梁 源 綜述，常 新 審校

(大連醫(yī)科大學 附屬第二醫(yī)院 口腔科，遼寧 大連 116027)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Proteins，BMPs)作為轉化生長因子-β(TGF-β)超家族中的一員，可調控細胞的生長和分化，參與神經、骨骼、胃腸等多個組織和器官的形成和發(fā)育。在BMPs信號傳導過程中，除了通過正調控來放大信號外，還存在一些因子對BMPs的信號傳導起負性調節(jié)的作用。

1 BMP信號傳導通路

1.1 Smad (Mothers against decapentaplegic homolog)通路

在Smad通路中，BMP通過與兩種跨膜受體(絲氨酸/蘇氨酸激酶受體)相互結合來發(fā)揮作用。這兩種跨膜受體分別稱為Ⅰ型 (BMPR-Ⅰ型)、Ⅱ型(BMPR-Ⅱ型)受體。其中，BMPR-Ⅰ型又可分為BMPR-IA 和BMPR-IB兩種[1]。BMP首先與細胞表面的BMPR- I 和BMPR- II復合體結合，BMPR-II 隨即被激活，激活后的BMPR-II 使BMPR-I磷酸化，后者隨后通過磷酸化細胞內的特定蛋白Smads來活化BMP的下游區(qū)信號傳導。Smad蛋白根據各自功能不同可分為三類：受體-激活Smads(R-Smads,包括Smad-1,-2,-3,-5,-8):被BMPR- I磷酸化的Smads主要是指此類；共介導Smad(Co-Smads,包括 Smad-4)：它可與激活后的R-Smads形成復合物，隨即轉位到細胞核內，激活特定的目的基因進行轉錄；抑制性Smads(I-Smads,包括Smad-6 和-7)：I-Smads對R-Smads 和Co-Smads的活動起拮抗作用[2]。

1.2 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路

MAPK通路是一條獨立于Smad的信號通路。MAPK全稱為絲裂原活化蛋白激酶(mitogen- activated protein kinase,MAPK)它是一類可以把細胞外信號傳導到胞內，引起一系列細胞反應的絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶。目前，在哺乳動物細胞中發(fā)現三種MAPK信號傳導通路:①ERKs(細胞外信號調控激酶，Extracellular-signal Regulated Kinases)通路,能夠激活膜受體的下游區(qū)信號傳遞、調控細胞的增殖和分化 ②JNKs(Jun氨基末端激酶)通路③P38-MAPK通路，細胞因子或者細胞應激反應都可激活后兩種通路[3]。針對BMPs能否激活以上三種MAPK信號傳導通路，近年來爭議很多。有報道稱，BMP-2可激活ERK和P38-MAPK。Guicheux[4]等卻認為：BMP-2激活ERKs的作用與表皮生長因子(EGF)相比甚微，然而BMP-2對于P38和JNK卻有很強的活化作用。對于BMP-2能激活P38-MAPK通路，人們普遍贊同：BMP-2先與BMPR-I連接成復合體，再通過BMPR-I結合BMPR-Ⅱ共同形成異聚體BISC(BMP-2誘導信號復合體，BMP-2 induced signaling complex)，BMPR-I通過橋蛋白再與TAK1間接連接，TAK1可激活P38MAPK，傳導BMP的信號途徑。P38-MAPK可通過直接磷酸化某些轉錄因子使下游目的基因發(fā)生轉錄，表達成骨特異分子，如堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)等[5]。

