Molecular biology and functions of epilysin (MMP-28)

Epilysin (MMP-28) is the most recently identified member of the matrix metalloproteinase (MMP) family of extracellular proteases. Together these enzymes are capable of degrading almost all components of the extracellular matrix (ECM) and are thus involved in important biological processes such as development, wound healing and immune functions, but also in pathological processes such as tumor invasion, metastasis and arthritis. MMPs do not act solely by degrading the ECM. They also regulate cell behavior by releasing growth factors and biologically active peptides from the ECM, by modulating cell surface receptors and adhesion molecules and by regulating the activity of many important mediators in inflammatory pathways. The aim of this study was to define the unique role of epilysin within the MMP-family, to elucidate how and when it is expressed and how its catalytic activity is regulated. To gain information on its essential functions and substrates, the specific aim was to characterize how epilysin affects the phenotype of epithelial cells, where it is biologically expressed. During the course of the study we found that the epilysin promoter contains a well conserved GT-box that is essential for the basic expression of this gene. Transcription factors Sp1 and Sp3 bind this sequence and could hence regulate both the basic and cell type and differentiation stage specific expression of epilysin. We cloned mouse epilysin cDNA and found that epilysin is well conserved between human and mouse genomes and that epilysin is glycosylated and activated by furin. Similarly to in human tissues, epilysin is normally expressed in a number of mouse tissues. The expression pattern differs from most other MMPs, which are expressed only in response to injury or inflammation and in pathological processes like cancer. These findings implicate that epilysin could be involved in tissue homeostasis, perhaps fine-tuning the phenotype of epithelial cells according to signals from the ECM. In view of these results, it was unexpected to find that epilysin can induce a stable epithelial to mesenchymal transition (EMT) when overexpressed in epithelial lung carcinoma cells. Transforming growth factor b (TGF-b) was recognized as a crucial mediator of this process, which was characterized by the loss of E-cadherin mediated cell-cell adhesion, elevated expression of gelatinase B and MT1-MMP and increased cell migration and invasion into collagen I gels. We also observed that epilysin is bound to the surface of epithelial cells and that this interaction is lost upon cell transformation and is susceptible to degradation by membrane type-1-MMP (MT1-MMP). The wide expression of epilysin under physiological conditions implicates that its effects on epithelial cell phenotype in vivo are not as dramatic as seen in our in vitro cell system. Nevertheless, current results indicate a possible interaction between epilysin and TGF-b also under physiological circumstances, where epilysin activity may not induce EMT but, instead, trigger less permanent changes in TGF-b signaling and cell motility. Epilysin may thus play an important role in TGF-b regulated events such as wound healing and inflammation, processes where involvement of epilysin has been indicated.

Matrixens Metalloproteinaser (MMP) utgör en familj bestående av 23 strukturellt besläktade proteaser. Tillsammans kan dessa enzym degradera de flesta komponenterna i den extracellulära matrixen (ECM), d.v.s. bindväven som sammanfogar individuella celler till vävnader och organ. MMPna klyver ett brett spektrum av substratmolekyler och kan sålunda påverka ett antal fysiologiska processer så som embryogenesen och läkning av sår. MMPna är också involverade i ett antal patologiska processer så som cancer metastasering och utveckling av nya blodkärl som försörjer tumörer. MMP proteaserna klyver inte enbart komponenter i den extracellulära matrixen, utan även fysiologiskt relevanta proteiner av annan härkomst. MMPna kan t.ex. frigöra tillväxtfaktorer och biologiskt aktiva peptider som förankrats vid ECM-molekyler. Vi har identifierat en ny medlemmen i MMP-familjen, epilysin eller MMP-28, som uttrycks i ett antal vävnader under fysiologiska förhållanden, främst i huden, testiklarna och lungorna. I läkande sår ökas expressionen av epilysin i epiteliala celler belägna på ett avstånd från sårets rand där cellerna aktivt delar sig för att täcka sårområdet. Förekomsten av epilysin har även rapporterats i ett antal olika cancerformer samt i osteoartrit, men enzymets verkningsmekanismer har inte klarlaggts i detalj. Inom forskningsprojektet har vi konstaterat att avläsningen av epilysingenen styrs via en så kallad GT-box i genens promoterregion. Transkriptionsfaktorerna Sp1 och Sp3 binder denna DNA-sekvens och kan sålunda reglera avläsningen av genen i enlighet med det rådande behovet av epilysin. Vi har också påvisat att epilysinproeinet är välbevarat genom evolutionen då epilysinet hos musen påminner starkt om människans. Epilysinets funktion kan modifieras genom att koppla sockermolekyler till proteinet och enzymaktiviteten kan styras till specifika områden genom att enzymet förankras vid cellytan. Precis som hos människan förekommer epilysin i ett antal musvävnader under fysiologiska förhållanden. I detta avseende avviker epilysin från de flesta övriga MMP-enzym som uttrycks endast till följd av inflammation, skada eller under patologiska processer så som cancer. Dessa resultat antyder att epilysin kunde delta i upprätthållandet av en normal jämvikt i omsättningen av den extracellulära matrixen, möjligen genom att finjustera rörligheten hos epiteliala celler i enlighet med rådande förhållanden. I ljuset av dessa resultat var det oväntat att uppdaga att epilysin kan förorsaka en total förvandling av epiteliala cellers fenotyp. Vi ha påvista att epiteliala lungcancerceller genomgår en så kallad epitelial till mesenkymal transformation (EMT) då de manipuleras till att överproducera epilysin. Detta innebär att de stationära epitelcellerna lösgör sig från varandra och istället blir förmögna att röra sig och bryta ner strukturella vävnadshinder. EMT är en grundläggande process under embryonalstadiet då olika vävnader och organ bildas, samt även under processer så som sårläkning. EMT processen kan också felaktigt aktiveras senare i livet och kan då vara en bidragnde orsak till uppkomsten av cancer samt speciellt till cancer metastasering. Vi noterade att EMT processen som inducerades av epilysin var beroende av tillväxtfaktorn TGF-b. Under fysiologiska förhållanden har epilysinet knappast en lika dramatisk effekt på de epiteliala cellernas funktion som vi här påvisat under experimentella förhållanden. Istället kan epilysinet förorsaka mera flyktiga förändringar i TGF-b-balansen i vävnader och cellernas rörlighet. Epilysinet kan sålunda spela en viktig roll i TGF-b styrda processer så som inflammation och sårläkning.