骨形態(tài)發(fā)生蛋白2/7異源二聚體的研究進(jìn)展

高 濤 周陸陸 綜述 苗春雷 唐勝建 劉方軍 審校

骨形態(tài)發(fā)生蛋白2/7異源二聚體的研究進(jìn)展

高 濤 周陸陸 綜述 苗春雷 唐勝建 劉方軍 審校

骨形態(tài)發(fā)生蛋白2/7（BMP2/7）異源二聚體，較其同源二聚體具有更強的誘導(dǎo)成骨潛能，是目前組織工程骨研究的重要分支之一。本文介紹了異源二聚體BMP2/7誘導(dǎo)成骨的相關(guān)實驗，比較其與同源二聚體生物活性的差異，并對相關(guān)機制進(jìn)行綜述。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白異源二聚體骨組織工程成骨分化

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP），是一組二硫鍵連接的二聚體，屬于轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β超家族的一員，是促進(jìn)骨再生的重要因子。目前已發(fā)現(xiàn)的BMP有十幾種，其中BMP2、4、7的生物活性最高、成骨活性最強[1]。

BMP蛋白多以同源二聚體的形式存在，并發(fā)揮其誘導(dǎo)成骨的潛能。臨床實驗證明，BMP2、BMP7同源二聚體在誘導(dǎo)異位成骨、增進(jìn)脊柱融合、整合種植體周圍骨組織等方面有明顯作用。但BMP同聚體在臨床應(yīng)用的有效劑量非常高，患者經(jīng)濟負(fù)擔(dān)重，而且還有產(chǎn)生副作用的可能，如異位誘導(dǎo)成骨、刺激破骨細(xì)胞分化等[2]。研究發(fā)現(xiàn)，天然情況下也存在BMP2/ 7異源二聚體，并且異源二聚體的誘導(dǎo)成骨活性比重組hBMP高4～6倍以上[3]。BMPs活性與兩單體的同源性相關(guān)，兩單體擁有的基因和蛋白同源性越低，則形成的BMPs的骨誘導(dǎo)活性越強，理論上異源二聚體比同源二聚體的骨誘導(dǎo)活性更強[4]。同樣，Aono等[5]研究表明，BMP4/7異源二聚體也具有較強的誘導(dǎo)成骨潛能，據(jù)此推測體內(nèi)組織中可能有BMP異源二聚體的存在。目前的研究已證明，異源二聚體替代同源二聚體誘導(dǎo)成骨是可行的[6]。

1 異源二聚體BMP2/7的生物活性比較

在體外實驗中，以腺病毒AdBMP2、AdBMP4和AdBMP7單種、兩種或三種，同時轉(zhuǎn)染成纖維細(xì)胞C3H10Tl/2、骨髓基質(zhì)細(xì)胞ST2或成肌細(xì)胞C2C12，發(fā)現(xiàn)異源二聚體BMP2/7、BMP4/7以及BMP2/4/7組誘導(dǎo)的細(xì)胞ALP活性是單個基因表達(dá)的2～30倍，尤以C2C12細(xì)胞差異最為明顯[7]。Israel等[3]報道，BMP2/7與BMP2分別作用于小鼠基質(zhì)細(xì)胞W-20-17，發(fā)現(xiàn)在低濃度時BMP2/7誘導(dǎo)的堿性磷酸酶活性是BMP2的20倍，而兩者所能達(dá)到的最高ALP活性值并無顯著性差異。Koh等[8]利用腺病毒AdBMP2及AdBMP7基因共轉(zhuǎn)染小鼠BLK細(xì)胞以制備BMP2/7異源二聚體并作用于小鼠成肌細(xì)胞株C2C12，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BMP2/7異源二聚體比其同源二聚體具有更強的成骨活性，且比BMP2、BMP7或兩者的蛋白混合物更易促進(jìn)Smad1/5/8的磷酸化，從而表現(xiàn)出更強的生物學(xué)活性。

目前的研究多在實驗條件下，不能排除條件培養(yǎng)基中其他因素對細(xì)胞的影響，這些影響因子是否會影響異源二聚體BMP2/7的作用，則需要進(jìn)一步證實。

通過腺病毒介導(dǎo)BMP2、4、7基因共轉(zhuǎn)染小鼠胚胎成纖維細(xì)胞株，Zhao等發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)基因共轉(zhuǎn)染細(xì)胞株表現(xiàn)出較強的成骨活性，而Ad-BMP2/7共轉(zhuǎn)染細(xì)胞株移植到C57BL6小鼠皮下后表現(xiàn)出更多的新骨組織形成[9]。在種植體周圍骨缺損修復(fù)方面，低劑量的BMP2/7異源二聚體比同源二聚體誘導(dǎo)的再生骨質(zhì)量更好，修復(fù)也更快[10]。在大鼠脊柱融合實驗中，采用Ad-BMP2/7共轉(zhuǎn)染的方法，可以顯著增加大鼠脊椎融合率[11]，然而使用人源及馬源性BMSC作為效應(yīng)靶細(xì)胞時未發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，認(rèn)為可能是BMP2/7異源二聚體對人源及馬源性BMSC不敏感，即其誘導(dǎo)成骨活性存在種屬特異性所致[12]。在BMP2/7異源二聚體修復(fù)小鼠骨缺損的實驗中，發(fā)現(xiàn)異源二聚體BMP2/7修復(fù)骨缺損的能力明顯優(yōu)于同源二聚體BMP2及BMP7，且新骨形成量為同源二聚體成骨量的2倍左右，然而其組織切片中亦出現(xiàn)了成骨過量、骨結(jié)構(gòu)紊亂的現(xiàn)象，認(rèn)為與使用BMP2/7異源二聚體劑量過高有關(guān)。因此，在以后的研究中需要優(yōu)化BMP2/7的治療劑量[3]?；蛑委熾m然在一定程度上模擬了蛋白的生理效果，但BMPs的釋放量難以做到精確，過量的蛋白釋放勢必會造成不良后果，因而需要進(jìn)一步研究BMP2/7的起效濃度，以避免不良后果。

