陳利丹，張 超

骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì) （Bone Morphogenetic Proteins，BMPs）是一組生長(zhǎng)因子，屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（Transforming Growth Factorβ，TGF-B）超家族的一個(gè)大亞類［1］。BMP最初是通過誘導(dǎo)骨和軟骨的形成而被發(fā)現(xiàn)的一組關(guān)鍵形態(tài)發(fā)生信號(hào)。到目前為止，已經(jīng)在哺乳動(dòng)物中鑒定出超過15個(gè)BMP。根據(jù)氨基酸序列的相似性可將BMPs分為包括BMP2/4、BMP5/6/7/8a/8b、BMP9/10 和 BMP12/13/14家族在內(nèi)的四種亞類［2］。BMP信號(hào)通路的調(diào)控主要包括依賴Smad介導(dǎo)的經(jīng)典BMP信號(hào)通路和不依賴Smad介導(dǎo)的非經(jīng)典BMP信號(hào)通路。

1 BMP信號(hào)通路

在典型信號(hào)通路中，BMP受體可分為Ⅰ型和Ⅱ型受體。每種類型受體都具有亞型：Ⅰ型受體包括活化素受體樣激酶（ALK-2）、BMPR-ⅠA（ALK-3）和BMPR-IB（ALK-6），Ⅱ型受體包括BMPⅡ型受體（Bmpr2）、A激活素Ⅱ型受體（ACTR Ⅱ）和激活素ⅡB型受體（ACTRⅡB）。在BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，Ⅰ型或Ⅱ型受體兩者的傳導(dǎo)功能是相輔相成的。只有當(dāng)兩種受體的二聚體結(jié)合形成異源四聚體復(fù)合物時(shí)，才與BMPs有較高的結(jié)合力。BMPs與細(xì)胞表面的Ⅱ型受體結(jié)合，激活其絲氨酸/蘇氨酸激酶域的組成性活性，從而介導(dǎo)Ⅰ型受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的磷酸化，進(jìn)而活化Ⅰ型受體激酶。被活化的Ⅰ型受體激酶促使下游底物蛋白即受體調(diào)節(jié)Smads（RSmads）磷酸化。參與BMP信號(hào)傳導(dǎo)的R-Smads包括 Smad1、Smad5 和 Smad8（Smad1/5/8）。 磷酸化的R-Smads與共介體 Smad （co-smad）、smad4 結(jié)合形成復(fù)合物。其后，該復(fù)合物轉(zhuǎn)移入細(xì)胞核，激活特異基因的轉(zhuǎn)錄。抑制性Smads（Ⅰ-Smads）包括Smad6和Smad7（Smad6/7），其作為自分泌關(guān)閉信號(hào)，參與信號(hào)通路的負(fù)向反饋。在正常生理?xiàng)l件下BMP分布在許多組織中，并通過與細(xì)胞外BMP拮抗劑（包括 Noggin、Chordin、Follistatin 和 Gremlin）的可逆相互作用調(diào)控多種生命活動(dòng)［3-5］。

不依賴Smad介導(dǎo)的非經(jīng)典BMP信號(hào)通路：即絲裂原激活蛋白激酶 （Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信號(hào)通路［6，7］。 該信號(hào)通路通過高度保守的三級(jí)激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)傳遞信號(hào)，MAPK激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK 激 酶（MAP kinase kinase，MKK）和 MAPK 均被包括在其中［8］。MAPK信號(hào)通路在細(xì)胞增殖、分化和應(yīng)激等多種重要的生命活動(dòng)中扮演著不可缺少的角色［9］。

