r m e dt i sm a t r i xd u r i n g t h em a t u r a t i o np h a s e .T w o c l a s s e so fm o l e c u l e sc o o p e r a t ec l o s e l yt o a c h i e v et h i sg o a l ,n a m e l y ,t h em a t r ix a ds i o na n d s i g n a l i n gr e c e p t o r s ,t h ei n t e g r i n s ,a n d m a t r i x - d e g r a d i n ga n d - p r o c e s s i n ge n z y m e s ,t h em a t r i x m e t a l l o p r o

M M P s .T h e r ei s n o w s u b s t a n t i a le x p e r i m e n t a l e v i d e nc et h a tb l o c k i n gk e y m o l e c u l e so fe i t h e rg r o u pw i l lp r e v e n to r s e r id e l a y w o u n d - h e a l i n g .I t h a s b e e nk n o w n f o rs o m et i m e n o w t h a tc e l la d h e s i o nb y m e a n so f t h ei n t e g r i n sr e g u l a t e s t h ee x ps i o no fMMPs. I n a d d i t i o n ,c e r t a i nMMPs c a n b i n d t o i n t e g r i n so ro t h e rr e c e p t o r so n t h ec e l ls u r f a c ei n v o l v e di n e n z y m eav a t i o n ,t h e r e b yp r o v i d i n ga m e c h a n i s mf o rl o c a l i z e dm a t r i xd e g r a d a t i o n .B y p r o t e o l y t i c a l l ym o d i f y i n gt h ee x i s t i n gm a t r i xme c u l e s ,t h eMMPsc a n t h e n i n d u c ec h a n g e si nc e l lb e h a v i o ra n d f u n c t i o nf r o ma s t a t eo fr e s t t om i g r a t i o n .D u r i n gw o u n d r e pt h ee x p r e s s i o no f i n t e g r i n sa n d MMPs i s s i m u l t a n e o u s l yu p - r e g u l a t e d .T h i sr e v i e ww i l lf o c u so n t h o s e a s p e c t so ft h ee x t ek n o w l e d g eo ff i b r o b l a s ta n d k e r a t i n o c y t eMMPs a n d i n t e g r i n si n b i o l o g i c a lp r o c e s s e st h a tr e l a t e t ow o u n d - h e a l i n g .

Ke y w o r d s . M a t r i xm e t a l l o p r o t e i n a s e s ,MMP, i n t e g r i n s ,e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ,w o u n d - h e a l i n g .

I I n t r o d u c t i o n1 e c e n t a d v a n c e si n t h eu n d e r s t a n d i n go f w o u n d - h e a l i n g

h a v e d e m o n s t r a t e dc l e a r l yt h a tt h et e m p o r a la n d s p a t i a le v e n t s i n t h i s p r o c e s s a r e a s s o c i a t e d w i t h c h a r a c t e r i s t i cc h a n g e si n t h ee x p r e s s i o no f t h ei n t e g r i n s ,a c e n t r a lf a m i l yo fc e l l - s u r f a c er e c e p t o r sf o rm a n y e x t r a c e l l u l a rm a t r i x m o l e c u l e s .T h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ei n t e g r i n sa n d t h e i rl i g a n d s h a v eb e e n f o u n d t o e l i c i t o u t s i d e - i na n d i n s i d e - o u ts i g n a l i n ge v e n t s .S u c h s i g n a l i n ge v e n t s a r ef u n d a m e n t a lf o rc o n t r o l l i n gc e l lm i g r a t i o ni n t h ew o u n d - h e a l i n gp r o c e s s ,a n d t h es i g n a l i n ga n d r e s u l t i n gc e l lb e h a v i o r a r e m o d i f i e d f o l l o w i n g p a r t i a ld e g r a d a t i o no f t h el i g a n d s .T h u s , i n i t i a ld e g r a d a t i o no fe x t r a -c e l l u l a rm o l e c u l e sm ay i n d u c e c e l lm i g r a t i o no v e r t h e w o u n ds u r f a c e ,w h e r e a sm i g r a t i o nm ay n o t o c c u r o v e rt h ei n t a c tm o l -e c u l e s .T h e f a m i l yo f m a t r i x m e t a l l o p r o t e i n a s e s M M P s i sc e n t r a lt o t i s s u eh o m e o s t a s i sa n d r e m o d e l i n g .I n a d d i t i o n ,t h e s ee n z y m e sm a y a l s ob e r e q u i r e df o rc e l lm o t i l i t yi n t h ep r o c e s s o f w o u n d - h e a l i n g .I n d e e d ,t h es e c r e t i o na n d a c t i v a -t i o no f t h e MMPs a p p e a r t o b e c l o s e l yl i n k e d t o i n t e r a c t i o n sb e t w e e ni n t e g r i n sa n d e x t r a c e l l u l a rm a t r i x m o l e c u l e sa n d t h ea s s o c i a t e ds i g n a l i n ge v e n t s .

We h a v e r e v i e w e dt h ea v a i l a b l er e s e a r c ho n t h ec o n t r i b u -t i o n so fM M P s a n d i n t e g r i n st o w o u n d - h e a l i n g .T h i s d i s c u s s i o nc o m m e n c e s w i t h o v e r v i e w so f s a n d i n t e g r i n sa n d i s f o l -l o w e db y s e c t i o n so n i n t e g r i n - M M Pi n t e r a c t i o n si n r e - e p i t h e -l i a l i z a t i o na n d c o n n e c t i v et i s s u ew o u n d - h e a l i n g .T h r o u g h o u t ,w e h a v ea i m e dt o p r o v i d ea p i c t u r ew h i c hd e s c r i b e st h ec o o r d i -

n a t i o n o f t h ei n t e g r i n sa n d t h e i rl i g a n d sa s t h e s er e l a t et o tc o n t r o lo fMMPs a n d c e l lb e h a v i o ri nw o u n d - h e a l i n g .

I I M a t r i xM e t a l l o p r o t e i n a s e s A G E N E R A LA S P E C T S

I n 1 9 6 2 ,G r o s s a n d L a p i e r e o b s e r v e dt h a tt h er a p i d l yr e m o di n g t a d p o l e t a i l sp o s s e s s e d c o l l a g e n - d e g r a d a t i va c t i v i tn e u t r a lp H . S u b s e q u e n tr e s e a r c hs h o w e dt h a t t h e e n z yi n v o l v e dh a d t h ea b i l i t yt o c l e a v et y p e I c o l l a g e nm o l e c u l ec h a r a c t e r i s t i c3 4a n d 1 4f r a g m e n t s G r o s sa n d N a g a i ,1 9I n i t i a lr e p o r t so n c o l l a g e n a s e si n m a n came f r o m s t u d i eh u m a n g i n g i v a a n d b o n e F u l m e ra n d G i b s o n ,1 9 6 6 ) .T o g et h e s ei n i t i a lo b s e r v a t i o n sp r o v i d e d t h e b a s i sf o r i n t e nr e s e a r c ht h a th a s l e dt o t h ei s o l a t i o na n d c l o n i n go fa c o n t i no u s l yi n c r e a s i n gn u m b e ro fm a t r i xm e t a l l o p r o t e i n a s M M Pn o w r e a c h i n ga p p r o x i m a t e l y2 8 T a b l e1 .E v o l u t i o n a ra n as e sb a s e don s e q u e n c ea n d s t r u c t u r a la n a l y s e sh a v ee s t a b lf i r m l yt h a tt h e MMPs f o r m a d i s t i n c ts u b f a m i l yo ft h e m e t ae n d o p e p t i d a s ef a m i l y W o e s s n e r ,1 9 9 4 ) .

T h e main c h a r a c t e r i s t i c so f s a r e t h a t : 1 t h e yas e c r e t e do r r e l e a s e di n l a t e n tf o r m s a s z y m o g e n sa n d c a na c t i v a t e db y p r o t e i n a s e so r b y o r g a n o m e r c u r i a l sw i t h a r e d ut i o ni n m o l e c u l a rmass d u e t o l o s so fa p r o d o m a i n ; 2 t h e i rca l y t i cm e c h a n i s md e p e n d so n z i n c i n t h e a c t i v es i t e ; 3 t ha c t i v i t yi s i n h i b i t e db y t i s s u ei n h i b i t o r so f m e t a l l o p r o t 4 t h e s c l e a v eo n e o r m o r e o f t h e c o m p o n e n t so f t

1 2 5 3 7 3 3 9 8 2 0 0 1 G r i t Rev ral iol e 3r i t R e v O r a lB i o lM e d2 5) 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0


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T A B L E1

S u b s t r a t eS p e c i f i c i t i e so f t h e M e m b e r s o f t h e F a m i l y

C o m m o nN a m e M M PN u m b e r S u b s t r a t e s

C o l l a g e n a s e sI n t e r s t i t i a l

N e u t r o p h i lC o l l a g e n a s e3

C o l l a g e n a s e4 8 , 2 2

G e l a t i n a s e sG e l a t i n a s eA

G e l a t i n a s eB

M M P - 1

M M P - 8M M P - 1 3

M M P -18 8 / - 19 2 2

M M P - 2

M M P - 9

C o l1 2I , , I I IVi l lX ,e n t a c t i n ,T N ,a g g r e c a n ,p r o G e lA ,p r o G e lBC o l1 , 1I I ,I I I ,a g g r e c a nC o l I I ,1 1 1 3 ,I V ,I X ,X ,X I V,T N ,F B R 1 8 ,F N 1 5 ,g e l a t i n 3 ,p r o G e lB 2 1T N ,a g g r e c a n , g e l a t i n ) 2 2

C o lI , I V ,V ,V I I ,X ,g e l a t i n s ,F B R 1 8 ,F N ,L M ,a g g r e c a n ,e l a s t i n ,p r o G e lB ,p r o C o l l - 3 2 0 ,L M - 5 2 8C o l1 9111 9I V ,V ,g e l a t i n s ,e l a s t i n ,F B R 1 8 ,e n t a c t i n ,a g g r e c a n

C o lI I ,I V ,I X ,X ,X I ,g e l a t i n ,L M ,F B R 1 8 ,F N ,e l a s t i n ,T N ,a g g r e c a n ,p r o C o l ,p r o G e lB ,n e u t r o p h i lp r o C o lC o lI V ,L M ,F N ,e l a s t i n ,a g g r e c a nC o lI V ,F N ,L M ,a g g r e c a nC o lI V ,g e l a t i n ,L M , F N ,e n t a c t i n ,e l a s t i n ,a g g r e c a n ,T N , p r o G e lA , p r o G e lB ,p r o C o lG e l a t i n s ,c a s e i n 3 1 ;F N ,F b ,V N 3 2 ;c x l - p r o t e i n a s ei n h i b i t o r 3 3

E l a s t i n ,F B R 1 8 ,C o lI V ,g e l a t i n ,F N ,L M ,V N , P G 2 8

P r o g e lA ;y e l a t i nc a s e i n ,e l a s t i n ,F N ,L M ,V N , D S P G 4 ;C o lI , I I , 1 I I7 ;T N ,n i d o g e n ,a g g r e c a n ,p e r l e c a n ,p r o T N F ( x c 9 ;p r o C o l l - 3 2 0P r o G e lA 1 6 ;F N ,T N ,L M ,a g g r e c a n ,p e r l e c a n ,p r o T N F 1 9P r o G e lAG e l a t i n ,p r o G e lA 2 9P r o G e lAG e l a t i n

G e l a t i n ;a m e l o g e n i n 2 3

C o lI F N

C o l1 ,g e l a t i n ;3 / 4 - f r a g m e n t sc o l1 ,1 1 ,I I IC a r t i l a g ep r o t e o g l y c a n ,i n s u l i nBc h a i n

S t r o m e l y s i n2S t r o m e l y s i n3M a t r i l y s i n

M a t r i l y s i n2 3 1M a c r o p h a g em e t a l l o e l a s t a s e

M M P - 1 0M M P - 11M M P - 7

M M P - 2 6

M M P - 1 2

M e m b r a n e - t y p em e t a l l o p r o t e i n a s e sM T 1- M M P MMP 14

M T 2 - M M P M M P - 1 5M T 3 - M M P 5 M M P - 16M T 4 - M M P 6 M M P - 17M T 5 - M M p 2 5 M M P - 2 4M T 6 - M M P 2 6l e u k o l y s i nM M P - 2 5

O t h e r sE n v e l y s i nE n a m e l y s i nI I

E p i l y s i n 3 4

M M P - 2 0M M P - 2 1/ 2 2 3 0M M P - 2 3 2 4M M P - 2 8

A c t i v i t i e sn o wi d e n t i f i e da sMMPsTe l o p e p t i d a s e l2 M M P - 4

l i k e l yM M P 13 )3 / 4 - c o l l a g e n M M P - 5e n d o p e p t i d a s e 1 3 r a tM M P - 2 )A c i dM M P4 M M P - 6( M M P - 3 )

Ta b l ei n f o r m a t i o ne x p a n d e df r o mr e v i e w sb yS a ng a ndD o u g l a s( 1 9 9 6 ) ,B i r k e d a l - H a n s e ne ta l . 1 9 9 3 ) ,a ndM a t r i s i a n( 1 9 9 2 ) .U p d a t e ds o u r ce s a r er e f e r e n c e da sf o o t n o t e s .2 A b b r e v i a t i o n s :C o l ,n a t i v ec o l l a g e n ;F B R ,f i b r i l l i n ;F N ,f i b r o n e c t i n ;L M ,l a m i n i n ;p r o C o l ,p r o c o l l a g e n a s e ;

p r o G e l ,p r o g e l a t i n a s e ;T N ,t e n a s c i n ;V N ,v i t r o n e c t i n ;P G ,p r o t e o g l y c a n ;D S P G ,d e r m a t a ns u l f a t ep r o t e o g l y -c a n ;a n dT N F ,t u m o rn e c r o s i sf a c t o r .