2 BMPs信號通路的負性調控

BMPs的信號傳導受多個水平的負性調控。在細胞外，可通過一些結合蛋白如noggin,chordin與BMP相互作用來阻礙BMP與其自身受體的結合。在細胞內，可通過抑制性Smads(I-Smads，Smad6/ 7) 、Smads遍在蛋白化調控因子(Smurfs)等來調控胞內的信號傳導。I-Smads是TGF-β家族信號通路的抑制劑，除了通過與BMPR-I相作用來阻止R-Smads的活化外，還可通過與Co-Smads競爭來防止其形成R-Smad/Co-Smad復合物，以此來阻礙信號的傳導；Smurfs可通過特異性的降解BMPR-I和Smad蛋白來抑制信號的轉導。在細胞膜水平上，跨膜蛋白BAMBI(BMP 和 Activin 膜結合抑制劑)在減弱BMP信號轉導中發(fā)揮了重要作用:BAMBI是TGF-β家族信號轉導通路的仿真受體,與Ⅰ型受體結構相似,但不具有同樣的活性,它可以競爭性地與BMPR-Ⅱ型受體結合,使胞質區(qū)的Smad蛋白無法被激活,從而阻斷信號轉導,影響一系列下游基因的表達[6]。

2.1 BMP信號通路的細胞外拮抗劑

2.1.1 noggin：Noggin 是一種分子量為64 kDa的分泌型糖蛋白，起初是由于將其mRNA注射入爪蟾的胚胎,可使頭部明顯增大而得名。Noggin在體內對神經系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的發(fā)育和/或重塑起調控作用。Noggin能以不同程度的親和力與BMP-4、5、6、7以及GDF(生長分化因子)-5、6等細胞因子結合(而不與TGF-β家族的其他多肽結合)。其中，noggin與BMP-2,4的親和力比BMP-7更高。在眾多可下調BMP信號的細胞外拮抗劑中，noggin是與BMP最具親和力的一種蛋白。Noggin通過與細胞表面的BMP受體競爭，特異性的與BMPs結合，阻礙BMP與其自身受體結合及下游區(qū)的信號傳導從而拮抗BMP的作用[7]。BMPs的表達通常與noggin相伴隨，BMPs能夠誘導Noggin在成骨細胞中的表達，而Noggin可抑制BMPs的促成骨細胞分化的功能 ，以此來限制BMP的過度表達。Brunet等[8]的實驗也提示了這一點。他們發(fā)現敲除noggin基因的小鼠，出生后即死亡，這類小鼠都具有粗糙、增厚的長骨，說明noggin對BMP的表達有著重要的調控作用。而Devlin等[9]研究發(fā)現，noggin如果過度表達會導致骨小梁數量的減少以及嚴重的骨量減少。Wan等[10]則發(fā)現,在體內用抑制noggin的成骨細胞修復小鼠的缺損顱蓋骨，在損傷后的2～4周可見明顯的骨再生現象。提示抑制noggin可增強BMP信號轉導進而加速成骨作用和骨形成，這具有重要的臨床應用價值。

2.1.2 chordin：Chordin與noggin一樣，通過與BMPs(BMP-2/4/7)特異性的結合來抑制BMPs的作用。Chordin是一個分子量為120 kDa的蛋白，包含四個富含半胱氨酸(cysteine-rich,CR)區(qū)，每個區(qū)域各有70個氨基酸，這些區(qū)域(尤其是CR1,CR3 )決定著chordin 的功能和結合BMPs的能力。成骨細胞表達的chordin很有限，相反chordin可由軟骨細胞表達并可對軟骨細胞成熟起調控作用。Zhang等[11]研究發(fā)現，chordin有拮抗BMP所誘導的軟骨細胞分化的作用。chordin的異位表達會引起小雞的四肢短小、軟骨細胞成熟延遲、礦化區(qū)域狹窄,提示chordin在骨骼發(fā)育過程中對軟骨骨化有負性調控作用。有研究發(fā)現BMP-2和chordin在人間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的成骨分化過程中都有表達；敲除chordin會導致成骨標志物堿性磷酸酶ALP以及細胞外礦物質的明顯增加。這表明在成骨分化過程中，有內源性的chordin產生且對成骨分化起限制作用。