圖1 BMP信號(hào)通路示意圖

2 BMP信號(hào)通路在肺器官發(fā)育過程中的作用

肺是陸生脊椎動(dòng)物唯一的氣體交換器官，與氣管及相關(guān)的脈管系統(tǒng)組成的呼吸系統(tǒng)，對(duì)陸地生物是必不可少的。肺起源于前腸內(nèi)胚層。小鼠的肺部發(fā)育從胚胎 9 d（E9.0）左右開始到產(chǎn)后14 d（P14）后結(jié)束。在E9.0時(shí)，甲狀腺特異增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（Nkx2.1）開始在前腸腹側(cè)的內(nèi)胚層細(xì)胞中表達(dá)。到E9.5時(shí)，這些上皮細(xì)胞的外翻形成了氣管和兩個(gè)肺芽。在E9.5-E12.5，氣管與食管完成了分離。在E12.5-E16.5，兩個(gè)肺芽經(jīng)歷一個(gè)高度調(diào)控的分支過程，形成一個(gè)有數(shù)千個(gè)末端分支的樹狀氣道網(wǎng)絡(luò)。在E16.5-E18.5，這些終末分支變窄并形成成簇的上皮囊狀物，隨后發(fā)育為肺泡，為出生時(shí)的呼吸做準(zhǔn)備。在P0-P14時(shí)，肺泡逐漸完全成熟［10］。

目前已有不少證據(jù)表明肺的正常發(fā)育依賴于BMP濃度精確的動(dòng)態(tài)變化。例如在小鼠的遠(yuǎn)端肺上皮細(xì)胞外，特異地表達(dá)BMP拮抗劑，如Gremlin或Noggin，抑制BMP的傳導(dǎo)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠遠(yuǎn)端肺上皮細(xì)胞標(biāo)志物，如SP-C，分布的區(qū)域較野生型小鼠縮小，近端標(biāo)志物分布的區(qū)域擴(kuò)大，如肝細(xì)胞核因子/叉頭同源物 4（Hepatocyte Nuclear Factor/ForkheadHomologue 4，HFH-4）或克拉拉細(xì)胞標(biāo)志物（Clara Cell10-kDa protein，CC10）［11，12］。 同時(shí)在小鼠的遠(yuǎn)端肺上皮細(xì)胞特異地失活BMPR-ⅠA（Alk3）導(dǎo)致小鼠肺的上皮細(xì)胞增殖降低、凋亡增加。到E18.5，其肺Ⅱ型上皮細(xì)胞較野生型小鼠的少，肺部分布大量充滿液體，肺遠(yuǎn)端發(fā)育異常［13］?？梢姲邢蛞种苹蛑袛喾芜h(yuǎn)端上皮的BMP信號(hào)會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端芽的肺上皮細(xì)胞獲得近端表型，遠(yuǎn)端上皮的發(fā)育受到嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致肺功能異常。然而，BMP信號(hào)的過度激活也會(huì)導(dǎo)致肺發(fā)育異常。在肺的遠(yuǎn)端上皮中特異性過表達(dá)Bmp4基因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠肺組織縮小，末端芽明顯膨脹，出生時(shí)含有不支持正常肺功能的大充氣囊，上皮細(xì)胞增殖受到抑制［14］，而靶向敲除BMP拮抗劑Follistatin，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠肺發(fā)育出現(xiàn)多種異常，如氣管松弛，囊狀間隔增生，呼氣末膨脹不全。添加的外源性BMP拮抗劑NOGGIN降低轉(zhuǎn)基因小鼠的BMP信號(hào)傳導(dǎo)活性，并在一定程度上改善由Follistatin缺失造成肺發(fā)育缺陷［15］。由此可知精確調(diào)控BMP濃度在肺發(fā)育過程中扮演著至關(guān)重要的角色。纖維母細(xì)胞生長(zhǎng)因子10（Fibroblast growth factor10，F(xiàn)GF10） 可以促進(jìn)肺的分支，在E11.5天的全肺離體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，鄰近含有FGF10珠子區(qū)域的遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞Bmp4活性最高。由此推測(cè)遠(yuǎn)端上皮芽中的Bmp4受鄰近細(xì)胞FGF10濃度誘導(dǎo)和激活，拮抗FGF10的促芽作用，以確保肺發(fā)育的正常，維持肺正常功能的運(yùn)轉(zhuǎn)［16］。

3 BMP信號(hào)通路在成人肺疾病中的作用

3.1慢性阻塞性肺疾病慢性阻塞性肺疾?。–hronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一種包括慢性支氣管炎和肺氣腫在內(nèi)的呼吸系統(tǒng)疾病，在全球范圍內(nèi)其發(fā)病率和病死率都非常高［17］，目前仍沒有根治COPD的特效藥面世。COPD特點(diǎn)是氣流限制性進(jìn)行且不完全可逆，與氣道和肺部慢性炎癥反應(yīng)增強(qiáng)有關(guān)［18］。