3 S o u r c e s :3 K n a u p e re ta l . 19 9 6 a ) ,4 P e ia n dW e i s s( 1 9 9 6 ) ,5 Ta k i n oe ta l . 19 9 5 ) ,6 P u e n t ee ta l . 19 9 6 ) ,7 Wi l la n dH i n z m a n n( 1 9 9 5 ) ,8 C o s s i n se ta / .( 1 9 9 6 ) ,9 0 k a d ae ta 1 .( 1 9 9 2 ) ,1 B a r t l e t te ta .( 1 9 9 6 ) , O v e r a l la n dL i m e b a c k( 1 9 8 8 ) ,1 2 N a k a n oa n dS c o f t( 1 9 8 7 ) ,1 3 O v e r a l la n dS o d e k( 1 9 8 7 ) ,1 4 A z z oa n dW o e s s n e r( 1 9 8 6 ) ,1 5 K n d u p e re ta l . 19 9 7 a ) ,I 6 B u t l e re ta l .( 1 9 9 7 ) ,1 7 0 h u c h ie ta l .( 1 9 9 7 ) ,1 8 A s h w o r t he ta l .( 1 9 9 9 ) ,1 9 d O r t h oe ta l .( 1 9 9 7 ) ,2 0 K n a u p e re t a l . 19 9 6 b ) ,2 1 K n 6 u p e re t a l . 19 9 7 b ) ,2 2 P e n d a se t a l .( 1 9 9 7 ) ,2 3 L l a n oe t a .( 1 9 9 7 ) ,2 4 Ve l a s c oe t a l . 1 9 9 9 ) ,2 5 L l a n oe ta l . 1 9 9 9 ) ,2 6 P e i( 1 9 9 9 ) ,2 7 C h a n d l e re ta l .( 1 9 9 6 ) ,2 8 K o s h i k a w ae ta l .( 2 0 0 0 ) ,2 9 Wa n ge ta l .3 0 G u r u r a j a ne ta l . 1 9 9 8 ) ,3 1 d eC o i g n a ce ta l .( 2 0 0 0 ) ,3 2 M a r c h e n k oe ta l .( 2 0 0 1 ) ,3 3 P a r ke ta l .( 2 0 0 0 ) ;3 4 L o h ie ta l . 2 0 0 1 ) .

e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ;a n d 5 )th a v e s t r u c t u r a la n d s e q u es i m i l a r i t i e st h a t i n c l u d ep r o d o m a i nc y s t e i n es w i t c hq u e n c ePRCGVPD a n d t h ezb i n d i n gH E X G H X X G X Xs e q u e n c e( Wo e s s n e r ,1 9 9 1 ,1 9

T h e M M P s a r e d e t e cw i t h h i g hf r e q u e n c yi nc e l ls u e s ,a n d i n t e r s t i t i a lf l u i dh a v e b e e n i m p l i c a t e di n a wv a r i e t yo fb i o l o g i c a lf u n c t ib o t h h e a l t h a n d p a t h o lc o n d i t i o n s ( B i r k e d a l -a l .1 9 9 3 ) . h e a l t h ,g r o w t had e v e l o p m e n tr e q u i r es u b s tr e m o d e l i n go f t h ee x t r a cm a t r i x a n d c e l l u l a rm o v e m e nT h e t r a n s c r i p t sa n d e x p rM M P s a n d i n h i bh a v e b e e n d e m o n s t r a t e dd uo v u l a t i o n ,e m b r y o n i cg r oa n d d i f f e r e n t i a t i o n ,t r o p hi n v a s i o n ,s k e l e t a lg r o w t h ar e m o d e l i n g ,o r g a n a n d t od e v e l o p m e n t ,a n d p o s t p a ri n v o l u t i o n ( S o d e ka n d O v e1 9 9 2 ;W e r be t a l . ,1 9 9 2 ;B i r kH a n s e ne t a l . ,1 9 9 3 ;K l e i n e r aS t e t l e r - S t e v e n s o n ,1 9 9 9 ;N e le t a l . , 2 0 0 0 ) .I n t h e p r e sr e v i e w ,we p r e s e n t a s i g n iv o l u m e o f l i t e r a t u r eonM M P s i n t h e w o u n d - h e ap r o c e s s e s .S e v e r a lM M P s ha l s ob e e n i m p l i c a t e di n i n fm a t o r yt i s s u ec o n d i t i o n ss u ca r t h r i t i sa n d p e r i o d o n t ad i s( M a t r i s i a n ,1 9 9 2 ;S o d e k aO v e r a l l ,1 9 9 2 ;B i r k e d a l1 9 9 3 ) .B e c a u s eM M P s i n tw i t h g r o w t h f a c t o r s ,e x a mo f M M P s i n t h e r e l e ag r o w t h f a c t o r sa r e p r e sl a t e r .I m p o r t a n t l y ,r e c e n t dh a v e n o w d e m o n s t r a t e d to n e o f t h e M M P s ,M Mc l e a v e s t h e m o n o c y t ec h ea t t r a c t a n tp r o t e i n - 3 ,r e s u l ta d a m p e n e di n f l a m m a t o r

s p o n s e M c Q u i b b a ne t a l . ,2 0W h e r e a st h ea b i l i t yo fM M Pd e g r a d ea v a r i e t yo f e x t r al a rm a t r i xc o m p o n e n t si s o fbe f i t i n t h e d e v e l o p m e n t a lar e m o d e l i n gp r o c e s s e si n h et h ep r e s e n c e o f h i g h l e v et u m o r - c e l l - a s s o c i a t e d M Mh a s b e e n a s s o c i a t e d w i t he x p a n s i o n a n d t i s s u ep e n e tt i o no f t umor c e l l s ,u l t i ml e a d i n gt o f o r m a t i o no f m e t

3 7 4 C r i tR e v O r a l B i o lM e d 12 5 :373 9

S t r o m e l y s i n s ,m a t r i l y s i n ,m e t a l l o e l a s t a s eS t r o m e l y s i n M M P - 3

3 7 4 C r i tR e vO r a lB i o lM e d 2 ( 5 ) : 3 7 3 - 3( 2


3/27

t a s e s Z u c k e re t a l . ,1 9 8 7 ; L i o t t aa n d S t e t l e r - S t e v e n s o n , 1 9 9 1 ;B i r k e d a l - H a n s e ne t a l . ,1 9 9 3 ;S t e t l e r - S t e v e n s o ne t a l . ,1 9 9 3 ) .

T h e MMPs m a y b e m o b i l i z e df r o m c e l l sb y a t l e a s tt h r e em e c h a n i s m s .T h u s ,t r a n s c r i p t i o nma y b e r e g u l a t e di n r e s p o n s et og r o w t h f a c t o r sa n d c y t o k i n e s ,MMPs m a y b e c o n s t i t u t i v e l ye x p r e s s e d i . e . ,g e l a t i n a s eA ) ,o r MMPs i . e . ,g e l a t i n a s e B )m a y b er e l e a s e do n demand f r o mc e l l u l a rg r a n u l es t o r a g es i t e si n p o l y -m o r p h o n u c l e a rl e u k o c y t e s B i r k e d a l - H a ns e ne ta l . ,1 9 9 3 ) .A s wew i l ld i s c u s sl a t e r ,i t a p p e a r si n c r e a s i n g l yl i k e l y t h a tMMPs r a t h e rt h a n e x e r t i n gt h e i ra c t i v i t i e sf r e e l yi n t i s s u e f l u i dc o m p a r t m e n t s ,f u n c t i o ni n t h ep r o x i m i t yo fc e l l sa n d m a y b e p o s i t i o n e d ,a c t i v a t -e d ,a n d r e l e a s e da sn e e de d f r o mt h ec e l ls u r f a c e sb y s e v e r a lm e c h -a n i s m s B a s b a u m a n dWe r b ,1 9 9 6 ;S t e f f e n s e ne ta l . ,1 9 9 8 ) .

T h e M M P s a r es e c r e t e di n l a t e n tf o r m sa n d r e q u i r ea c t i v a -t i o nf o rc a t a l y t i ca c t i v i t y .T h e a c t i v a t i o ni n v o l v e sd i s r u p t i o no ft h eb o n db e t w e e nt h ea c t i v es i t eZ n + +a n d t h eC y s r e s i d u ei n t h ec o n s e r v e dp r o d o m a i ns e q u e n c ePRCGVPDa n d t h ei n t r o d u c t i o no f a m o l e c u l eo f w a t e r a s t h e f o u r t hl i g a n d V a n W a r t a n dB i r k e d a l - H a n s e n ,1 9 9 0 ) .T h i s m e c h a n i s mh a s b e e nr e f e r r e dt o a st h e c y s t e i n es w i t c hS p r i n g m a ne ta l . ,1 9 9 0 ;W i n d s o re ta l . ,1 9 9 1 ) ,a n d t h e i m p o r t a n c eo f t h ec o o r d i n a t i o nh a s b e e n f u r t h e rs u b -s t a n t i a t e db y s p o n t a n e o u se n z y m ea c t i v a t i o nu p o ns i t e - d i r e c t e dm u t a t i o n st h a ti n t r o d u c ec h a n g e si n t h ec o n s e r v e dp r o p e p t i d es e q u e nc e S an c he z - L o p eze t a l . ,1 9 8 8 ) .D i s r u p t i o no f t h eb o n dm a y a l s ob e a c h i e v e dc h e m i c a l l yb y v a r i o u s a g e n t s ,i n c l u d i n go r g a n o m e r c u r i a l s ,m e t a l i o n s ,t h i o lr e a g e n t s ,a n d o x i d a n t s B i r k e d a l - H a ns e ne t a l . ,1 9 9 3 ) .B e c a u s et h e d e t e r g e n t s o d i u md o d e c y ls u l f a t e S D S h a s a s i m i l a re f f e c t ,t h i sc a n b e u t i l i z e di nz y m o g r a p h ya n a l y s i s o fMMPs B i r k e d a l - H a ns e na n d T a y l o r ,1 9 8 2 ) .S e v e r a l p r o t e a s e s t r y p s i n ,c h y m o t r y p s i n ,p l a s m i n ,p l a s -m i n o g e na c t i v a t o r s[ u - PAa n d t - PA ] ,n e u t r o p h i le l a s t a s e ,a n dp l a s m ak a l l i k r e i n )m a y a c t i v a t eMMPs. S u c hp r o t e o l y t i cp r o c e s s -i n g g e n e r a l l yr e m o v e sa s e g m e n to ft h ep r o d o m a i nf r o m p o s i -t i o nt h a ti s N H 2 - t e r m i n a lt o t h ef i n a lc l e a v a g es i t e a n d i s f o l -l o w e db y a n a u t o c a t a l y t i cc l e a v a g ew h i c hg e n e r a t e st h e f i n a la c t i v ef o r mo f t h ee n z y m e N a g a s ee ta l . ,1 9 9 0 ;B i r k e d a l - H a n s e ne ta l . ,1 9 9 3 ) .A l t h o u g ht h ep o s i t i o no f t h ef i n a lc l e a v a g es i t ev a r i e sb e t w e e nt h ea c t i v a t e dMMPs i t i s g e n e r a l l ya t t h et y r o s i n eo rp h e n y l a l a n i n er e s i d u e sa p p r o x i m a t e l ye i g h tr e s i d u e sd o w n -s t r e a mf r o mt h ec o n s e r v e dp r o d o m a i nc y s t e i n er e s i d u e B i r k e d a l -H a n s e ne ta l . ,1 9 9 3 ) .MMPsm a y a l s op r o t e o l y t i c a l l ya c t i v a t eo t h e rMMPs. E x a m p l e sa r e t h e a c t i v a t i o no f p r o c o l l a g e n a s eb ys t r o m e l y s i n s M u r p h ye ta l . ,1 9 8 7 ;N i c h o l s o ne t a l . ,1 9 8 9 ;Q u a n t i ne t a l . ,1 9 8 9 )a n d a c t i v a t i o no f p r o g e l a t i n a s eB b y s t r o m e l y s i n - 1 G o l d b e r ge t a l . , 1 9 9 2 ;O g a t a e t a l . , 1 9 9 2 )a n d g e l a t i n a s e

F r i d m a ne ta .1 9 9 5 ) .I na d d i t i o n ,c e l l - s u r f a c e - b o u n dm e m b r a n e -t y p e M T - M M P s S a t oe t a l . ,1 9 9 4 ;S t r o n g i ne t a l . ,1 9 9 5 ;B u t l e re ta l . ,1 9 9 7 )i n i t i a t et h ea c t i v a t i o no fp r o - g e l a t i n a s eA , f o l l o w e da n dc o m p l e t e db y a u t o a c t i v a t i o n B e r g m a n ne t a l . ,1 9 9 5 ) .

T h e c o n t r o l o ft h eMMPs c a t a l y t i ca c t i v i t i e si s c l o s e l ya s s o -

c i a t e dw i t h t h et i s s u ei n h i b i t o r so fm e t a l l o p r o t e i n a s e s T I M P s ) .T h e s ea r es e c r e t e dp r o t e i n st h a ta r e w i d e l yd i s t r i b u t e di n t i s -s u e s a n d f l u i d sa n d s e r v e a s s p e c i f i ci n h i b i t o r sf o rt h eMMPs. n a d d i t i o nt o s e v e r a lTIMPs f r o mv a r i o u ss p e c i e s ,f o u rh u m a nT I M P sh a v e b e e n c l o n e d C a r m i c h a e le t a l . ,1 9 8 6 ;De C l e r c ke ta l . ,1 9 8 9 ;S t e t l e r - S t e v e n s o ne ta l . ,1 9 8 9 ;W i c ke t a l . ,1 9 9 4 ;K i s h n a n ie t a l . ,1 9 9 5 ;G r e e n ee t a l . ,1 9 9 6 ) .T h e a c t i v ef o r m so f t h eMMPsa r eb o u n dt i g h t l yb y TIMPs K d so f 1 0 - 9- 1 0 - 1 0M w i t h a s t o i -c h i o m e t r yo f 1 : 1 . I n a d d i t i o n ,T I M P - 1a n d T I M P - 2c o m p l e xw i t h t h e l a t e n tf o r m s o f g e l a t i n a s eB a n d A , r e s p e c t i v e l y G o l d b e r ge t a l . ,1 9 8 9 ;S t e t l e r - S t e v e n s o ne t a l . ,1 9 8 9 ;Wa r d e t a l . ,1 9 9 1 b ) .W h e r e a si t wa s e a r l i e rp r o p o s e dt h a tt h eb i n d i n gt o t h e

l a t e n te n z y m e s m i g h ts e r v et o d e l a ya u t o c a t a l y t i cc o n v e r s it h ea c t i v ef o r mo f g e l a t i n a s e H o w a r de t a l . ,1 9 9 1 ) ,i t i s nc l e a r t h a tt h i sb i n d i n g a l s os e r v e s i n a c e l l - s u r f a c e - aM T - M M P / T I M P - 2 / p r o g e l a t i n a s e a c t i v a t i o nc o m p l e x C aa l . ,1 9 9 5 ;S t r o n g i ne t a l . ,1 9 9 5 ) .D i s r u p t i o no fTIMP a c t i v i t ymc a u s e t i s s u ed a m a g ea n d a n e x p a n d e dr a t eo f t u m o r - i n v ag r o w t h L i o t t aa n d S t e t l e r - S t e v e n s o n ,1 9 9 1 ;E d w a r d se t1 9 9 6 ) .A l s o ,t r a n s f e c t i o no fn o r m a lc e l l sw i t h p l a s m i d si n d u ca n t i s e n s eTIMP mRN t o r e d u c eTIMP e x p r e s s i o nc o n f e r r eo n c o g e n i cp h e n o t yp e o nt h ec e l l s K h o k h ae t a l . ,1 9 8 9 )aT I M P - k n o c k - o u tt r a n s g e n i cm i c eshow a n a c c e l e r a t e dg r oa n d d i s p e r s i o no f t u m o r s K h o k h ae t a l . ,1 9 9 5 ) .

