骨形態(tài)發(fā)生蛋白的信號(hào)傳導(dǎo)通路及其拮抗因子

梁 源 綜述，常 新 審校

(大連醫(yī)科大學(xué) 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(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)超家族中的一員，可調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，參與神經(jīng)、骨骼、胃腸等多個(gè)組織和器官的形成和發(fā)育。在BMPs信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中，除了通過(guò)正調(diào)控來(lái)放大信號(hào)外，還存在一些因子對(duì)BMPs的信號(hào)傳導(dǎo)起負(fù)性調(diào)節(jié)的作用。

1 BMP信號(hào)傳導(dǎo)通路

1.1 Smad (Mothers against decapentaplegic homolog)通路

在Smad通路中，BMP通過(guò)與兩種跨膜受體(絲氨酸/蘇氨酸激酶受體)相互結(jié)合來(lái)發(fā)揮作用。這兩種跨膜受體分別稱(chēng)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(xì)胞表面的BMPR- I 和BMPR- II復(fù)合體結(jié)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(guò)磷酸化細(xì)胞內(nèi)的特定蛋白Smads來(lái)活化BMP的下游區(qū)信號(hào)傳導(dǎo)。Smad蛋白根據(jù)各自功能不同可分為三類(lèi)：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(lèi)；共介導(dǎo)Smad(Co-Smads,包括 Smad-4)：它可與激活后的R-Smads形成復(fù)合物，隨即轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核內(nèi)，激活特定的目的基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；抑制性Smads(I-Smads,包括Smad-6 和-7)：I-Smads對(duì)R-Smads 和Co-Smads的活動(dòng)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(dú)立于Smad的信號(hào)通路。MAPK全稱(chēng)為絲裂原活化蛋白激酶(mitogen- activated protein kinase,MAPK)它是一類(lèi)可以把細(xì)胞外信號(hào)傳導(dǎo)到胞內(nèi)，引起一系列細(xì)胞反應(yīng)的絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶。目前，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)三種MAPK信號(hào)傳導(dǎo)通路:①ERKs(細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控激酶，Extracellular-signal Regulated Kinases)通路,能夠激活膜受體的下游區(qū)信號(hào)傳遞、調(diào)控細(xì)胞的增殖和分化 ②JNKs(Jun氨基末端激酶)通路③P38-MAPK通路，細(xì)胞因子或者細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)都可激活后兩種通路[3]。針對(duì)BMPs能否激活以上三種MAPK信號(hào)傳導(dǎo)通路，近年來(lái)爭(zhēng)議很多。有報(bào)道稱(chēng)，BMP-2可激活ERK和P38-MAPK。Guicheux[4]等卻認(rèn)為：BMP-2激活ERKs的作用與表皮生長(zhǎng)因子(EGF)相比甚微，然而B(niǎo)MP-2對(duì)于P38和JNK卻有很強(qiáng)的活化作用。對(duì)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(fù)合體，再通過(guò)BMPR-I結(jié)合BMPR-Ⅱ共同形成異聚體BISC(BMP-2誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合體，BMP-2 induced signaling complex)，BMPR-I通過(guò)橋蛋白再與TAK1間接連接，TAK1可激活P38MAPK，傳導(dǎo)BMP的信號(hào)途徑。P38-MAPK可通過(guò)直接磷酸化某些轉(zhuǎn)錄因子使下游目的基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄，表達(dá)成骨特異分子，如堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)等[5]。

2 BMPs信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)控

BMPs的信號(hào)傳導(dǎo)受多個(gè)水平的負(fù)性調(diào)控。在細(xì)胞外，可通過(guò)一些結(jié)合蛋白如noggin,chordin與BMP相互作用來(lái)阻礙BMP與其自身受體的結(jié)合。在細(xì)胞內(nèi)，可通過(guò)抑制性Smads(I-Smads，Smad6/ 7) 、Smads遍在蛋白化調(diào)控因子(Smurfs)等來(lái)調(diào)控胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)。I-Smads是TGF-β家族信號(hào)通路的抑制劑，除了通過(guò)與BMPR-I相作用來(lái)阻止R-Smads的活化外，還可通過(guò)與Co-Smads競(jìng)爭(zhēng)來(lái)防止其形成R-Smad/Co-Smad復(fù)合物，以此來(lái)阻礙信號(hào)的傳導(dǎo)；Smurfs可通過(guò)特異性的降解BMPR-I和Smad蛋白來(lái)抑制信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。在細(xì)胞膜水平上，跨膜蛋白BAMBI(BMP 和 Activin 膜結(jié)合抑制劑)在減弱BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮了重要作用:BAMBI是TGF-β家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的仿真受體,與Ⅰ型受體結(jié)構(gòu)相似,但不具有同樣的活性,它可以競(jìng)爭(zhēng)性地與BMPR-Ⅱ型受體結(jié)合,使胞質(zhì)區(qū)的Smad蛋白無(wú)法被激活,從而阻斷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),影響一系列下游基因的表達(dá)[6]。