氣道上皮是一種由基底細(xì)胞 （Basal Cells，BCs）、中間柱狀細(xì)胞、纖毛細(xì)胞和分泌細(xì)胞組成的假?gòu)?fù)層柱狀上皮［19-21］，其中BCs是人類氣道中的干細(xì)胞/祖細(xì)胞，具有自我增殖并分化為纖毛細(xì)胞和分泌細(xì)胞的能力。吸煙可以引起氣道上皮的結(jié)構(gòu)異常，例如BCs增生、黏液分泌過多和鱗狀上皮化生。鱗狀上皮化生是一種組織學(xué)上的損傷，其特征是由扁平鱗狀細(xì)胞取代分化細(xì)胞群轉(zhuǎn)化為復(fù)層上皮［22，23］。與健康非吸煙者相比，無癥狀吸煙者和慢性阻塞性肺疾病吸煙者的氣道上皮細(xì)胞中，包括中間柱狀細(xì)胞和纖毛細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞中BMP4表達(dá)顯著上調(diào)，BC中BMP4受體BMPR-ⅠA增多。將外源性BMP4添加到不吸煙者正常BC細(xì)胞中培養(yǎng)，導(dǎo)致BCs數(shù)量顯著減少，分化為正常黏液纖毛上皮的能力下降，并向鱗狀上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)換。由此，可推測(cè)氣道上皮中的中間柱狀細(xì)胞和纖毛細(xì)胞中BMP4信號(hào)的過度表達(dá)可以造成BC的增殖和分化能力異常，進(jìn)而促進(jìn)由吸煙引起的氣道上皮重塑［24］。

BMP6作為鐵調(diào)素表達(dá)的內(nèi)源性調(diào)節(jié)因子，能控制鐵離子的輸出，對(duì)鐵離子穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［25，26］。在COPD患者的巨噬細(xì)胞中鐵離子吸收量越多，肺氣腫的情況越嚴(yán)重，鐵離子濃度的失調(diào)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，加劇患者的炎癥程度［27］。在香煙暴露小鼠中，COPD程度越嚴(yán)重，BMP6的表達(dá)越低。在亞急性香煙暴露4周后，在野生型小鼠相比，Bmp6敲除小鼠肺組織的鐵離子沉積量顯著上升，肺部炎癥情況更加嚴(yán)重［28］。香煙暴露引起的COPD原因之一可能是內(nèi)源性BMP6表達(dá)的降低致使肺組織中的鐵離子沉積，進(jìn)而引起氧化應(yīng)激，加劇組織損傷，增加香煙暴露小鼠的炎癥反應(yīng)。

3.2肺動(dòng)脈高壓肺動(dòng)脈高壓（Pulmonary Arterial Hypertension，PAH）是一種以平均肺動(dòng)脈壓逐漸升高，小的外周肺血管系統(tǒng)的異常重塑導(dǎo)致動(dòng)脈腔逐漸閉塞，最終導(dǎo)致患者右心力衰竭和死亡的疾?。?9］。

內(nèi)皮型一氧化氮合酶（endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS）具有維持低肺血管阻力的作用。eNOS雜合子或純合子敲除的小鼠由于缺氧而提高PAH［30-32］。在低氧誘導(dǎo)情況下，Bmp2雜合敲除（Bmp2+/-）小鼠的肺血管系統(tǒng)中eNOS表達(dá)與野生型小鼠相比明顯下降，并出現(xiàn)更嚴(yán)重的PAH。此外，添加的外源性BMP2能有效地增加肺內(nèi)動(dòng)脈和肺內(nèi)皮細(xì)胞中eNOS表達(dá)，表明eNOS是肺血管系統(tǒng)中BMP2信號(hào)傳導(dǎo)的靶標(biāo)。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均證實(shí)BMP2表達(dá)水平的降低，會(huì)導(dǎo)致肺血管系統(tǒng)中eNOS的下降，從而誘發(fā) PAH［33］。