An a d d i t i o n a l , n a t u r a l l yo c c u r r i n gi n h i b i t o ro fMMPs i sa 0 2 - m a c r o g l o b u l i n .B y a b a i t - e n t r a p m e n tm e c h a n i s m S 0 tJ e n s e n a n d B i r k e d a l - H a n s e n ,1 9 8 9 ) ,u p o n c l e a v a g eo f o n em o r eb o n d si n t h eb a i tr e g i o no fc 2 - m a c r o g l o b u l i nb y t h eMMa c o n f o r m a t i o n a lc h a n g ei s i n i t i a t e d ,l e a d i n g t o t h ee n t r a p mo f t h e P t h r o u g ha c o v a l e n tc r o s s - l i n k a g et o t h ei n h i B i r k e d a l - H a ns e ne t a l . ,1 9 9 3 ) . I n t e r e s t i n g l y ,t h i sb i n d i n g dn o t b l o c ka c c e s st o t h ea c t i v es i t eo f t h e P b y l o w - m o l e cw e i g h t s u b s t r a t e s ,s u g g e s t i n gt h a t i n h i b i t i o no f c l e a v a gh i g h - m o l e c u l a r - w e i g h ts u b s t r a t e si s t h e r e s u l to f s t e r i chd r a n c e .T h e i n h i b i t o r - p r o t e i n a s ec o m p l e x e sa r e s u b s e q u ec l e a r e df r o mt h ec i r c u l a t i o nb y t h el i v e ro r l o c a l l yb y t i s s u ef i bb l a s t st h a tp o s s e s s f u n c t i o n a lr e c e p t o r sf o ro L 2 - m a c r ot h a tm a y b e i n v o l v e di n i n t e m a l i z a t i o na n d d e s t r u c t i o no fc o m p l e x e s V a nL e u v e ne t a l . ,1 9 7 9 ;D i c k s o ne t a l . ,1 9 8 1 ) .

B )MOLECULARB A S I SFO R MMP-LIGANDINTERACTIONS

T o u n d e r s t a n dt h e m o l e c u l a rb a s i sf o r P i n t e r a c t i o nwm a t r i x m o l e c u l e s ,w e w i l lr e v i e wt h e P d o m a i ns t r u ct h e c o n t r i b u t i o n so f d i s t i n c td o m a i n st o l i g a n db i n d i n gaf i n a l l yt h es p e c i a ls i t u a t i o no f MMP-2 c e l l - s u r f a c el o c a l i za n d a c t i v a t i o n .

1 ) P d o m a i n s

T h eMMPsa r e o r g a n i z e di n d i s t i n c ts t r u c t u r a ld o m a i n s . T hs i g n i f i c a n th o m o l o g yb e t w e e nt h e d o m a i n si n t h e d i f fMMPs b u t t h e r ei s v a r i a t i o ni n t h en u m b e ro fd o m a i n sp r e si n e a c he n z y m e F i g .1 B i r k e d a l - H a n s e ne t a l . ,1 9 9 3 ) .F o l l ot h es i g n a lp e p t i d e ,w h i c hi s r e m o v e di n t h ee n d o p l a s mr e tl u m ,a l lMMPs h a v e a p r o d o m a i n 7 7 - 8 7r e s i d u e s ) ,w h i c hi sN H 2 - t e r m i n a ld o m a i no f t h e s e c r e t e dl a t e n te n z y m e ,a n d a ca l y t i cd o m a i n . C O O H - t e r m i n a ld o m a i n - 2 0 0r e s i d u e s )t ha c o ns t a n tf i n d i n gi n a l lMMPs e x c e p tm a t r i l y s i n M M P - 7cn e c t s v i aa f l e x i b l e ,v a r i a b l e - l e n g t h 5 - 5 0r e s i d u e s ) ,p r o l i nh i n g e r e g i o nt o t h e c a t a l y t i cd o m a i n . T h e C O O H - t e rd o m a i nc o n s i s t so f f o u rr e p e a t sw i t h h o m o l o g yt o v i t r o na n d h e m o p e x i n ,a h e m e - b i n d i n gp r o t e i n e n n e a n d S t a1 9 8 7 ) .E a c hr e p e a tf o r m sa b l a d e o f t h ef o u r - b l a d e d3 - p rt h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e L i b s o ne t a l . ,1 9 9 5 ) .

T h e c a t a l y t i cd o m a i nc o n t a i n s a Z n + +b i n d i n gs i t e wt h r e eh i s t i d i n er e s i d u e si n t h e h i g h l yc o n s e r v e da c t i v es e q u e n c eHEXGHXXGXXH Wo e s s n e r ,1 9 9 4 ) .I n t h el a t e n tf oo f t h ee n z y m e ,a f o u r t hl i g a n ds i t e i s o c c u p i e db y a c y sc o n t a i n e di n t h e c o n s e r v e dPRCGXPDm o t i fo f t h ep r o d oD i s r u p t i o no f t h eb o n d t o t h i sc y s t e i n e c y s t e i n es w i t c hai n t r o d u c t i o no f a w a t e r m o l e c u l et o o c c u p yt h ef o u r t hb i ns i t e a r e k e y e l e m e n t so f e n z y m ea c t i v a t i o n S p r i n g me t1 9 9 0 ;Va n W a r ta n d B i r k e d a l - H a n s e n ,1 9 9 0 .

U n l i k e o t h e r m e m b e r so f t h e m a t r i x m e t a l l o p r

92 i t R e v O r a l B i o e

C r i tR e vO r a l B i o lM e d2 5 ) : - 3 7 3 - 3 9 8 1 2 0 0


4/27

C o l l a g e n a s e s

. IJ H e m o p e x i n

e l a t i n a s eA} P r o a H e m o p e x i n

e l a t i n a s e B

1 J P r o le~t ci emopexini

t r o m e l y s i n s

I i 3 r y H e m o D e x i n

M e m b r a n e - t y p em e t a l l o p r o t e i n a s e s

i i 1 F P r o C a t a l i c H e m o p e x i n_ ) I . I

O t h e r s

i g u r e1 .D o m a i ns t r u c t u r eo f t h em a j o rm a t r i x m e t a l l o p r o t e i n a s es u b g r o u p s .A b b r e v i a t i o n se :P r e ,s i g n a lp e p t i d e ;P r o ,p r o d o m a i n ;F u ,p u t a t i v ef u r i nc l e a v a g es i t e ;C B D ,c o l l a g e n -n d i n gd o m a i n ;Z n ,Z n r + - b i n d i n ga c t i v es i t e ;T M ,t r a n s m e m b r a n ed o m a i n ;a n d V ,t y p eV

o l l a g e n - l i k er e g i o n .T h ec a t a l y t i c C a t a l y t i ca n d C O O H - t e r m i n a lh e m o p e x i n - l i k eH e m o p e x i n )d o m a i n sa r ea l s os h o w n .

a m i l y ,t h e g e l a t i n a s e s a n d B c o n t a i n t h r e e 5 8 - a m i n o - a c i d - t e r m i n a l d o m a i is i d u e l o n g m o d u l e s t h a t a r e h i g h l y h o m o l o g o u st o t h e g e l a t i n ,a n d a pb r o n e c t i n t y p e l 1 - l i k em o d u l e sa n d i n se r t e d i n t o t h e c a t a l y t - s t r o m e l y s i na l s c

d o m a i n C o l l i e re t a l . ,1 9 8 8 ;W i l h e l me t a l . ,1 9 8 9 ) .I n a d d i t i o n d o m a i n ,a h y b r if i b r o n e c t i n a n d g e l a t i n a s e s o f t h e MMP f a m i l y ,f i b r o n e c t i n t h e c a t a l y t i cd o rp e l - l i k em o d u l e sh a v e b e e n i d e n t i f i e di n t h e b l o o d c o a g u - t e r m i n a l d o m a i rt i o nf a c t o rX I I ( M a c M u l l e nan d F u j i k a w a , 1 9 8 5 ) ,t h e m a n - h y b r i d c o l l a g e m

o s e r e c e p t o r ( T a y l o rc t a l . ,1 9 9 0 ) ,t h e m a n n o s e - 6 - p h o s p h a t e a l y t i cd o m a i na lc e p t o r ( L o b e l c t a l . ,1 9 8 7 ) ,t h e i n s u l i n - l i k eg r o w t h f a c t o rI I l a g e n ,t h e h y b r ic e p t o r M o rg a n e t a l . , 1 9 8 7 ) ,a n d t h e b o v i n e s e m i n a lf l u i d s t r a t e .T h e s el i n eo t e i n s P D C - 1 0 9 a n d BSP-A3 ( E s c h e t a l . ,1 9 8 3 ; S e i d a h e t a l . , t e r m i n a l d o m a i r

9 8 7 ) .G e l a t i n a s e B c o n t a i n s a n a d d i t i o n a l 5 4 - a m i n o - a c i d - t r i p l e - h e l i c a lt y ps i d u e p r o l i n e - r i c h s e q u e n c e l o c a t e d a d j a c e n t t o t h e z in c - r e l a t i v et o t h e c an d i n g d o m a i n o n t h e c a r b o x y l - t e r m i n a ls i d e ( W i l h e l me t a l . , D e l e t i o n s i n t h e8 9 ; H u h t a l ae t a l . ,1 9 9 1 ) .T he l e n g t h o f t h i ss e q u e n c ea n d a n a s e h a v e i d e n i- 55 , i d en t i t yw i t h a p o r t i o n o f t h e h e l i c a lr e g i o n o f t h e c o l - r e g i o n f o r c o l l a

g e n u 2 ( V ) c h a i n s u g g e s tt h a t t h e a p p e a r a n c eo f t h i sd o m a i n r e g i o n a f f e c t e da y r e s u l tf r o m a r e c o m b i n a t o r i a le v e n t b e t w e e nt h e e n z y m e ( H i r o s e e ta l . ,1 9e c u r s o r g e n e a n d a c o l l a g e n g e n e ( e x o n l e n g t h i n c o l l a g e n C o n t r a r yt on e s i s commonly 5 4 b p ) ( W i l h e l me t a l . ,1 9 8 9 ) . t e r m i n a l d o m a i i

T h e s i x m e m b r a n e - t y p em e t a l l o p r o t e i n a s e s M T- M M P s t h e c o l l a g e n - b i nn t a i n b o t h a c h a r a c t e r i s t i ch y d r o p h o b i cr e g i o n t h a t p l a y s a i nb i n d i n g a s s a :i t i c a lr o l ei n p o s i t i o n i n g t h e M T- M M P si n t h e c e l lm e m b r a n e 2 0 0 0 ) .T h i s l i k e la t o e t a l . ,1 9 9 4 ;T a k i n o e t a l . ,1 9 9 5 ;W i l l a n d H i n z m a n n ,1 9 9 5 ; m i n a l d o m a i n d

u e n t ee t a l . ,1 9 9 6 ) ,a n d a n i n s e r t i o n o f n i n e r e s i d u e s b e t w e e n s u b s t r a t e ( F r i d ne p r o p e p t i d e a n d t h e c a t a l y t i cd o m a i n e n d i n g w i t h t h e r e c o m b i n a n tC (XR/KRc o n s e n s u ss e q u e n c et h a t ,i n s t r o m e l y s i n - 3 ,i s e s s e n t i a l p l a s m a f i b r o n e co ra c t i v a t i o n b y f u r i n P e ia n d We i s s , 1 9 9 5 ) . h e p a r i n ( Wa l l o n

T h e MMPs r e q u i r e C a + + i o n s f o r a c t i v i t y ,a n d p u t a t i v e T i s s u e i n h i l

C a l l b i n d i n g s i t e sh a v e b e e n p r o p og l u t a m i n e - a s p a r a g i n e - r i c hr e g i o n sc a t a l y t i cd o m a i n( L e p a g ea n d G a c h eT h e r e i s a l s o r e c e n t e v i d e n c e t h abo u n d e n t r l l y i n t h e C O O H - t ed o m a i n o f g e l a t i n a s e ( L i b s o n e t a li s r e q u i r e d f o ri n t e r a c t i o n w i t h e x tl a r m a t r i x ( E C M ) p r o t e i n s ( Wa l l oO v e r a l l ,1 9 9 7 ) .I n a d d i t i o n , t h e C O Om i n a l d o m a i nm a y a l s o b i n d a Z n + +

2 ) L i g a n d - b i n d i n gd o m a i n san d f u n c t i o n a l p r o p e r t i e s o f MM

A n a l y s e s o f r e c o m b i n a n t MMPsd o m a i n d e l e t i o n s a n d s t u d i e s o f i sr e c o m b i n a n t d o m a i n s o r m o d u l em a d e i t p o s s i b l e t o a s s i g n f u n c t i o ncb u t i o n s t o d i s t i n c td o m a i n s a n dm ow i t h i n t h e i n d i v i d u a l M M P s .