2.1 BMP信號(hào)通路的細(xì)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(nèi)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)的發(fā)育和/或重塑起調(diào)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(zhǎng)分化因子)-5、6等細(xì)胞因子結(jié)合(而不與TGF-β家族的其他多肽結(jié)合)。其中，noggin與BMP-2,4的親和力比BMP-7更高。在眾多可下調(diào)BMP信號(hào)的細(xì)胞外拮抗劑中，noggin是與BMP最具親和力的一種蛋白。Noggin通過(guò)與細(xì)胞表面的BMP受體競(jìng)爭(zhēng)，特異性的與BMPs結(jié)合，阻礙BMP與其自身受體結(jié)合及下游區(qū)的信號(hào)傳導(dǎo)從而拮抗BMP的作用[7]。BMPs的表達(dá)通常與noggin相伴隨，BMPs能夠誘導(dǎo)Noggin在成骨細(xì)胞中的表達(dá)，而Noggin可抑制BMPs的促成骨細(xì)胞分化的功能 ，以此來(lái)限制BMP的過(guò)度表達(dá)。Brunet等[8]的實(shí)驗(yàn)也提示了這一點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)敲除noggin基因的小鼠，出生后即死亡，這類(lèi)小鼠都具有粗糙、增厚的長(zhǎng)骨，說(shuō)明noggin對(duì)BMP的表達(dá)有著重要的調(diào)控作用。而Devlin等[9]研究發(fā)現(xiàn)，noggin如果過(guò)度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致骨小梁數(shù)量的減少以及嚴(yán)重的骨量減少。Wan等[10]則發(fā)現(xiàn),在體內(nèi)用抑制noggin的成骨細(xì)胞修復(fù)小鼠的缺損顱蓋骨，在損傷后的2～4周可見(jiàn)明顯的骨再生現(xiàn)象。提示抑制noggin可增強(qiáng)BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而加速成骨作用和骨形成，這具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

2.1.2 chordin：Chordin與noggin一樣，通過(guò)與BMPs(BMP-2/4/7)特異性的結(jié)合來(lái)抑制BMPs的作用。Chordin是一個(gè)分子量為120 kDa的蛋白，包含四個(gè)富含半胱氨酸(cysteine-rich,CR)區(qū)，每個(gè)區(qū)域各有70個(gè)氨基酸，這些區(qū)域(尤其是CR1,CR3 )決定著chordin 的功能和結(jié)合BMPs的能力。成骨細(xì)胞表達(dá)的chordin很有限，相反chordin可由軟骨細(xì)胞表達(dá)并可對(duì)軟骨細(xì)胞成熟起調(diào)控作用。Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，chordin有拮抗BMP所誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞分化的作用。chordin的異位表達(dá)會(huì)引起小雞的四肢短小、軟骨細(xì)胞成熟延遲、礦化區(qū)域狹窄,提示chordin在骨骼發(fā)育過(guò)程中對(duì)軟骨骨化有負(fù)性調(diào)控作用。有研究發(fā)現(xiàn)BMP-2和chordin在人間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的成骨分化過(guò)程中都有表達(dá)；敲除chordin會(huì)導(dǎo)致成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶ALP以及細(xì)胞外礦物質(zhì)的明顯增加。這表明在成骨分化過(guò)程中，有內(nèi)源性的chordin產(chǎn)生且對(duì)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，F(xiàn)S)，起初對(duì)follistatin的研究?jī)H限于其在生殖周期中的作用。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，follistatin不僅存在于許多組織細(xì)胞中，還在胚胎及皮膚毛囊的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[12]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然follistatin 與activin(ACT，非BMP家族的一類(lèi)細(xì)胞因子)有很強(qiáng)的親和力，但是follistatin 并不是一種僅僅與ACT 特異性結(jié)合的蛋白，它還可以通過(guò)與BMP-2，-4,-6,-7結(jié)合來(lái)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(guò)BMP來(lái)與BMP受體相結(jié)合，通過(guò)形成一個(gè)三聚體結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)揮作用[6]。研究發(fā)現(xiàn)：TGF-β可誘導(dǎo)follistatin表達(dá)，而B(niǎo)MPs卻起到下調(diào)follistatin的作用(不同與 noggin)；follistatin基因缺失的小鼠，出生后不久就會(huì)死亡，同時(shí)該小鼠會(huì)出現(xiàn)包括骨骼在內(nèi)的多個(gè)組織器官的缺陷[14]。對(duì)于Follistatin-like的研究相對(duì)較少，已知它與Follistatin一樣，也可與BMP-2等結(jié)合，來(lái)抑制由BMP-2介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄應(yīng)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(xiàn)，最初認(rèn)為其與背腹部軸的形成有關(guān)。Tsg的氨基末端有一個(gè)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(jié)合位點(diǎn)[16]。Tsg對(duì)BMP信號(hào)的調(diào)控具有正負(fù)雙重作用。Tsg通過(guò)與Chordin及BMPs(BMP-2,BMP-4,BMP-7)形成三元絡(luò)合物來(lái)阻礙BMPs與其自身受體的結(jié)合，從而起到拮抗BMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用；當(dāng)形成三元絡(luò)合物后，Chordin會(huì)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(jié)合能力，使BMP從三元絡(luò)合物中分離出來(lái)，從而促進(jìn)BMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[17]。Gazzerro等[16]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Tsg過(guò)表達(dá)會(huì)抑制成骨細(xì)胞的分化；Nosaka等[18]的研究發(fā)現(xiàn)：小鼠Tsg基因發(fā)生靶向斷裂，會(huì)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(dòng)劑時(shí)可對(duì)軟骨內(nèi)骨化起調(diào)控作用。