肺動(dòng)脈高壓原因有很多，由編碼BMPII型受體（Bmpr2）基因失活突變引起的［34］是其中之一。在Bmpr2雜合敲除小鼠（Bmpr2+/R899X）引起的PAH模型中，添加外源性的BMP9不僅能減少轉(zhuǎn)基因小鼠肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)血管的穩(wěn)定，而且能增加Bmpr2基因的表達(dá)，使BMP2信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而逆轉(zhuǎn)已發(fā)生的PAH。此外，野百合堿或低氧引起的肺動(dòng)脈高壓也能被添加的外源性BMP9有效地挽救，這些結(jié)果提示了直接提高內(nèi)皮細(xì)胞的BMP信號(hào)有望成為治療PAH的新手段［35］。

肺動(dòng)脈重塑被確認(rèn)是PAH病理過程中導(dǎo)致肺動(dòng)脈壓力增加的重要原因［36］。內(nèi)皮細(xì)胞向間充質(zhì)或肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的生物學(xué)過程稱為內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（Endothelial-Mesenchymal Transition，EndMT）。在這個(gè)過程中，內(nèi)皮細(xì)胞從血管內(nèi)腔表面緊密結(jié)合的單層細(xì)胞中分離出來，向內(nèi)部組織遷移。在遷移過程中，細(xì)胞失去了特定的內(nèi)皮標(biāo)志物，并逐漸表達(dá)間充質(zhì)或肌纖維母細(xì)胞標(biāo)志物［37］。EndMT參與PAH患者肺動(dòng)脈閉塞性血管的重塑［38］。大鼠肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)膜中的mir-27a表達(dá)增加。上調(diào)的miR-27a通過與Smad5 mRNA的3’-UTR結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄，降低BMP下游靶點(diǎn)DNA結(jié)合蛋白抑制劑2（Inhibitors of DNA Binding Proteins 2，Id2）的表達(dá)，增加關(guān)鍵的促EndMT轉(zhuǎn)錄因子Snail和Twist的表達(dá)，加劇患者的PAH發(fā)生進(jìn)程［37］。

3.3肺纖維化肺纖維化（Pulmonary Fibrosis，PF）是一種由成纖維細(xì)胞過度增殖和肺間質(zhì)中膠原（纖維化）沉積引起的慢性進(jìn)行性肺疾病［39，40］。

在體外由二氧化硅處理RLE-6TN細(xì)胞后建立的EndMT模型中，添加的外源性的BMP7，能夠提高BMP信號(hào)通路下游底物蛋白Smad1/5磷酸化水平，降低與拮抗BMP信號(hào)的TGF-β下游底物蛋白Smad2/3的磷酸化水平、減少膠原Ⅰ、膠原Ⅲ和纖連蛋白的沉積，并抑制了包括細(xì)胞遷移和纖維化標(biāo)志物的表達(dá)，進(jìn)而緩解由二氧化硅誘導(dǎo)的PF［41］。

香葉基香葉基二磷酸合酶（Geranylgeranyl Diphosphate Synthase，GGPPS）是一種催化法尼基二磷酸合成GGPP的關(guān)鍵酶［42］。肺上皮細(xì)胞特異性GGPPS基因敲除 （GGPPS-/-）小鼠在博來霉素誘導(dǎo)后，與野生型小鼠相比，肺組織膠原I和纖維黏連蛋白表達(dá)上調(diào)，膠原沉積增加，PF程度更嚴(yán)重。GGPPS的缺乏促進(jìn)了TGF-β1激活肺成纖維細(xì)胞，增強(qiáng)其與 BMP4 信號(hào)的拮抗作用，加劇 GGPPS-/-小鼠 PF［43］。

Nog+/LacZ小鼠作為去阻遏BMP信號(hào)傳導(dǎo)的模型［44，45］，在博來霉素誘導(dǎo)后，與野生型小鼠相比，其支氣管和肺泡上皮細(xì)胞凋亡及增殖減少。內(nèi)源性增加的BMP信號(hào)活性與間充質(zhì)中促纖維化TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)的拮抗作用增強(qiáng)，導(dǎo)致組織重塑減少，進(jìn)而減輕 Nog+/LacZ小鼠 PF 程度［46］。