T h e C O O H - t e r m i n a ld o m a i n so fsMMPs p r o v i d eb i n d i n g t o t y p e I c o l li l l u s t r a t e db y t h e i n t e r a c t i o nb e t w ep u r i f i e di s o l a t e da u t o c a t a l y t i cC O O Hn a l f r a g m e n to f c o l l a g e n a s ea n d n a t i vI c o l l a g e n ( B i g g c t a l . ,1 9 9 4 ) .T h i s i n t ec o n c u r s w i t h t h e o b s e r v a t i o n s t h a tc ad o m a i n sa l o n e f r o m h u m a n f i b r o bn e u t r o p h i l c o l l ag e n a se sd o n o t c l e a v et y p e I c o l l a g e n C l a r ka n d C a w s t o nW i n d s o re t a l . , 1 9 9 1 ;M u r p h y c t a l . ,S c h n i e r e r c t a l . ,1 9 9 3 ) .I n c o m p a r i s o n ,rb i n a n t t r u n c a t e d h u m a n c o l l a g es t r o m e l y s i n - 1w i t h d e l e t i o no f t h eC

n s m a i n t a i n e dt h e i ra b i l i t yt o d e g r a d e c p t i d es u b s t r a t e ( M u r p h ye t a l . ,1 9 9 2 a )Bo c a n b i n d t o c o l l a g e n b y i t s C O O H - t

i d e nzym e w as e n g i n e e r e dw h i c h c o n sn a i no f c o l l a g e n a s ec o m b i n e dw i t h t h e C o f s t r o m e l y s i n - 1 .T h ec a t a l y t i cp r o p e r t i e si s ec o r r e s p o n d e dt o t h o s e o ft h ec o l l a g eo n e ,b u t ,i n s p i t eo fb i n d i n g t o n a t i v e t y p d i d n o t h a v e t h e c a p a b i l i t yt o c l e a v e t h so fe v i d e n c es h o w t h a tt h e c o l l a g e n a s eC i s c r i t i c a lf o rp o s i t i o n i n gt h ec l e a v a g es i tp eI c o l l a g e n m o l e c u l ew i t h a p r e c i s eo r i e nt a l y t i cs i t eo fc o l l a g e n a s e( M u r p h yc t a l . ,1C O O H - t e r m i n a ld o m a i n o fn e u t r o p h i l cf i f i e da 1 6 - a m i n o - a c i ds e q u e n c e a s t h ecg e n b i n d i n g , w h e r e a s a l a r g e r6 2 - a m i n

t h e e f f i c i e n c yo f t h e c o l l a g e n o l ya 3 .t h a to b s e r v e d f o rt h e c o l l a g e n a s e s ,t h eC o f g e l a t i n a s e h a s l i t t l eo r n o c o n t r i b un d i n g p r o p e r t i e s o f t h e e n z y m e ,a s d e t e ry sw i t h t h e i s o l a t e dr C d o m a i n O v e ry e x p l a i n s w h y g e l a t i n a s e w i t h C O Ol e l e t i o n sr e t a i n sf u l le n z y m a t i ca c t i v i t yoi a nc t a l . ,1 9 9 2 ) .I n a d d i t i o n t oc o l l a g e ni sD O H - t e r m i n a ld o m a i n o f g e l a t i n a s e

- t i nw h i c h i s a s u b s t r a t eo f t h e e n z y mna n d O v e r a l l ,1 9 9 7 ;O v e r a l l c t a l . ,2 0 0 0 )j i t o r so f m e t a l l o p r o t e i n a s e sf o r m 1 : 1s t

C r i tR e vO r a lB i o tM e d7 6 1 2 5 0 7 3 - 3 9 8


5/27

e t r i cc o m p l e x e sw i t h a c t i v a t e dMMPs b y C e l l S u r f at e r a c t i o n sw i t h b o t h t h e c a t a l y t i ca n d t h e

O O H - t e r m i n a ld o m a i n s B i r k e d a l - H a n s e na l . , 9 9 3 ;B i g ge t a l . ,1 9 9 4 .T h e c o n t r i b u t i o nt h e P C O O H - t e r m i n a ld o m a i n st o t h e w

n d i n g o fTIMPs i s i l l u s t r a t e di n C O O H - t e r - wn a l d o m a i n d e l e t i o n e n z y m e m u t a n t s w

h i c hshow a r e d u c e di n h i b i t i o no fg e l a t i n a s e b y TIMP 2 a n d a l o w e r a f f i n i t yo f

r o m e l y s i n - 1f o r TIMP 1 F r i d m a n e t a l . ,9 9 2 ;B a r a g i e t a l . ,1 9 9 4 .I s o l a t e dg e l a t i n a s e 6

- d o m a i nb i n d s T I M P - 2 F r i d m a n e t a l . ,9 9 2 ;B i g g c t a l . ,1 9 9 7 ;W a l l o n a n d O v e r a l l ,9 9 7 .I n a d d i t i o n , p r o - g e l a t i n a s e s a n d Bn f o r m c o m p l e x e sw i t h TIMP 1 W i l h e l mc t C e l l mem,1 9 8 9 ) a n d TIMP 2 G o l d b e r ge t a l . , 9 8 9 ;

a r d e t a l . , 1 9 9 1 b ; F r i d m a n e t a l . , 1 9 9 2 ; F i g u r e2 . P r o p o :l l e n b r o c kc ta l . ,1 9 9 3 , r e s p e c t i v e l y .B i n d i n gn a l si n d u c et h ec

T I M P - 2t op r o - g e l a t i n a s eA i s i m p o r t a n tf o r 1 )O n e s i t eo fsl lm e m b r a n ea c t i v a t i o no f t h ee n z y m e C a o b ya n i n t e g r i n n z y m e L a o a r p o o i l a t e n

a l . ,1 9 9 5 ,a n e v e n t w h i c hd o e s n o t o c c u ri n M M P - m e d i a t e dO O H - t e r m i n a ld o m a i n d e l e t i o nm u t a n t s m i n a ld o m a i na

M u r p h ye ta l . ,1 9 9 2 b ;W a r de ta l . ,1 9 9 4 . c l e a v et h eM M P -L i t t l ei s k n o w n a b o u t t h e f u n c t i o no f t h e

- a m i n o - a c i dp r o l i n e r i c hd o m a i n t h a t h a s some h o m o l o g yt h e c o l l a g e n c h a i n o 2 V ) a n d i s f o u n d o n l y i n g e l a t i n a s e B

W i l h e l me t a l . ,1 9 8 9 .H o w e v e r ,g e l a t i n a s e B w i t h d e l e t i o n o fe t y p e c o l l a g e n - l i k ed o m a i n c l e a v e dd e n a t u r e dt y p e I c o l -g e n a s w e l l a s n a t i v e t y p e s V a n d X I c o l l a g e no u r m o t a b b e d ,1 9 9 4 .

I n g e l a t i n a s e a n d B , t h e p r e d o m i n a n tc o l l a g e n - b i n d i n go p e r t i e s r e s i d ei n t h e c o l l a g e n - b i n d i n g d o m a i n s C B D s )o l l i e re t a l . ,1 9 8 8 ;W i l h e l me t a l . , 9 8 9 ;B a n y a ia n d P a t t h y ,1 9 9 1 ;

o l l i e rc t a l . , 1 9 9 2 ;B a n y a i e t a l . , 1 9 9 4 ;M u r p h y e t a l . , 1 9 9 4 ;e f f e n s e nc t a l . ,1 9 9 5 ) t h a ta r e c o m p o s e do f t h r e ef i b r o n e c t i n

p e I I - l i k em o d u l e s .C h a r a c t e r i z a t i o no f i s o l a t e dr C B D f r o mm a n g e l a t i n a s e h a s d e m o n s t r a t e d t h a t t h i s d o m a i nc o u n t sf o rm o s t , i f n o t a l l ,o f t h e n a t i v e a n d d e n a t u r e d t y p e Il l a g e n - b i n d i n g p r o p e r t i e s o f h u m a n g e l a t i n a s e a n d a l s oa b l e s t h e enzyme t ob i n d t o d e n a t u r e dt y p e I I ,I I I ,I V ,V ,a n d Xl l a g e n s ,n a t i v e t y p e I I I , V , a n d X c o l l a g e n s ,e l a s t i n ,a n d

p a r i n S t e f f e n s e nc t a l . , 9 9 5 ;Abbey c t a l . , 9 9 7 ;O v e r a l l c t a l . ,0 0 0 ;S t e f f e n s e na n d M a r t i n , 2 0 0 1 .R e c e n t s t u d i e s t o d e l i n e a t ee c o n t r i b u t i o n so f t h e t h r e e i n d i v i d u a l C B D m o d u l e st o l i g -d - b i n d i n gs u p p o r t t h e c o n c e p to fm o d u l ec o o p e r a t i o ni n t h et e r a c t i o n sw i t h enzyme s u b s t r a t e s a n d o t h e r e x t r a c e l l u l a rt r i x p r o t e i n s b y t h e o b s e r v a t i o nt h a tt r u n c a t e d c o l l a g e n -b i n d-

g d o m a i n sc o n s i s t i n go fm o d u l e s1 + 2o r 2 + 3 h a v er e d u c e dc o l -g e n - b i n d i n gp r o p e r t i e s a n d d o n o t b i n d e l a s t i n A b b e yc t a l . ,

9 9 7 ;O v e r a l l c ta l . ,2 0 0 0 .C B Dd e l e t i o n m u t a n t so fg e l a t i n a s e s tt h eb i n d i n g t o t y p e I c o l l a g e nb u t n o t t o T I M P - 1 .A l t h o u g he c a t a l y t i ca c t i v i t yi n t h e m u t a n te n z y m ec o r r e s p o n d e dt o t h a tt h e w i l d - t y p eg e l a t i n a s e f o ra p e p t i d es u b s t r a t e ,t h e a c t i v i -a ga i ns t c as e i nwas r e d u c e db y 5 0 , a n d t h a ta g a i n s t t y p e I c o l -g e n b y 9 0 , Murphy e t a l . ,1 9 9 4 . C B D d e l e t i o n m u t a n to fe l a t i n a s eB a l s oa b o l i s h e d t h e t y p e I g e l a t i n o l y t i ca c t i v i t yo u r m o t a b be d ,1 9 9 4 .T h e s e r e s u l t ss t r e s st h e i m p o r t a n c eo f

B Df o rs u b s t r a t ep o s i t i o n i n ga n d s u c c e s s f u lc l e a v a g e .F u r t h e r -o r e ,a f t e rd e l e t i o n o f t h e C B Dt h a tp r o v i d e sg e l a t i n a s e w i t ha s t i n - b i n d i n gp r o p e r t i e s S t e f f e n s e nc t a l . ,1 9 9 5 ,g e l a t i n a s e s B m u t a n t s n e i t h e r b o u n dg e l a t i nn o r r e t a i n e d e l a s t i n o l y t i ct i v i t y S h i p l e ye t a l . ,1 9 9 6 .

t c eA c t i v a t i o no f P r o - G e l a t i n a s e 3

v

-. Y a c

7 l a t

- - \ TM T -

n b r a n e V T I Ms e dm o d e lf o rc e l lm e m b r a n ea c t i v a t i o no fp r o - M M P - 2 .E x t r a c e e l lt op r o d u c ep r o - M M P - 2t h a ti ss e c r e t e dt ot h ee x t r a c e l l u l a re n vt o r a g ei si na c o m p l e xo fp e r i c e l l u l a rc o l l a g e nb o u n dt ot h ec e l lm e m f r o mw h i c ht h ee n z y m em a yb er e l e a s e dw h e nn e e d e d .T h ee xt M M P - 2m o l e c u l e s 3 )m a yc o m b i n ew i t hT I M P - 2 4 )a n d e n t e rta c t i v a t i o np a t h w a y 5 ) .W h i l eT I M P - 2b r i d g e st h ep r o - M M P - 2C O On dt h ep r o d o m a i no fo n em o l e c u l eo fM T- M M P,a s e c o n dM T- M 2p r o d o m a i nf o l l o w e db yt h er e l e a s eo ft h ea c t i v a t e dM M P - 2 6 ) .

3 C e l l m e m b r a n e l o c a l i z a t i o n a n d a c t i v a t i o no f p r o g e l a t i n a s e

P r o g e l a t i n a s e p r o M M P - 2 )i s u n i q u e a m o n g t h e M Mt h a ti t c a n b e a c t i v a t e db y a c e l l - m e m b r a n e - a s s o c i a t e dmn i s m . I n i t i a l l y ,i t w a s o b s e r v e d t h a t p r o g e l a t i n a s e p r o c e s s e dt o6 2 - , 5 9 - ,a n d 4 3 - k D aa c t i v e f o r m s f o l l o w i n gl a t i o no f h u m a n f i b r o b l a s t sw i t h Co n O v e r a l la n d S1 9 9 0 , 1 9 9 2;B r o w n e t a l . , 1 9 9 3 ) o r o f t u m o r c e l l sw i t B r o w ne ta l . ,1 9 9 0 ;A z z a m a n d T h o m p s o n ,1 9 9 2 ;E m o n a r d1 9 9 2 .F o r l o c a l i z a t i o no f t h e s i t eo f a c t i v a t i o n ,i t w a sq u e n t l y f o u n d t h a tw h o l e - c e l ll y s a t e sa n d p l a s m am e m

o fC o n A - s t i m u l a t e df i b r o b l a s t s ,b u t n o t t h e c o n d i t i o n e dum f r o m t h e same c e l l s ,h a d t h e c a p a c i t y t o p r o c e s s p r on a s e W a r de t a l . ,1 9 9 1 a .T h i s s u g g e s t e dt h a ta c o m p ot h e c e l lm e m b r a n e w a s i n v o l v e di n t h e e n d o g e n o u sa c t io f p r o g e l a t i n a s e A . T h i s c o m p o n e n tw a s l a t e ri d e n tM T 1 M M P S a t oe t a l . ,1 9 9 4 ,a n d a n a dd i t i o na l f i v eM T h a v eb e e n c l o n e d Ta k i n o e t a l . ,1 9 9 5 ;W i l l a n d H i n z m a nP u e n t e c t a l . , 9 9 6 ;L l a n o e t a l . ,1 9 9 9 ;P e i ,1 9 9 9 .R e c e n ta l s o b e e n d e m o n s t r at e dt h a tt h e r e c o m b i n a n tc a t a l y t ido f M T 2 M M Pc a n i n i t i a t ea c t i v a t i o n o fp r o g e l a t i n a e t a l . ,1 9 9 7 .T h e M T M M P sp o s s e s sa h y d r o p h o b i cdoma ia n c h o r s t h ee n z y m e si n t h ec e l lm e m b r a n e C a o c t a l . ,1 9a n d W e i s s , 1 9 9 6 .O n e m o d e l f o r c e l l - s u r f a c ep o s i t i o n

p r o g e l a t i n a s e d u r i n g a c t i v a t i o ne n t a i l st h e TIMP 2 b r io f t h e C O O H - t e r m i n a ld o m a i no f p r o g e l a t i n a s e a n dP S t r o n g i n c t a l . ,1 9 9 5 )a n d e x p l a i n s t h e r e q u i r e m

t h e p r o g e l a t i n a s e C O O H - t e r m i n a ldoma in f o r m e ma c t i v a t i o n M u r p h ye t a l . ,1 9 9 2 b ;Wa r d c t a l . ,1 9 9 4 ) F i g .2o b s e r v a t i o nt h a tb o t h TIMP 2 b i n d i n g a n d g e l a t i n a s e at i o n r e q u i r e a n M T 1 M M Pw i t h a n i n t a c tp r o d o m a i n C a1 9 9 8 )s u p p o r t s t h e i n v o l v e m e n to f a s e c o n d m o l e c u l eo f P i n t h e c a t a l y t i cc l e a v a g e o f t h e g e l a t i n a s e p r o d oT h i s m o d e li s s u p p o r t e db y t h e f i n d i n g o f r e d u c e d c e l lb r a n e b i n d i n g a s w e l l a s a c t i v a t i o n o f p r o g e l a t i n a s e p r e s e n c e o fe x c e s sT I M P - 2o r i s o l a t e dg e l a t i n a s e r C d ob u t n o t T I M P - 1 W a r d c t a l . ,1 9 9 1 a ,1 9 9 4 ;O v e r a l l c t a l . ,2 0

C r i tR e v O r a l B i o lMe d2 5 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0 1


6/27

T A B L E 2

P u t a t i v e I n t e g r i nL i g a n d sa n d I n t e g r i n - m e d i a t e dR e g u l a t i o no f MMP E x p r e s s i o ni n K e r a t i n o c y t e sd u r i n gW o u n d - h e a l i n g

W o u n d N o r m a lI n t e a r i n K C a E p i t h e l i a lK C bL i c a n d

I n t e g r i nF u n c t i o ni n R e g u l a t i o no fM M P s

l a r p e n e t r a t i o no f b a s e mm e m b r a n em a t r i c e s a n de x p r e s s i o n o f g e l a t i n S e f t o re t a l . ,1 9 9 2 ,1 9 9 3 In o t y e tk n o w n w h e t h e ro cp a t i o no ft h ea v 1 3 3r e c e pa s s o c i a t e dw i t h a l t e r e dg en a s e A e x p r e s s i o n .H o w e

O c 1 [ 3 1 c C o l l I , I V, V, V I n0 L 2 1 3 1 C o l li I I II V ,V ,V I ,d e n a t u r e dC o l l I rA P 3 1 3 1 L M - 5 ,d e n a t u r e dC o l lI ? Ro 5 1 31 F N Rc 9 11 T N no L 6 p 3 4 L M - 5 nO x v / - d F N ,VN no v l 3 I e e F N ,V N ,[ A P - T G F 1 3 n0 L v p 3 5 / - V N n0 L v 1 6 f F N ,L A P - T G F I ,T N ,VN R

I n t e g r i ne x p r e s s i o ni nw o u n dk e r a t i n o c y t e s .I n t e g r i ne x p r e s s i o ni nr e s t i n gs k i na n do r a lm u c o s a le p i t h e l i u m .E x p r e s s e di nv i v o .Va r i a b l ee x p r e s s i o ni nv i v o .