2.1.3 Follistatin 及Follistatin-like：1987年，Robertson等從牛卵泡液中分離出了一種可抑制促卵泡素(FSH)分泌的蛋白：卵泡抑素(follistatin，FS)，起初對follistatin的研究僅限于其在生殖周期中的作用。近年來的研究發(fā)現，follistatin不僅存在于許多組織細胞中，還在胚胎及皮膚毛囊的發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[12]。實驗發(fā)現，雖然follistatin 與activin(ACT，非BMP家族的一類細胞因子)有很強的親和力，但是follistatin 并不是一種僅僅與ACT 特異性結合的蛋白，它還可以通過與BMP-2，-4,-6,-7結合來抑制它們的作用[13]。但其抑制方式卻不同于noggin及chordin。Follistatin是通過BMP來與BMP受體相結合，通過形成一個三聚體結構來發(fā)揮作用[6]。研究發(fā)現：TGF-β可誘導follistatin表達，而BMPs卻起到下調follistatin的作用(不同與 noggin)；follistatin基因缺失的小鼠，出生后不久就會死亡，同時該小鼠會出現包括骨骼在內的多個組織器官的缺陷[14]。對于Follistatin-like的研究相對較少，已知它與Follistatin一樣，也可與BMP-2等結合，來抑制由BMP-2介導的轉錄應答[15]。

2.1.4 Twisted gastrulation(Tsg)：Tsg是一種分子量為23.5kDa的分泌型蛋白，在果蠅中被發(fā)現，最初認為其與背腹部軸的形成有關。Tsg的氨基末端有一個高度保守的，富含半胱氨酸的，與chordin蛋白相似的CR區(qū)域，該區(qū)域可能是BMPs和BMPs拮抗劑的結合位點[16]。Tsg對BMP信號的調控具有正負雙重作用。Tsg通過與Chordin及BMPs(BMP-2,BMP-4,BMP-7)形成三元絡合物來阻礙BMPs與其自身受體的結合，從而起到拮抗BMP的信號轉導的作用；當形成三元絡合物后，Chordin會被一種金屬蛋白酶Tolloid(Tld)裂解成富含半胱氨酸的片段，該片段可減弱BMP與另外兩者的結合能力，使BMP從三元絡合物中分離出來，從而促進BMP的信號轉導[17]。Gazzerro等[16]實驗發(fā)現，Tsg過表達會抑制成骨細胞的分化；Nosaka等[18]的研究發(fā)現：小鼠Tsg基因發(fā)生靶向斷裂，會引起顱面部發(fā)育缺陷、椎骨畸形及侏儒癥,這提示Tsg在作為BMP激動劑時可對軟骨內骨化起調控作用。

2.1.5 Dan 家族：Dan 家族是一類能夠與BMPs結合的分泌型蛋白。目前發(fā)現至少9個成員：Gremlin,Sclerostin,Dan,USAG-1(uterine sensitization associated gene-1),Cerberus,Caronte,Coco,PRDC (Dan 和 Cerberus相關蛋白) 及 Dante[19]。這些蛋白經過序列對比后，人們發(fā)現它們C-端共有一段包含九個半胱氨酸的CR區(qū)域。盡管Dan家族的大部分成員的主要作用是參與胚胎的發(fā)育，在成骨過程中發(fā)揮的作用較少，但Gremlin、Sclerostin等卻是能夠調控BMP成骨活動的重要因子。

Gremlin是一類高度保守的分子量為20.7 kDa的糖蛋白，最初從非洲蟾蜍胚胎中分離出來。Gremlin 除在胚胎發(fā)育過程中有表達,也在成年期的動物組織中，如腦、脾、腎、卵巢，及終末分化細胞中有所表達。Gremlin對胚胎的發(fā)育、組織器官形態(tài)的形成、細胞分化等都有重要的調節(jié)作用。它作為BMPs的拮抗劑，能特異性結合并抑制BMP-2,4,7的作用。Gazzerro等[20]研究發(fā)現，Gremlin轉基因小鼠易出現骨折，Gremlin的過表達會造成股骨骨小梁的骨量下降并有編織骨出現，同時通過偏振光顯微鏡發(fā)現,在骨皮質內膜的表面有雜亂的膠原束形成，表明Gremlin可降低成骨細胞數量及功能，抑制骨形成，引起骨骼結構的改變。