4 BMP信號(hào)通路在肺再生中的作用

功能組織再生是嚴(yán)重創(chuàng)傷后恢復(fù)正常器官內(nèi)環(huán)境平衡所必需的。與其他成人器官如皮膚和腸相比，肺細(xì)胞更新通常較慢。然而，在生理性損傷后，包括全肺切除術(shù)和嚴(yán)重的呼吸道感染可能會(huì)發(fā)生顯著的再生和修復(fù)［47-50］。

向體外克隆類器官培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)BCs添加外源性BMP拮抗劑衍生物L(fēng)DN-193189，能促進(jìn)BCs的增殖，而加入外源性的BMP4則抑制BCs的增殖和分化。在小鼠SO2損傷小鼠模型中，修復(fù)期間上皮細(xì)胞和間充質(zhì)中BMP4的表達(dá)降低，BMP拮抗劑Follistatin的表達(dá)升高。而在小鼠損傷后全身給予BMP拮抗劑衍生物L(fēng)DN-193189，則促進(jìn)小鼠BCs再生。體內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持在穩(wěn)定狀態(tài)下，肺組織的BMP信號(hào)抑制BCs增殖，而損傷后小鼠通過上調(diào)內(nèi)源性BMP拮抗劑，下調(diào)BMP信號(hào)，進(jìn)而短暫促進(jìn)增殖。這些結(jié)果揭示了BMP信號(hào)在呼吸上皮內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵作用［51］。

在1-硝基萘（1-nn）急性損傷6 h后，小鼠氣道上皮細(xì)胞發(fā)生炎癥的癥狀最嚴(yán)重，細(xì)胞中的BMP信號(hào)通路下游磷酸化Smad1/5的表達(dá)最高。向正常培養(yǎng)的氣道AECs中添加BMP4，隨著BMP4濃度的增加，E-鈣黏蛋白的濃度逐漸下降，Snail的表達(dá)逐漸上升。由此可以推測(cè)BMP信號(hào)的增強(qiáng)通過下調(diào)E-鈣黏蛋白的表達(dá)和促進(jìn)AECs的遷移，調(diào)節(jié)急性損傷后氣道上皮細(xì)胞的再生［52］。

最近研究發(fā)現(xiàn)，肺Ⅱ型上皮細(xì)胞和表達(dá)血小板源性生長(zhǎng)因子受體 α多肽（Platelet—Derived Growth Factor Receptor Alpha，PDGFRA）的成纖維細(xì)胞形成的肺泡微環(huán)境能通過調(diào)節(jié)肺二型上皮細(xì)胞BMP信號(hào)通路表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控肺二型上皮細(xì)胞的自我增殖和分化為肺一型細(xì)胞的能力。在肺切除術(shù)后，肺二型細(xì)胞和表達(dá)PDGFRA的成纖維細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)BMP信號(hào)的表達(dá)出現(xiàn)短暫下降，此時(shí)肺二型細(xì)胞自我增殖能力增強(qiáng)，轉(zhuǎn)分化為肺一型細(xì)胞能力下降。而在術(shù)后恢復(fù)過程中，肺二型細(xì)胞中的BMP信號(hào)通路表達(dá)逐漸增加，此時(shí)肺二型細(xì)胞自我分化能力下降，向肺一型細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化能力增強(qiáng)，促進(jìn)肺泡的再生［53］。

BMP信號(hào)與肺的正常發(fā)育，成體肺疾病的形成和成體肺組織修復(fù)密切相關(guān)，但其確切機(jī)制和時(shí)空分布模式尚未完全闡明，仍有待于進(jìn)一步研究。BMP介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)的實(shí)際細(xì)胞靶點(diǎn)的確定將有助于解釋早期的基因研究，指導(dǎo)今后實(shí)驗(yàn)中BMP信號(hào)成分的合理靶向，有助于闡明該信號(hào)系統(tǒng)的作用機(jī)制。對(duì)BMP信號(hào)的更好理解將有助于BMP信號(hào)相關(guān)疾病的臨床治療，并可能促進(jìn)創(chuàng)新和有效的治療方法的發(fā)展，為新的治療發(fā)展提供新的策略。