E x p r e s s i o ns h o w no n l yi nv i t r o .N oe x p r e s s i o ni nv i v o .n d ,n o td e t e r m i n e d .O t h e ra b b r e v i a t i o n su s e d :C o l l t y p ec o l l a g e n ;L M ,l a m i n i n ;F N ,f i b r o n e c t i nL A P - T G F 1 3 ,l a t e n c y - a s s o c i a t e d - p e p t i d e - T G F 1 3c o m p l e x .

a d d i t i o n ,o u r i n v e s t i g a t i o n sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ep r e s e n c eo fa n a d d i t i o n a lm e c h a n i s mf o rc e l l - s u r f a c e l o c a l i z a t i o no fg e l a t i -n a s e A / p r o g e l a t i n a s eA t h a ti s m e d i a t e db y t h eCBD i n t e r a c t -i n g w i t h c e l l - s u r f a c e - b o u n dc o l l a g e n S t e f f e n s e ne t a l . ,1 9 9 8 .T h e r e l a t i v ei m p o r t a n c eo f t h eCBD a n d t h eC O O H - t e r m i n a ld o m a i nf o r p r o g e l a t i n a s eA c o m p l e xf o r m a t i o nw i t h M TM M P sa n d a c t i v a t i o nh a s b e e nd e m o n s t r a t e db y t h e u n a l t e r e da c t i v a t i o ni n g e l a t i n a s eA C BD d e l e t i o nm u t a n te n z y m e b u t n oa c t i v a t i o n a C O O H - t e r m i n a ld o m a i nd e l e t i o nm u t a n to ft h ee n z y m e M u r p h ye t a l . , 1 9 9 2 b , 1 9 9 4 ; Wa r d e t a l . , 1 9 9 4 .A l t h o u g hCBD i s n o t d i r e c t l yr e q u i r e df o rm e m b r a n e - m e d i a t -e d a c t i v a t i o n ,e x c e s s rCBD e n h a n c e dc e l l u l a r a c t i v a t i o no fg e l a t i n a s eA , p o s s i b l yb y r e l e a s i n gc e l l - s u r f a c e - b o u n dp r o g e -l a t i n a s eA f o r e n t r y i n t ot h e MT MMP med ia t ed a c t i v a t i o np a t h w a y S t e f f e n s e ne t a l . ,1 9 9 8F i g .2 .

A d d i t i o n a lm e c h a n i s m sf o r c e l l - s u r f a c el o c a l i z a t i o na n da c t i v a t i o no fM M P sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e do r p r o p o s e d .I th a sb e e nr e p o r t e dt h a tT I M P - 2a sw e l l a sa c o m p l e xo fp r o g e l a t i n a s eA / T I M P - 2c a nb i n dd i r e c t l yt oc e l ls u r f a c e sw i t h a K do f 2 . 5nMa n d3 0 , 0 0 0s i t e s / c e l l E m m e r t - B u c ke ta l . ,1 9 9 5 .T I M P - 2b i n d i n gt o c e l l sc a n f u r t h e re l i c i ts i g n a lt r a n s d u c t i o ne v e n t s ,a s i l l u s t r a t -

e d b y t h er T I M P - 2 - i n d u c e dp r o d u c t i o no fcAMP a n d c e l l - p r o l i f -e r a t i v er e s p o n s et h a tc a n b e i n h i b i t e db y a n a d e n y l a t ec y c l a s ei n h i b i t o r C o r c o r a na n dS t e t l e r - S t e v e n s o n ,1 9 9 5 .B a s e do n t h e s er e s u l t s ,i t h a s b e e np r o p o s e dt h a ta s p e c i f i cT I M P - 2r e c e p t o rc a nm e d i a t ee n z y m e - b i n d i n g E m m e r t - B u c ke t a l . ,1 9 9 5 .I n a d d i -t i o n , t h e g e l a t i n a s eA C O O H - t e r m i n a ldoma i n c a n b i n dd i r e c t l yt o t h e c e l l u l a ro x v P 3 3i n t e g r i nr e c e p t o r B r o o k se t a l . ,1 9 9 6 .T h e C O O H - t e r m i n a l d o m a i no fg e l a t i n a s eA i s h o m o l o -g o u st ov i t r o n e c t i n ,w h i c hi s a m a j o re x t r a c e l l u l a rm a t r i xl i g a n df o rt h ec x v P 3 3i n t e g r i nr e c e p t o r P y t e l ae t a l . ,1 9 8 5 ;S u z u k ie t a l . ,1 9 8 6 .I n t e r e s t i n g l y ,o c c u p a t i o ni nv i t r oo ft h i sc e l l - s u r f a c er e c e p -t o rb y b l o c k i n ga n t i b o d i e so r b y v i t r o n e c t i ne n h a n c e dt h e c e l l u -

i d g i n c u b a t i o no f c e l l sw i t h o t

i du c t i on o fM M P - 1e x p r e s s i o n i n t e g r i nl i g a n d s - s uase g u l a o o f - e f i b r o n e c t i nC S 1 a n dh e p

e g u l a t i o no fM M P - 9e x p r e s s i o nb i n d i n gp e p t i d e s - owd b l o c k i n ga n t i b o d i e st o t h ed o 3 ,o 4 A 3 l ,a n d x 5 1 3 1i n td p r o f o u n d l ya f f e c t sc e l ld e x p r e s s i o no f s e v e r a lM Md W e r be ta l 1 9 8 9 ;L a r j a v ae

1 9 9 3 a ;H u h t a l ae ta l 1 9 9T h e u n d e r s t a n

c e l l - m e m b r a n el o c a l i z aM M P si s d e v e l o p i n g ,a n d ib e c o m i n ge v i d e n tt h a ts e vd i r e c ta n d i n d i r e c tm o d ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ezyme a n d t h ec e l l - m e m bc o m p o n e n t sa r e u t i l i z e

; V N ,v i t r o n e c t i n ;T N ,t e n a s c i n - C ; e n z y m e - b i n d i n g .B i o l o gc e l l - s u r f a c e - a s s o cp ro l y t i ca c t i v i t i e sm a y e x p

t h et i g h tr e g u l a t o r ym e c h a n i s m so fMMP a c t i v i t i e sa n d a l s ov e r yl o c a l i z e dd e g r a d a t i v ep r o c e s s e s B a s b a u ma n dWe r b ,1 9

I I I I n t e g r i n s

G E N E R A LASPECTSI n t e g r i n sa r ek n o w n t o p l a y a n i m p o r t a n tr o l ei n r e g u l aw i d er a n g eo f c e l l u l a rf u n c t i o n sd u r i n gg r o w t h ,d e v e l o p md i f f e r e n t i a t i o n ,a n d t h ei m m u n e r e s p o n s e G i a n c o t t i ,1 9 9 7 ;A pe t a l . ,1 9 9 8 ;M i y a m o t oe t a l . ,1 9 9 8 ;R u o s l a h t i ,1 9 9 9 .I n a d d ii n t e g r i n ss e r v e a c r i t i c a lf u n c t i o ni n c e l la d h e s i o na n d s i g nd u r i n g w o u n d - h e a l i n g ,w h e r e t h e y a r e f u n d a m e n t a lt oe p i t h e l i a l i z a t i o na n d g r a n u l a t i o nt i s s u ef o r m a t i o n H a k k i na l . ,2 0 0 0 a .I n t e g r i n sa r ec e l l - s u r f a c et r a n s m e m b r a n eu x he r o d i m e r st h a t c o n t a i n a l a r g ee x t r a c e l l u l a rl i g a n d - bd o m a i n ,a t r a n s m e m b r a n ed o m a i n ,a n d a r e l a t i v e l ys h o r ti nc e l l u l a rc y t o p l a s m i ct a i lt h a tf u n c t i o n sa s a s i g n a l - t r a ne l e m e n t A p l i ne t a l . ,1 9 9 8 ;H o w e e t a l . ,1 9 9 8 ;G i a n c o taR u o s l a h t i ,1 9 9 9 .A t t h em o m e n t ,2 4 c x 4h e t e r o d i m e r sc o m po f1 8 d i f f e r e n to a -a n d 8 d i f f e r e n t1 - s u b u n i t sa r ek n o w n .B o t h x -a n d 1 - s u b u n i t sa r et r a n s m e m b r a n eg l y c o p r o t e i n st h a tc oe r a t ei ni n t e g r i nb i n d i n gt ol i g a n d s .F u n c t i o n a l l y ,m a n y i n t eh a v e o v e r l a p p i n gl i g a n d - b i n d i n gf u n c t i o n s .F o r e x a m pl e ,c U1 3 1a n d X 2 1 3 1ca n b i n dc o l l a g e n ,a l t h o u g ht h e i rs i g n a l i nf ut i o n sa p p e a rt o b e d i f f e r e n t I v a s k ae t a l . ,1 9 9 9 .I n d e e d ,c e rc e l lt y p e s c a n e x p r e s sm o r et h a n o n e o f t h ei n t e g r i n sw i t hb ii n g s p e c i f i c i t yf o rt h es a m el i g a n d .T h i s i s e x e m p l i f i e di n kt i n o c y t e s ,w h i c hc a n e x p r e s s a t l e a s tt h r e ef i b r o n e c t i nt o r s - n a m e l y ,o t v 1 l ,o x v P 6 ,a n d u 5 1 3 1 - t h a tm a y c o l l a b oc e l la d h e s i o na n dm i g r a t i o n K o i v i s t oe ta l . ,1 9 9 9T a b l e2 ) .Soo f t h ei n t e g r i n s ,s u c h a s o x l l a n d i x 2 1 3 1 ,c o n t a i na 2 0 0 - a ma c i dI - d o m a i nt h a tf u n c t i o n si n l i g a n dr e c o g n i t i o n .An a d d i t

3 7 8 C r i tR e vO r a l 3 i n lM e d12 . :373-3Q8 2001

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3 7 8 C r i tR e vO r a l B i o lM e d 1 2 5 : 3 7 3 - 3 2


7/27

a l l e v e lo fc o m p l e x i t yi n h e r e n ti n t h ei n t e g r i nr e c e p t o r si sc a u s e db yt h ef a c tt h a ts e v e r a li n t e g r i n sh a v es p l i c ev a r i a n t sw i t h s p e c i f -i cf u n c t i o n s d eM e l k e ra n d S o n n e n b e r g ,1 9 9 9 ) .Amongt h e s ea r em u l t i p l ev a r i a n t so fa t l e a s ta 3 ,c x 6 ,a n d P i n t e g r i nc y t o p l a s m i ct a i l st h a ta r e e x p r e s s e di n a t i s s u e - s p e c i f i cm a n n e r . v e r y i n t e r -e s t i n gv a r i a n to ft h ecommon 1 P - s u b u n i ti s t h e1 3 1 ct h a ta p p e a r st o p a r t i c i p a t ei nc o n t r o l l i n gt h ec e l lc y c l e F o r n a r oe t a l . ,1 9 9 8 ) .Weh a v e o b s e r v e dt h a tt h i sv a r i a n t ,w h i c hi n h i b i t sc e l lp r o l i f e r a t i o n ,i s u p - r e g u l a t e di n m i g r a t i n gk e r a t i n o c y t e sa n d f i b r o b l a s t so fw o u n d s ,t h e r e b yp r o v i d i n ga p o t e n t i a lm e c h a n i s mt o b l o c kt h ec e l l

c y c l ei n

t h e s ec e l l sw h i l e t h e ya r e m i g r a t i n gd u r i n gw o u n dr e p a i r H a k k i n e ne t a l u n p u b l i s h e do b s e r v a t i o n ) .I n a d d i t i o nt o t h ef u n c t i o n a ld i v e r s i t yt h a tm a y r e s u l tf r o m

a l t e m a t i v es p l i c i n g ,t h ef u n c t i o no fi n t e g r i n sm ay b e r e g u l a t e da tm u l t i p l eo t h e rl e v e l s A p l i ne t a l . ,1 9 9 8 ;H o w e e t a l . , 1 9 9 8 ;G i a n c o t t ia n d R u o s l a h t i ,1 9 9 9 .I n t e g r i n so n t h ec e l ls u r f a c ec a nb e i n e i t h e ra n i n a c t i v eo r an a c t i v ef o r m .T w o m a j o r c o n t r o lm e c h a n i s m sar e c e n t r a lt o r e g u l a t i n gt h es t a t eo fa c t i v i t yo fi n t e g -r i n s ,t h e o u t s i d e - i na n d i n s i d e - o u ts i g n a l i n g .I nt h eo u t s i d e - i na c t i v a t i o n ,i n t e g r i n sb e c o m ea c t i v a t e db y l i g a n d - b i n d i n g ,ap r o c e s st h a ti s d e p e n d e n to n t h ee x t r a c e l l u l a rc o n c e n t r a t i o na n db a l a n c e o f d i v a l e n tc a t i o n s ,C a l l a n d M g . F i n e - t u n i n go f t h es i g n a l i n gi s a l s oa s t e p w i s ep r o c e s s ,w h i c hi s d e m o n s t r a t e d yt h ef a c tt h a t

i n t e g r i na f f i n i t y

t h eb i n d i n go fi n t e g r i n st o l i g a n d s )