Sclerostin是由SOST基因編碼的蛋白。最初的研究發(fā)現SOST基因突變會導致Sclerostin表達異常，從而引起嚴重的的骨代謝性疾病——Sclerosteosis和Van Buchem病(兩種先天性發(fā)育不良性疾病，以漸進性骨骼增厚和全身性骨樣硬化為特點)[19]。通過原位雜交和免疫組織化學技術，人們發(fā)現：Sclerostin主要由成骨細胞、骨細胞等特定的細胞分泌。在體外實驗發(fā)現，Sclerostin抑制成骨細胞的分化和功能，誘導成骨細胞凋亡[19]；在體內實驗發(fā)現，Sclerostin過表達會導致骨結構紊亂、骨皮質變薄、骨小梁減少、板層骨形成受損、軟骨發(fā)育不全。Sclerostin作為BMPs的拮抗劑，可與BMP-2,-4,-5,-6,-7結合[21]。但Winkler等[22]對大鼠骨肉瘤細胞系的研究卻發(fā)現，Sclerostin能與noggin結合形成具有高親和力的復合物，從而互相抵消兩者抑制BMPs活動的作用，這提示在調節(jié)BMPs的活性上，BMPs拮抗劑之間也存在著精密的調節(jié)機制。除了與BMPs結合以外，Sclerostin還與Wnt的共同受體低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP，lowdensity lipoprotein receptor related protein)-5，-6有很高的親和力，從而來抑制Wnt的信號轉導[23]。因此,Sclerostin可通過調控兩條獨立的信號傳導通路來抑制骨沉積。

Dan(Differential screening-selected gene aberrative in neuroblastoma),又稱NO3，具有腫瘤抑制基因的活性。由dan 基因編碼的19kDa的蛋白可在多個物種的胚胎和成人的組織中表達。已證實Dan可與BMPs結合并抑制它們的信號傳導活動[24]。

Cerberus蛋白是一個包括270個氨基酸的，分子量為31 kD的多肽[25]。Cerberus在神經組織的形成過程中可起到非常重要的作用。Cerberus選擇性的與BMPs結合，并不與TGF-β家族的其他成員結合。此外，Cerberus可與Wnt8結合并可阻礙其活動。

USAG-1 (uterine sensitivity-associated gene-1)與Sclerostin相似，既是BMP的拮抗劑[26],又可與Wnt的共受體LRP-5 和 -6結合，來作為Wnt信號傳導的調節(jié)劑[27]。在慢性腎病的實驗模型中發(fā)現，USAG-1與腎臟纖維化的進展有關[26]。

PRDC (Dan 和Cerberus相關蛋白，protein related to Dan and Cerberus)是通過基因捕獲技術從胚胎干細胞中分離出來的，PRDC蛋白與gremlin有一定程度的序列同源性[28]。PRDC可有效的結合并抑制BMP-2,-4，且主要在卵巢、腦、脾等器官中表達。近來，PRDC在體外拮抗BMP-2的活動及參與調控成骨作用的能力已經被證實[29]。

3 結 論

BMPs具有異位成骨能力，能刺激間充質干細胞向成軟骨細胞和成骨細胞分化。在成骨細胞中，BMPs的激動劑和拮抗劑之間存在著一種精確的平衡，以調控BMP信號傳導和骨的形成。認識BMPs的負性調節(jié)機制，有利于臨床上應用基因治療等先進技術來抑制拮抗劑的表達，從而促進骨、軟骨的形成，以達到治療目的，有很高的應用前景。

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