2.1.5 Dan 家族：Dan 家族是一類(lèi)能夠與BMPs結(jié)合的分泌型蛋白。目前發(fā)現(xiàn)至少9個(gè)成員：Gremlin,Sclerostin,Dan,USAG-1(uterine sensitization associated gene-1),Cerberus,Caronte,Coco,PRDC (Dan 和 Cerberus相關(guān)蛋白) 及 Dante[19]。這些蛋白經(jīng)過(guò)序列對(duì)比后，人們發(fā)現(xiàn)它們C-端共有一段包含九個(gè)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(guò)程中發(fā)揮的作用較少，但Gremlin、Sclerostin等卻是能夠調(diào)控BMP成骨活動(dòng)的重要因子。

Gremlin是一類(lèi)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(lái)。Gremlin 除在胚胎發(fā)育過(guò)程中有表達(dá),也在成年期的動(dòng)物組織中，如腦、脾、腎、卵巢，及終末分化細(xì)胞中有所表達(dá)。Gremlin對(duì)胚胎的發(fā)育、組織器官形態(tài)的形成、細(xì)胞分化等都有重要的調(diào)節(jié)作用。它作為BMPs的拮抗劑，能特異性結(jié)合并抑制BMP-2,4,7的作用。Gazzerro等[20]研究發(fā)現(xiàn)，Gremlin轉(zhuǎn)基因小鼠易出現(xiàn)骨折，Gremlin的過(guò)表達(dá)會(huì)造成股骨骨小梁的骨量下降并有編織骨出現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)偏振光顯微鏡發(fā)現(xiàn),在骨皮質(zhì)內(nèi)膜的表面有雜亂的膠原束形成，表明Gremlin可降低成骨細(xì)胞數(shù)量及功能，抑制骨形成，引起骨骼結(jié)構(gòu)的改變。

Sclerostin是由SOST基因編碼的蛋白。最初的研究發(fā)現(xiàn)SOST基因突變會(huì)導(dǎo)致Sclerostin表達(dá)異常，從而引起嚴(yán)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(jìn)性骨骼增厚和全身性骨樣硬化為特點(diǎn))[19]。通過(guò)原位雜交和免疫組織化學(xué)技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)：Sclerostin主要由成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞等特定的細(xì)胞分泌。在體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Sclerostin抑制成骨細(xì)胞的分化和功能，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡[19]；在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Sclerostin過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致骨結(jié)構(gòu)紊亂、骨皮質(zhì)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(jié)合[21]。但Winkler等[22]對(duì)大鼠骨肉瘤細(xì)胞系的研究卻發(fā)現(xiàn)，Sclerostin能與noggin結(jié)合形成具有高親和力的復(fù)合物，從而互相抵消兩者抑制BMPs活動(dòng)的作用，這提示在調(diào)節(jié)BMPs的活性上，BMPs拮抗劑之間也存在著精密的調(diào)節(jié)機(jī)制。除了與BMPs結(jié)合以外，Sclerostin還與Wnt的共同受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP，lowdensity lipoprotein receptor related protein)-5，-6有很高的親和力，從而來(lái)抑制Wnt的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]。因此,Sclerostin可通過(guò)調(diào)控兩條獨(dú)立的信號(hào)傳導(dǎo)通路來(lái)抑制骨沉積。

Dan(Differential screening-selected gene aberrative in neuroblastoma),又稱(chēng)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(gè)物種的胚胎和成人的組織中表達(dá)。已證實(shí)Dan可與BMPs結(jié)合并抑制它們的信號(hào)傳導(dǎo)活動(dòng)[24]。

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

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(jié)合，來(lái)作為Wnt信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)劑[27]。在慢性腎病的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)，USAG-1與腎臟纖維化的進(jìn)展有關(guān)[26]。

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

3 結(jié) 論

BMPs具有異位成骨能力，能刺激間充質(zhì)干細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化。在成骨細(xì)胞中，BMPs的激動(dòng)劑和拮抗劑之間存在著一種精確的平衡，以調(diào)控BMP信號(hào)傳導(dǎo)和骨的形成。認(rèn)識(shí)BMPs的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制，有利于臨床上應(yīng)用基因治療等先進(jìn)技術(shù)來(lái)抑制拮抗劑的表達(dá)，從而促進(jìn)骨、軟骨的形成，以達(dá)到治療目的，有很高的應(yīng)用前景。

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