a n d a v i d i t y i n t e g r i n c l u s t e r i n gb yt h el i g a n d s )c an i n d u c e d i f -f e r e n ts i g n a l i n ge v e n t s M i y a m o t oe t a l . ,1 9 9 8 .I n w o u n d - h e a l -i n g ,i n t e g r i n sar e e x p r e s s e dn o t o n l yo n b a s a lc e l l s ,b u t a l s oo ns u p r a b a s a lc e l ll a y e r so ft h ee p i t h e l i u m .U s i n ga n a n t i b o d ys p e -c i f i ct o t h ea c t i v e1 3 i n t e g r i n ,we h a v e d e m o n s t r a t e dt h a t1 3i n t e g r i n si n t h eu p p e r m o s tk e r a t i n o c y t el a y e r sa r e n o t a c t i v ei nl i g a n d - b i n d i n g H a k k i n e ne t a l . ,m a n u s c r i p ti n p r e p a r a t i o n ) .T h ep o t e n t i a lf o rt h ep r e s e n c eo f i n t e g r i n sa t d i f f e r e n ts t a g e so f a c t i -v a t i o n m a k e st h ei n t e r p r e t a t i o no f i m m u n o l o c a l i z a t i o nr e s u l t sc o m p l e x ,s i n c em o s t o f t h ea v a i l a b l ea n t i b o d i e sd o n o t d i s t i n -g u i s hb e t w e e n l i g a n d - b i n d i n ga n d i n a c t i v ei n t e g r i n s .I n t e r a c t i o n so f i n t e g r i n sw i t h t h e i rl i g a n d sl e a dt o c l u s t e r i n g h i g hc o n c e n t r a t i o n o f i n t e g r i n si n o n e a r e a ,w h i c h ,i n t u r n ,c a u s e s m u l t i p l ei n t r a c e l l u l a rp r o t e i n st o a c c u m u l a t ei n t h ea r e a M i y a m o t oe t a l . ,1 9 9 8 .I n t e g r i nc l u s t e r i n gr e s u l t si n t y r o s i n ep h o s p h o r y l a t i o no f f o c a la d h e s i o nk i n a s e F A K )a n d f o r m a t i o no f i n t r a c e l l u l a rc o m p l e x e sc o n t a i n i n gp l 3 O C a s ,p a x i l l i n ,a n d S r c ,a n d s e v e r a lc y t o s k e l e t a lp r o t e i n s ,i n c l u d i n gt a l i n , x - a c t i n i n ,a n dv i n c u l i n A p l i ne t a l . ,1 9 9 9 .T h e s ei n t r a c e l l u l a rc o m p l e x e sa r e i nd i r e c tc o n t r a c t w i t h e x t r a c e l l u l a rm o l e c u l e sv i at h ei n t e g r i n s .V i at h i so r g a n i z a t i o no ft h ec y t o s k e l e t a le l e m e n t s ,i n t e g r i nb i n d i n gt ot h el i g a n da p p e a r st o a c t i v a t es m l lG T P a s e s ,R h o A ,C d c 4 2 ,a n dR a c ,t h a tr e g u l a t et h ef o r m a t i o no f l a m e l l i p o d i aa n d f i l o p o d i a ,d i r e c t l y D e f i l i p p ie t a l . ,1 9 9 9 .T h e r e f o r e ,t h e s ep r o c e s s e sm ayh a v e d i r e c ti m p a c ton w o u n d - h e a l i n g ,s i n c em i g r a t i n gk e r -a t i n o c y t e se x t e n d l o n gf i l o p o d i a / l a m e l l i p o d i a - l i k ec y t o p l a s m i cp r o j e c t i o n si n t ot h ew o u n d L a r j a v ae t a l 1 9 9 6 .E m b r y o n i ce p i -d e r m a l c e l l sd o n o t move b ye x t e n d i n g l a m e l l o p o d i ai n t ot h ew o u n d .R a t h e r ,t h e yu s e a c t i nf i l a m e n tc a b l e st o p u l lw o u n de d g e st o g e t h e r M a r t i na n d L e w i s ,1 9 9 2 .

A s a r e s u l to f i n s i d e - o u ts i g n a l i n g ,w h i c hi s d i s t i n c tf r o mt h e o u t s i d e - i ns i g n a l i n gd e s c r i b e da b o v e ,t h ei n t e g r i nl i g a n d -b i n d i n gs i t e can b e a l t e r e db yc h a n g e si n t h ec y t o p l a s m i ct a i l L e i s n e re t a l . ,1 9 9 9 .T h e s es i g n a l i n gp a t h w a y sa r e b e s tk n o w nw i t h l e u k o c y t ei n t e g r i n sb u t a r e now a l s ob e i n gc h a r a c t e r i z e di no t h e r c e l lt y p e s .S p e c i f i c a l l y ,b l o c k i n go r a c t i v a t i n gv a r i o u s i n t r a -c e l l u l a rk i n a s e s i s o n e w ay t o a l t e rt h ec y t o p l a s m i ci n t e r a c t i o n so f i n t e g r i nt a i l s ,r e s u l t i n gi n a l t e r e dl i g a n d - b i n d i n g .C e r t a i n

g r o w t hf a c t o r sc a n a l s op a r t i c i p a t ei n t h i sp r o c e s s .K e r a t ig r o w t hf a c t o r ,w h i c hi s i n d u c e di n w o u n d - h e a l i n g a n ds t i ml a t e sk e r a t i n o c y t eg r o w t h , e n h a n c e sk e r a t i n o c y t ea d h e s i o nam i g r a t i o nb y a p r o c e s s i n v o l v i n g a l t e r a t i o n si n i n t e g r i na v i P u t n i n se ta l . ,1 9 9 9 ) .I t i sl i k e l yt h a tb o t h s i g n a l i n gp a t h w a yi n v o l v e d d u r i n g w o u n d - h e a l i n gf o rt w o r e a s o n s .F i r s t ,w o uf l u i d sc o n t a i ns e v e r a lk n o w n a n d u n k n o w n b i o m o l e c u l e sp o tt i a l l yc a p a b l e o f i n s i d e - o u ts i g n a l i n g .S e c o n d , t h ew o u n d be x t r a c e l l u l a rm a t r i x d i f f e r sf r o m t h eb a s e m e n tm e m b r a n ea na l s ob e i n g c o n s t a n t l yr e m o d e l e db y t h e MMPs a n d o t

e n z y m e s .I na d d i t i o n ,t h e r ei s a d e p o s i t i o no fd en o v om a t r i xm i g r a t i n g c e l l sb y w h i c h i n f o r m a t i o ni s c o n v e y e di n t ot h et h r o u g ht h ei n t e g r i no u t s i d e - i ns i g n a l i n gm e c h a n i s m .

I n t e g r i n sa s s o c i a t ew i t h s e v e r a lt r a n s m e m b r a n ep r o tt h a tm a y c r i t i c a l l yr e g u l a t ei n t e g r i nf u n c t i o n H e m l e r , 1 9A m o n g t h e s e ,t h ei n t e g r i n - a s s o c i a t e dp r o t e i n I A P ) ,m e m bo f t h et r a n s m e m b r a n e - 4s u p e r f a m i l y T M 4 S F ) ,g r o w t hf ar e c e p t o r s ,a n d u r o k i n a s e - t y p ep l a s m i n o g e na c t i v a t o rr e c e u P A R )a r et h u s f a r t h eb e s t - k n o w no f s u c h p r o t e i n s .TM4p r o t e i n s ,s u c h a sC D 1 5 1a n d i n t e g r i na 3 1 3 1 ,a r ec a p a b l eo ff oi n ga s t a b l ec o m p l e xt h a tm a y b e r e q u i r e d f o rO P 3 1i n t ef u n c t i o n a n d c e l l m i g r a t i o n .A n o t h e r TM4SF p r o t e i n ,Ca s s o c i a t e sw i t h t h ec 3 I 1 i n t e g r i ni n k e r a t i n o c y t e st o f o r mc o m p l e xi n v o l v e di n r e g u l a t i n gc e l lm o t i l i t y

J o n e se t a l . ,

1 9I t i sn o t k n o w n w h e t h e rO P 3 1 3 1i n t e g r i nf u n c t i o n i s r e g ut h r o u g ht h i sm e c h a n i s md u r i n g w o u n d r e p a i r .G r o w t hf ar e c e p t o r sa l s oa c c u m u l a t ei n t h es a m e c o m p l e x e so n c e l lsf a c e sa s i n t e g r i n sa n d r e g u l a t ei n t e g r i nf u n c t i o n s M i y a m oa l . ,1 9 9 8 ;A p l i ne ta l . ,1 9 9 9 ) .

F o r r e g u l a t i o no f i t sg r o w t h ,a c e l li n t e g r a t e si n f o r m a tf r o mt h ei n t e g r i n - m e d i a t e dc e l la d h e s i o n ,s i g n a l sc o n v e y eg r o w t h f a c t o rr e c e p t o r s ,s i g n a l sf r o m i n t e g r i nc o - r e cs u c h a s s y n d e c a n s ,a n d s i g n a l sf r o m c e l l - c e l la d h e s i o n mc u l e s A p l i n e t a l . ,1 9 9 9 ) .I n t h ec o n t e x t o fw o u n d h e a l i ns y n e r g yb e t w e e ni n t e g r i na n d g r o w t hf a c t o rr e c e p t o r s i sp ra b l ya k e y p r o c e s s i n t h e r e g u l a t i o no f c e l l p r o l i f e rI n t e g r i n sc a n a l s ob i n d g r o w t hf a c t o r sd i r e c t l y .R e c e n t l yva n d o v 1 6 i n t e g r i n sw e r e s h o w nt o i n t e r a c tw i t h t r a n s f o r mg r o w t hf a c t o r1 3 1t h r o u g h i t s l a t e n c y - a s s o c i a t e dp e p t i d e tc o n t a i n s a n a r g i n i n e - a s p a r t a t e - g l y c i n e R G D ) p e p ts e q u e n c e M u n g e re t a l . ,1 9 9 8 ,1 9 9 9 ) .I t w a s d e m o n s t r a t e dft h e rt h a tt h i sb i n d i n ga l s oa c t i v a t e sT G F - 1 3 . T h er e s u l t i nf oa c t i v a t i o no f T G F - 1 3 1m a y p l a y a n i m p o r t a n tr o l ei n t h ef od e p o s i t i o no f c o n n e c t i v e t i s s u ea n d e x p r e s s i o n o f MMw h i c ha r e b o t h c r i t i c a lf o rw o u n d r e p a i r .

I V )R e - e p i t h e l i a l i z a t i o ni n W o u n d - h e a l i n 1 )I N T R O D U C T I O N

A n e s s e n t i a lf e a t u r eo fw o u n d - h e a l i n gi s c o n t r o l l e dp r o t e o

d e g r a d a t i o na n d r e m o d e l i n go f t h e e x t r a c e l l u l a rm a t r i x r e l a t e dr e v i e w s ,s e e K a h a r i a n d S a a r i a l h o - K e r e ,1 9 9 7 ;S h a1 9 9 8 ;M u r p h ya n d G a v r i l o v i c ,1 9 9 9 ;S t r e u l i ,1 9 9 9 ) .A g r o wb o d y o f l i t e r a t u r eh a s e n h a n c e do u r u n d e r s t a n d i n go fi m p o r t a n tr o l eo fMMPs a n d t h e i r i n h i b i t o r si n w o u n d - h e a lT h e e m e r g i n gp i c t u r ee n t a i l sb o t h s p a t i a la n d s e q u e n t i ad i fe n c e s i n t h et i m i n ga n d l e v e lo f e x p r e s s i o no f t h eMMPs aTIMPs d u r i n gn o r m a lw o u n d - h e a l i n g .I na d d i t i o n , r e g u P e x p r e s s i o na n d a c t i v a t i o nh a s r e c e n t l yb e e nc l o s e l yl i n kt o c e l l - a d h e s i o ne v e n t s t h a ta r e c o n t r o l l e db y i n t e g r i n s Ta n d 3 ,F i g s .3 a n d 4 .

T o r e - e s t a b l i s ht i s s u ei n t e g r i t ya f t e ri n j u r y ,r e - e p i t h e

1 2 5 ) : 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0 1 ) rit Rev ral iol e 7

32 5 ) : 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0 1 ) C r i tR e v O r a l B i o lMe d


8/27

T A B L E3

P u t a t i v e I n t e g r i nL i g a n d sa n d I n t e g r i n - m e d i a t e dR e g io f P E x p r e s s i o ni n F i b r o b l a s t s d u r i n g Wo u n d h e a

I n t e g r i n F B L a L i g a n d s I n t e g r i n - m e d i a l

o l 1 3 + b C o i lI ,I I ,I V C ,V c ,V l c ,L M1 c U p - r e g u l a t i o n i nt h r e e - d i m e n s i

a 2 1 3 1 + C o l lI I l 1 CI I I c lI V ,c , V I ,V I I , U p r e g u l a t i o nc

d e n a t u r e dC o l lI c ,L M - i C e x p r e s s i o ni n t A P 1 + F N , d e n a t u r e dC o l ll cc x 4 P1 + d F N C S - 1 S u p p r e s s i o no f

b yF Nf r a g m e ro t 5 p 3 1 + F N I n d u c t i o no fM

F N f r a g m e n t o t v + F N , V N ,F B ,F b g n d ea v 1 3 l + d F N , L A P - T G F 1 n da c v P 3 + d F N , V N ,F B ,F b g ,T N n dP v 1 3 5 + d VN n d

u l a t i o ni l i n g

t e dR e g u l a t i o no fMM PE x p r e s s i o r

o fMMP 13 e x p r e s s i o ni o n a lc o l l a g e nm a t r i x ;M M P - 2 ,- 7 ,-

f M M P - 1a n d M M P - 1 3

* h r e e - d i m e n s i o n a lc o l l a g e nm a t r i xF M M P - 1a n dM M P - 3e x p r e s s i o nn t C S -1 M P - 1a n d M M P - 3e x p r e s s i o nb y1 2 0 k D a

a F B L ,i n t e g r i ne x p r e s s i o ni n f i b r o b l a s t sd u r i n gw o u n dr e p a i r .b E x p r e s s e di n v i v o .c S h o w ni n c e l l so t h e rt h a nc o n n e c t i v et i s s u ef i b r o b l a s t s .d E x p r e s s i o ns h o w ni n v i t r oo n l y .e n d ,n o t d e t e r m i n e d . U p - r e g u l a t e di nd e r m i so fc o l- i n t e g r i nk n o c k - o u tm i c e .

O t h e ra b b r e v i a t i o n su s e d :C o l l1 t y p ec o l l a g e n ;L M ,l a m i n i n ;F N ,f i b r o n e c t i n ;V N ,v i t r o n e c t i n ;F B ,f i b r i n ;F b g ,f i b -r i n o g e n ;T N ,t e n a s c i n - C ;a n dL A P - T G F 1 ,l a t e n c y - a s s o c i a t e d - p e p t i d e - T G F 1 3c o m p l e x .

t i o nm u s t o c c u r a s r a p i d l ya s p o s s i b l e .K e r a t i n o c y t e sd i s s o l v e d e c r e a s et o w a r dn o d e t e c t a b l et h e i rh e m i d e s m o s o m a lc o m p l e x e s ,r e l e a s i n gt h e m f r o mt h e i r e p i t h e l i a l i z a t i o n . v e r y s i m i l a ic o n t a c t w i t hb a s e m e n tm e m b r a n ea n d a l l o w i n gq u i c km i g r a t i o no c c u r r e di na n i nv i t r oe x p e r i m eacross t h ew o u n d d e f e c t .T h e r ei sc l e a re v i d e n c et h a tm o d u l a t i o n were c r e a t e di no r g a n - c u l t u r e do f t h ew o u n d m a t r i xb ys e v e r a lMMPs i s r e q u i r e df o rm i g r a t i o ni nm i g r a t i n gk e r a t i n o c y t e so ft ho fk e r a t i n o c y t e s ,a n d t h a tt h i sp r o c e s s i s r e g u l a t e db yi n t e g r i n - 6 h r sa f t e rw o u n d i n go c c u r r e d ,t y p ec e l l - s u r f a c er e c e p t o r s .K e r a t i n o c y t e si n w o u n d sm i g r a t e a n d g r a d u a l l yd e c r e a s e du n t i le i t h e ron o r t h r o u g ht h ep r o v i s i o n a lw o u n d m a t r i x ,w h i c hi s r i c h w a s c o m p l e t e l yc o v e r e d b yi n f i b r o n e c t i na n d f i b r i n ,o r t h e ye n c o u n t e ra c o n n e c t i v et i s s u e E x p r e s s i o no fMMP i sa l s os em a t r i xc o n s i s t i n go fv a r i o u sc o l l a g e nt y p e s ,e s p e c i a l l yt y p eI c o l - b a s e m e n tm e m b r a n ed u r i n gr El a g e n Wo o d l e y ,1 9 9 6 .I n s m a l l g i n g i v a lw o u n d s ,k e r a t i n o c y t e st e rw o u n d sa s w e l l a s i nb u l l a em i g r a t et h r o u g ht h ef i b r i n - f i b r o n e c t i nm a t r i xa n d m a y n o t c o m e S a a r i a l h o - K e r ee t a l . ,1 9 9 5 .T hi n t oc o n t a c t w i t h a t y p eI c o l l a g e n - c o n t a i n i n gm a t r i x L a r j a v ae t c l o s et o t h ec o n n e c t i v et i s s u ea l . ,1 9 9 3 b ;H a k k i n e ne t a l . ,2 0 0 0 a .I n d e r m a lw o u n d s ,h o w e v e r ,b a s e m e n tm e m b r a n e .k e r a t i n o c y t e sa re b e l i e v e dt o m i g r a t eu n d e r t h ec l o ti n c o n t a c t I n k e r a t i n o c y t ec u l t u r e s ,w i t h t h e d e r m a l m a t r i x Wo o d l e y ,1 9 9 6 .T h e i n t e r a c t i o n so f c e l l sa r e i n c o n t a c t w i t h n a t ik e r a t i n o c y t e sw i t h t h e m a t r i x i n t h e s et w o s c e n a r i o s r e q u i r e i n t e r a c t i o nw i t h o t h e rm a t r i :e x p r e s s i o no fd i f f e r e n ti n t e g r i n s ,a n d t h ee n z y m a t i cm o d i f i c a t i o nl a m i n i n - 1 ,l a m i n i n - 5 ,b a s e m e no f t h em a t r i x i s a l s od i f f e r e n t .M i g r a t i n gk e r a t i n o c y t e se x p r e s s c o l l a g e n - d o e sn o t i n d u c e t h eo L 5 1 3 1m a j o rf i b r o n e c t i n - b i n d i n gi n t e g r i n ,t h eo 3 1 3 1a n d t h e 1 9 9 7 b .T h e r e f o r e , c o n t a c tb e t v

c 6 P 4i n t e g r i n s ,b o t h o fw h i c hb i n d t o l a m i n i n - 5 ,t h eu 2 1 l c o l l a - l a g e n i s a p p a r e n t l yc r u c i a lf o rg e n r e c e p t o r ,t h e x v f lf i b r o n e c t i nr e c e p t o r ,a n d t h e o 9 1 3 1 k e r a t i n o c y t e sw i t h t y p e I c o lt e n a s c i n r e c e p t o r L a r j a v ae t a l . ,1 9 9 6 ;H a k k i n e ne t a l . ,2 0 0 0 a . i n t e g r i nt h a ta l s os e e m st o b e iI n t e r e s t i n g l y ,a m o n g t h e s er e c e p t o r s ,t h ec a v 1 3 5v i t r o n e c t i n - b i n d -o fMMP e x p r e s s i o n ,s i n c ea 2i n gi n t e g r i ni se x p r e s s e di n d e r m a lw o u n d sb u t i sa b s e n tf r o mo r a l v e n t MMP i n d u c t i o n .M i g r a twounds J u h a s ze t a l . ,1 9 9 3 ;C l a r k e t a l . ,1 9 9 6 ;H a a p a s a l m ie t a l . , l a g e nr e q u i r e sb o t h a 2 1 3 1i n t e g1 9 9 6s e ea l s oT a b l e2 . a l . ,1 9 9 8 .K e r a t i n o c y t e sd o n o t

r e n d e r e dr e s i s t a n tt o c l e a v a g e 2 C E L LA D H E S I O NV I AI N T E G R I N SR E G U L A T E S o fs p e c i f i cm u t a t i o n si nt h ec oM V P - 1E X P R E S S I O NI N M I G R AT I N GK E R A T I N O C Y T E Sm i g r a t i o na l s oc a nb eb l o c k e d

I n n o r m a l l yh e a l i n gu l c e r sa n d a c u t e b u r nw o u n d s ,i n t e r s t i t i a l a n t i b o d i e st o o x 2 p 1i n t e g r i n P ic o l l a g e n a s e M M P - 1i s c o n s is t en t l y e x p r e s s e db y m i g r a t i n gk e r - t o b e a s s o c i a t e dd i r e c t l yw i t h t

a t i n o c y t e sb o r d e r i n gw o u n d s , b u t i t i s ne x p r e s s e d b y p r o l i f ek e r a t i n o c y t e s S t r i c k l ie t1 9 9 3 ;S a a r i a l h o - K e1 9

n F i g .3 . I n b o t h a c u t eac h r o n i c u l c e r s ,t h e ka t i n o c y t e st h a t e x p r

9 f MMP h a v e b e e nd e t ei n t h e m i g r a t i n g e p i t h

f r o n t ,w h e r et h e r ei sn o b am e n tm e m b r a n e S a a rK e r e ,1 9 9 8 .T h e s e o b s e rt i o n sf r o m d e r m a lw o u na r es u p p o r t e da n d e x t e nb y t h ef i n d i n gt h a tt h e rc h a r a c t e r i s t i ct i m i n g o f cl ag e n a s e e x p r e s s i o ne x p e r i m e n t a lh u m a n dm a l w o u n d s I n o u ee t1 9 9 5 .T h u s , a n a l ys eb i o p s i e sf r o mi nv i v o - hw o u n d s b y i n s i t u hb r i d i z a t i o na n d i m m u nh i s t o c h e m i s t r ya t v a r it i m e p o i n t sb e t w e e nd a ya n d 1 4 a f t e r w o u n do c c u r r e ds h o w e dp e a kc og e n a s ee x p r e s s i o no n d af o l l o w e d b y a g r a d

e n z y m ea t t h et i m e o fc o m p l e tr p a t t e r no fc o l l a g e n a s ee x p r ee n t a lm o d e l ,w h e r ep u n c hw o us k i ne x p l a n t s .I n d e e d ,c o l l a ga e s eu l c e r sw a sa l r e a d yd e t e cd e m o n s t r a t e d p e a ka t 1 2 - 2ht h et i m e p o i n tw h e n t h ew o ue p i t h e l i u m I n o u ee t a l . , 1 9

e n i nk e r a t i n o c y t e so n p a r t l yi ne p a i ro fe x p e r i m e n t a ls u c t i obp r o d u c e db y s e v e r a ls k i nd i s eI u s ,M M P - 1 - e x p r e s s i n gc e l l sl om a t r i x a n d l a c kc o n t a c tw i t h

MMP i s e x p r e s s e do n l y i fi v e t y p e I c o l l a g e n .K e r a t i n ox p r o t e i n s - s u c h a s f i b r o n- t m e m b r a n em a t r i x ,a n d t y p e[ M P - 1e x p r e s s i o n S u d b e c ke tv e e nk e r a t i n o c y t e sa n d t y p e I c

MMP e x p r e s s i o n .I n t e r a c tI l a g e ni s m e d i a t e db y t h ec ai n v o l v e dd i r e c t l yi n t h ei n d u c t i n t e g r i n - b l o c k i n ga n t i b o d ipt i o no fk e r a t i n o c y t e so n t y p e I c, r i na n d MMP a c t i v i t y P i l cm i g r a t eo n c o l l a g e nt h a th a s bb y MMP t h r o u g hi n t r o d ul l a g e n a s ec l e a v a g es i t e ,a n d t hb y T I M P - 1 ,MMP a n t i s e r u mi l c h e re t a l . ,1 9 9 7 .MMP a p p et h ea 2 1 3 1i n t e g r i no n k e r t i n

3 8 0 C r i t R e v O r a lB i o l e

12 5 :373-398 2001

3 8 0 C r i tR e vO r a l B i o lMe d 1 2 5 : 3 7 3 - 3 2


9/27

.C MMP -9 CD

M t AT M P - 3 MMP 9 CT

>i ^ M M \ P - 1 M M P - I O X MMP \MM1 ~ / M M p - 3T I M P - 1 \MMP 2. MMP T I M P - 3 M M p - 8 T I M P - 3MMP 2 C ~ M M P - 9M M P - 1 , 3 * TI MP 2 1 X M M P - l

u epra

g u r e3 . C e l l u l a re x p r e s s i o no f m a t r i x - d e g r a d i n gp r o t e a s e sd u r i n gm u c o s a la n d d e r m a lw o u n d - h e a l i n g .T h eh i s t o l o g i c a lc h a r a ch e a l i n gi n h u m a nm u c o s a lw o u n d sa f t e r3 d a y s P a n e lA a n d 7 d a y s P a n e lB .O n d a y 3 , e p i t h e l i a la n d c o n n e c t i v et i s s u ec ei g r a t i n gi n t ot h ew o u n ds p a c e P a n e lA ,w h e r e a s ,o nd a y 7 P a n e lB t h er e - e p i t h e l i a l i z a t i o na n d g r a n u l a t i o nt i s s u ef o r m a t i o g .T h ec o r r e s p o n d i n gp a n e l sC a n d D s u m m a r i z es c h e m a t i c a l l yt h ec e l l u l a re x p r e s s i o no f m a t r i x - d e g r a d i n gp r o t e a s e sa t t h es to u n d - h e a l i n gp r e s e n t e di n p a n e l sA a n d B r e s p e c t i v e l y .P l e a s es e et e x to fr e v i e wf o rd e t a i l sa n d a p p r o p r i a t ec i t a t i o n s . P a n e l sA ae a r l yw o u n d s ,e p i t h e l i a lc e l l sm i g r a t ei n t oa n d t h r o u g ht h ef i b r i nc l o tt o c o v e rt h ew o u n ds p a c e .D u r i n gt h i sp r o c e s s ,k e r a t i nem i g r a t o r yf r o n te x p r e s sM M P - 1 ,- 9 a n d - 1 0 ,u P A ,a n d T I M P 1 ,w h e r e a sn o n - m i g r a t o r yk e r a t i n o c y t e sl o c a t e da t t h ew o u n dmp r e s sM M P - 3a n d - 9 a sw e l la sT I M P - 1a n d T I M P - 3 .T h eMMPs e x p r e s s e db yk e r a t i n o c y t e sa t t h em i g r a t o r ye p i t h e l i a lf r o n tl i k e

g e n e r a t ea p a t hf o rc e l lm i g r a t i o nt h r o u g ht h ep r o v i s i o n a lw o u n dm a t r i x .I nc o m p a r i s o n ,t h eM M P sg e n e r a t e db yt h ec e l l sa t t h ewd g em a yb e d e t a c h i n gc e l l sf r o mt h eb a s e m e n tm e m b r a n e ,p e r m i t t i n gs u b s e q u e n tm o t i l i t yt o o c c u r .D u r i n gt h ee a r l yp h a s e so fwp a i r ,c o n n e c t i v et i s s u ef i b r o b l a s t sf r o mt h ew o u n dm a r g i ns t a r tp r o l i f e r a t i n ga n d m i g r a t i n gt o w a r dt h ep r o v i s i o n a lw o u n dm a t r im ep o i n tt h ef i b r o b l a s t se x p r e s sM M P -1 - 2 - 1 3 ,a n d s e p r a s et h a tm a ys e r v et od e t a c ht h ec e l l sf r o mt h em a t r i xt o p r o m o t ec e l lmo ni n t ot h ew o u n dp r o v i s i o n a lm a t r i xa n d t o m o d u l a t et h e s t ru c t u rea n d o r g a n i z a t i o no f t h en e we x t r a c e l l u l a rm a t r i x . P a n e l sB af t e rr e - e p i t h e l i a l i z a t i o n c o m p l e t e ,t h ek e r a t i n o c y t e sc e a s et o m i g r a t ea n d s t a r tt o s t r a t i f ya n d d i f f e r e n t i a t e .A l t h o u g ht h eb a s awr a t i n o c y t e sc o n t i n u et o p r o d u c eM M P - 9 ,t h ee x p r e s s i o no fM M P - 1 ,M M P - 1 0 ,T I M P - 1 ,a n d T I M P - 3 d o w n - r e g u l a t e di n t h ee p i

tt h i st i m ep o i n t ,s t r o m a lc e l l si n c l u d i n gf i b r o b l a s t s ,e n d o t h e l i a lc e l l sm a c r o p h a g e s ,a n d i n f l a m m a t o r yc e l l sh a v e m i g r a t e di n t ot hs i o n a lw o u n dm a t r i xt of o r mg r a n u l a t i o nt i s s u e .A sw a so b s e r v e df o rf i b r o b l a s t sa t t h ew o u n dm a r g i nd u r i n ge a r l yw o u n dr e p aa s t si n t h eg r a n u l a t i o nt i s s u ee x p r e s sM M P - 1 ,- 2 - 1 3 ,a n d s e p r a s e .F u r t h e r m o r e ,g r a n u l a t i o nt i s s u ec e l l ss t a r tt o e x p r e s sM M P -- 1 1 , - 1 2 ,a n d - 1 4 ,u P A ,T I M P - 1 ,a n d T I M P - 3 .A tt h i st i m ep o i n t ,T I M P - 2 ,p r e s u m a b l yp r o d u c e db yt h ew o u n dk e r a t i n o c y t el ot h eg r a n u l a t i o nt i s s u ei m m e d i a t e l yb e n e a t ht h ew o u n de p i t h e l i u m .M M P - 8i n t h eg r a n u l a t i o nt i s s u e m o s tl i k e l yp r o d u c e de x c

yn e u t r o p h i l sd u r i n gt h ei n i t i a li n f l a m m a t o r yp h a s eo fw o u n d - h e a l i n g ,a n d M M P - 12 i n t h ed e e p e s tp a r t so f t h er e g e n e r a t i nc o ns s u e p r o b a b l yp r i m a r i l ya p r o d u c to f m a c r o p h a g e sl o c a t e di n t h i sa r e a .M M P - 1 d e t e c t e ds p e c i f i c a l l ya l o n gt h ep e r i p ha n u l a t i o nt i s s u ew h e r en e wc o l l a g e ni s a c c u m u l a t i n g .T h es p a t i a la n d t e m p o r a lc o - l o c a l i z a t i o no fM M P - 1 4 M T 1 - M M Pa n d M Meg r a n u l a t i o nt i s s u ef i b r o b l a s t sp r e s u m a b l yr e l a t e st o t h er o l eo fM M P - 1 4i n t h ea c t i v a t i o no fM M P - 2 .I t i s n o tk n o w nh o wM M P

1 - 1 2 ,a n d - 1 4 a r ee x p r e s s e di no r a lm u c o s a lw o u n d s .T h ea b u n d a n te x p r e s s i o no fp r o t e o l y t i ce n z y m e sm o s tl i k e l y r e q u i r efs s f u lr e m o d e l i n go fn e w l yd e p o s i t e di m m a t u r eg r a n u l a t i o nt i s s u em a t r i xb u ta l s os e r v e st om o d u l a t ec e l l - m a t r i xi n t e r a c t i o n st h a tr eec e l l u l a rf u n c t i o n sc r i t i c a lt o w o u n dr e p a i ra s d i s c u s s e di nd e t a i li n t h et e x to f t h er e v i e w .F u r t h e r m o r e ,t h e s e p r o t e a s e sm a yrt r a c e l l u l a rm a t r i x - a s s o c i a t e dg r o w t hf a c t o r sb o u n dt o e x t r a c e l l u l a rm a t r i xm o l e c u l e sa n d p a r t i c i p a t ei n t h e i ra c t i v a t i o n .A b b r

s e da r e :E e p i t h e l i u m ;C T ,c o n n e c t i v et i s s u e ;F C ,f i b r i nc l o t ;a n d G T ,g r a n u l a t i o nt i s s u e .* M M P - 9o r M M P - 13 a r ee x p r e s s e db yhu c o s a lb u tn o tb yh u m a nd e r m a lk e r a t i n o c y t e so r f i b r o b l a s t s ,r e s p e c t i v e l y .F o r a d d i t i o n a ld e t a i l sa n d r e f e r e n c e s ,s e et h et e x t .

5 : 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0 1 C r i t Re v Ora l B i o l Med2 5 : 3 7 3 - 3 9 8 2 0 0 1 C r i tR e v O r a l B i o l lM e d 1


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p r o t e i n s | f o c a la d h e s i o n [ o c a la d h e s i o n f o c a la d h e s i o nf o c a la d h f e s i o nf o c a l a d h e s i o n MEMB proroteins s o e i n s p r o t e i n s

A C T I N A C T I A C T I N

C x 3 P I xpa 6 p 1 a c 3 1a v , 3 a 2 , 3 ?c x v P 5 a v p 5 ?

g u r e4 . P o t e n t i a lm e c h a n i s m so ff o c a l i z e dp r o t e o l y s i si n v o l v i n gc e l lm e m b r a n e - e x t r a c e l l u l a rm a t r i xi n t e r a c t i o n s .F r o mc u r r e n tk n o w

t e r a c t i o n sa m o n gi n t e g r i n s ,M M P s ,a n d e x t r a c e l l u l a rm a t r i x m o l e c u l e s ,t h i sF i g .p r e s e n t sp o t e n t i a lm e c h a n i s m si n v o l v e di n t h ec o n t re m b r a n e - a s s o c i a t e dp r o t e o l y t i ce v e n t s .S e et e x tf o rf u r t h e rd e t a i l sa n d c i t a t i o n s . A U r o k i n a s e - t y p ep l a s m i na c t iv a to r u PA ,c o m p lc e l l u l a rr e c e p t o r u PA R ,c o - l o c a l i z e sw i t hi n t e g r i n sa t t h ef o c a la d h e s i o n sa n d m a yt h e r em o d i f yi n t e r a c t i o n so f i n t e g r i n sw i t ht h el i gen e e d e df o rc e l lm i g r a t i o nt h r o u g ht h ep r o v i s i o n a lw o u n dm a t r i x .T h eu PA / U PA Rc o m p l e xa l s op o t e n t i a l l yp a r t i c i p a t e sw i t hi n t e g rl i n gi n s i d et h ec e l l .F o re x a m p l e ,u PA / u PA Rc a na s s o c i a t ew i t ht h ec u 5 p li n t e g r i na t t h ef o c a la d h e s i o n so nf i b r o n e c t i n ,w i t ht h ec 36 3 1i n t e g r i n sa t f o c a la d h e s i o n s o nl a m i n i n ,o rw i t ht h ec x v P 3 3o rc a v P 3 5i n t e g r i n sa t f o c a la d h e s i o n so nv i t r o n e c t i n . B I n t e g r i nc a 2 1l l yb i d s t oM M P - 1 ,t h e r e b yl o c a l i z i n gt h ee n z y m et oc e l la d h e s i o ns i t e so nc o l l a g e n . C M M P - 2a n d M M P - 9b i n dt oa na s - y e t -l l - s u r Ta c em o l e c u l et ol o c a l i z ea n d s t o r et h e s eM M P sa t t hec e l lm e m b r a n e . D T h ei n t e g r i nc X v P 3 3c a nb i n dM M P - 2 ,w h i c hm a yi nt u r ndl l a g e nt h a th a sb e e ni n i t i a l l yd e n a t u r e db yM M P - 1 .T h ei n t e g r i nc a v P 3c a na l s os e r v ea s r e c e p t o rf o rt h ec r y p t i cR G Ds i t ee x p o s eina f t e rd e n a t u r a t i o n s e ea l s oE .a n d t h e r e b yl o c a l i z eM M P - 2a t t h ed e n a t u r e dc o l l a g e n . E D e n a t u r a t i o no fc o l l a g e nb yh e a te x p

y p t i cb i n d i n gs e q u e n c eR G Dt h a tc a nb er e c o g n i z e db yt h ec u v l 3 3a n d c a 3 1 1i n t e g r i n sa n d p o s s i b l ya l s ob yt h ec r 2 1 3 1a n d c a v 3 5i nH e a td e n a t u r a t i o no fc o l l a g e na l s oe x p o s e sa DGEAs i t e i nt h ec o l l a g e nm o l e c u l et h a tc a ns e r v ea s a na l t e r n a t i v eb i n d i n gs i t ef o rt ht e g r i n . G T h ei n t e g r i nc r 2 1 1a n d M T 1- M M Pc a nc o - l o c a l i z ea t f o c a la d h e s i o ns i t e sw h e r eM T 1- M M P,d i r e c t l yo r t h r o u g ha c ti v a t i om a yd e g r a d em a t r i xm o l e c u l e sa n d a l s ot r a n s f e rs i g n a l st ot h ec y t o p l a s m .

l ls u r f a c e s D u m i ne t a l . , 9 9 9 2 0 0 1 .T h i s i n t e r a c t i o np r o v i d e sm e c h a n i s mf o r b r i n g i n gt o g e t h e r t h e m a t r i x c o l l a g e n ,t h ec e p t o r c a 2 1 1i n t e g r i n ,a n d t h ee n z y m e M M P - 1 ,r e s u l t i n gi nn t r o l l e da n d f o c a l i z e d p r o t e o l y s i sa t t h e c e l la d h e s i o ns i t e st oc i l i t a t ec e l lm i g r a t i o n .R e c e n t l y ,i t w as d e m o n s t r a t e dt h a to n l ye i n i t i a li n d u c t i o n o f MMP e x p r e s s i o ni n k e r a t i n o c y t e si nn t a c tw i t h t y p e I c o l l a g e n i s m e d i a t e db y t h e c u 2 1 3 1i n t e g r i ni l c h e re t a l . , 1 9 9 9 .S u s t a i n e d e x p r e s s i o no f MMP a n d c e l lg r a t i o na l s or e q u i r e s a u t o c r i n ea c t i v a t i o no f t h e e p i d e r m a lo w t hf a c t o rr e c e p t o r P i l c h e re t a l . ,1 9 9 9 .T h i s i s a n o t h e ri n t e r -i n g e x a m p l eo fhow i n t e g r i n sa n d g r o w t hf a c t o rr e c e p t o r sa c t

g e t h e r t o r e g u l a t eM M P e x p r e s s i o n a n d c e l l m i g r a t i o n .m i n i n - 1 ,b u t n o t l a m i n i n - 5 ,a p p e a r st o b e a b l e t o d o w n - r e g u -t eMMP e x p r e s s i o ne f f e c t i v e l yi n k e r a t i n o c y t e st h a ta r e i nn t a c t w i t h c o l l a g e n S u d b e c ke t a l . , 1 9 9 7 b .L a m i n i n - 5i sp r e s s e db y m i g r a t i n gk e r a t i n o c y t e s K a i n u l a i n e ne t a l . ,1 9 9 8 ,

h e r e a st h ed e p o s i t i o no f l a m i n i n -1 d o e sn o t o c c u ru n t i lt h er e -i t h e l i a l i z a t i o ni s c o m p l e t e L a r j a v a e t a l . ,1 9 9 3 b .I n a d d i t i o n ,

m i n i n - 1i n h i b i t sk e r a t i n o c y t em i g r a t i o na n d i s a p o o ra d h e s i o nb s t r a t u mf o rt h e s e c e l l s W o o d l e ye t a l . ,1 9 8 8 .I t i s a n i n t e r e s t -g p o s s i b i l i t yt h a t d e p o s i t i o n o f l a m i n i n - 1d u r i n g b a s e m e n tm b r a n e r e - o r g a n i z a t i o nc o u l db e t h e s i g n a lt o k e r a t i n o c y t e ss u p p r e s sMMP e x p r e s s i o n .T h e r ei s some e v i d e n c et h a tt h ee a v a g eo f t y p e I c o l l a g e nb y m i g r a t i n gk e r a t i n o c y t e sc a u s e s2 1 1i n t e g r i n - d e p e n d e n tr e - o r g a n i z a t i o no f t h e c o l l a g e nf i b r i l s ,

r e s u l t i n gi n t r a c k sf o rd i r e c t i o n a lmovemen t s o f m i g r a t i P i l c h e re t a l . ,1 9 9 8 .R e c e n t l y ,i t w a s a l s oshown t h a tt y p eg e n d i g e s t e d b y c o l l a g e n a s ec a n p r o m o t ed i s a s s e ms m o o t h - m u s c l ef o c a la d h e s i o n sa n d p r o m o t e c le av a gop a x i l l i n ,a n d t a l i n C a r r a g h e rc t a l . ,1 9 9 9 .W h e t h e rt h i sp he n o ni s a l s ot r u e f o rh u m a n k e r a t i n o c y t e sr e m a i n st o b e sb u t i t c o u l dp r o v i d ea mechanism b y w h i c ht i g h tc e l la d ht o t h ec o l l a g e nm a t r i xa r e l o c a l l yr e l e a s e da n d t h e r e b ya lc e l lm i g r a t i o n .T h ec o l l a g e nm a t r i xp r o c e s s e db y m i g r a ta t i n o c y t e sc o u l d a l s of a c i l i t a t et h e m i g r a t i o no f e p i t h et r a c k i n gb e h i n dt h e l e a d i n g e d g e b y e x p o s i n gc r y p t i csc o l l a g e nf o ro t h e r p o t e n t i a lr e c e p t o r s ,s u c h a s t h ea v P 5i M e s s e n te t a l . ,1 9 9 8 ;Murphy a n d G a v r i l o v i c ,1 9 9 9 .M ik e r a t i n o c y t e se x p r e s s t h e a 5 X f 1f i b r o n e c t i n - b i n d i n gi nS i g n a l i n gt h r o u g h t h i s r e c e p t o r i n v o l v e d w i t h r e g u lMMP e x p r e s s i o ni n V i t r oi s e v i d e n twhen c e l l sa r ee x pf i b r o n e c t i nf r a g m e n t sc o n t a i n i n gt h e c e l l - b i n d i n gs i t e ,i . cr i n - b i n d i n gs i t e W e r b c t a l . , 1 9 8 9 .T h i s i s p e r t i n e n t bf i b r o n e c t i nf r a g m e n t sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e di n wound W y s o c k ia n d G r i n n e l l ,1 9 9 0 ;G r i n n e l lc t n l . ,1 9 9 2 .I t i s q u is i b l et h a tc e l l sm i g r a t i n gt h r o u g ht h e f i b r i n - f i b r o ns i o n a lm a t r i x c o u l d f a c e f i b r o n e c t i nf r a g m e n t st h a tMMP e x p r e s s i o n .K e r a t i n o c y t e sw o u l dt h e n b e r e a d yti n t oc o n t a c t w i t h a n d m i g r a t eo n c o l l a g e na f t e rt h e y h ai s h e dc u t t i n gt h e i rp a t h t h r o u g ht h e p r o v i s i o n a lm a t r i x .W

C r i tR e vO r a lB i o lMe d2 1 2 5 : 3 7 3


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t h i sr e g u l a t o r ym e c h a n i s m ,f i r s td e m o n s t r a t e dw i t h s y n o v i a lf i b r o b l a s t s ,c a n b e a p p l i e dt oh u m a n k e r a t i n o c y t e sr e m a i n st ob es h o w n .T h u s ,e x p r e s s i o no fMMP 1 m a y b e r e g u l a t e db y i n t e r a c -t i o n sb e t w e e nt h ee x t r a c e l l u l a rm a t r i xm o l e c u l e sa n d s e v e r a ld i f -f e r e n ti n t e g r i n s .M M P 1 e x p r e s s i o n a n d a c t i v a t i o ni n k e r -a t i n o c y t e sr e q u i r e t i gh tr e g u l a t i o nd u r i n g n o r m a lh e a l i n g , s i n c eo v e r e x p r e s s i o no f t h i se n z y m em a y c a u s e a d e l a y i n w o u n d r e -e p i t h e l i a l i z a t i o n D iC

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