2 BMP2/7異源二聚體誘導(dǎo)成骨的機理

迄今為止，BMP2/7異源二聚體較其相應(yīng)同源二聚體具有更強誘導(dǎo)成骨活性的生物作用機理仍不完全清楚，極大地限制了其在骨組織工程中的應(yīng)用。BMP通過結(jié)合靶細(xì)胞表面激酶受體（即BMPⅠ型、Ⅱ型受體）而激活細(xì)胞內(nèi)傳統(tǒng)smad信號傳導(dǎo)通路以發(fā)揮其生物調(diào)控作用[13]，而依據(jù)BMP所作用的靶細(xì)胞系的不同，BMP受體亦可激活非Smad信號傳導(dǎo)，如激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶ERK、絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）p38、c-Jun氮末端激酶JNK等，而發(fā)揮誘導(dǎo)成骨作用[14]。Koh等[15]利用腺病毒AdBMP2及AdBMP7基因共轉(zhuǎn)染，以制備BMP2/7異源二聚體，并作用于小鼠成肌細(xì)胞株C2C12。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BMP2/7異源二聚體比其同源二聚體具有更強的誘導(dǎo)C2C12細(xì)胞成骨的活性，而且BMP2/7異源二聚體比BMP2、BMP7同源二聚體或二者的蛋白混合物更易于促進(jìn)Smad1/5/8的磷酸化，而表現(xiàn)出更強的生物學(xué)活性。但是，研究并未發(fā)現(xiàn)MAPK信號通路激活，據(jù)此認(rèn)為以C2C12細(xì)胞系作為靶細(xì)胞時，BMP2/7異源二聚體通過有效激活Smad信號傳導(dǎo)通路，以發(fā)揮其更強的誘導(dǎo)成骨能力。同時亦有研究發(fā)現(xiàn)，ALK-2與ALK-3/6共轉(zhuǎn)染C2C12細(xì)胞后表現(xiàn)出增強的堿性磷酸酶活性，且共轉(zhuǎn)染后激活并增強了受體下游信號傳導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄活性[16]。因此，BMP2/7異源二聚體有效激活Smad信號傳導(dǎo)通路可能與其結(jié)合BMP2以及BMP7各自受體的特性而誘導(dǎo)形成信號傳導(dǎo)能力增強的四聚體受體復(fù)合物有關(guān)[17]，使3種不同的BMPsⅠ型受體ALK-2、ALK-3、ALK-6同時激活而發(fā)揮更強的生物學(xué)活性。

另外，BMP2/7異源二聚體的生物活性增強，亦可能與其信號傳導(dǎo)抑制因子，如負(fù)顯性受體BAMBI、競爭性受體抑制劑Noggin、Gremlin等的表達(dá)，及其負(fù)反饋抑制BMPs信號通路的過度激活有關(guān)。有研究認(rèn)為，雖然BMP2和BMP2/7異源二聚體都能夠上調(diào)MC3T3.E1細(xì)胞中內(nèi)源性CIZ的轉(zhuǎn)錄水平，但BMP2明顯比BMP2/7異源二聚體的上調(diào)作用要強，據(jù)此認(rèn)為BMP2/7異源二聚體成骨活性較高可能與CIZ負(fù)反饋抑制成骨有著密切的關(guān)系[18]。以C2C12成肌細(xì)胞系作為靶細(xì)胞，Zhu等發(fā)現(xiàn)BMP2/7異源二聚體較BMP2、BMP7同源二聚體更能誘導(dǎo)明顯低表達(dá)的BMP受體抑制劑Noggin，且添加外源性Noggin并未影響B(tài)MP2/7異源二聚體誘導(dǎo)C2C12細(xì)胞時所表現(xiàn)出的增強的誘導(dǎo)成骨潛能[11]。

綜上所述，腺病毒Ad-BMP2及Ad-BMP7基因共轉(zhuǎn)染效應(yīng)靶細(xì)胞可形成BMP2/7異源二聚體，且其與BMP2、BMP7同源二聚體相比，具有更強的誘導(dǎo)成骨活性。然而，目前對其生物作用機理的研究尚不完善，且多局限于采用建系成骨細(xì)胞株作為研究靶細(xì)胞，而依據(jù)BMP蛋白所作用靶細(xì)胞系的不同，BMP2/7異源二聚體有著與BMP2、BMP7同源二聚體不同的信號激活方式，及對Noggin等負(fù)反饋抑制因素的不同調(diào)控與親和能力，從而發(fā)揮其增強的誘導(dǎo)成骨潛能。

3 展望

骨形態(tài)發(fā)生蛋白及其人工骨的研究和局部基因治療的進(jìn)展，為治療骨缺損提供了新途徑。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使靶細(xì)胞局部有效分泌骨誘導(dǎo)生長因子，以調(diào)控細(xì)胞的增殖活性和成骨能力，并與支架材料復(fù)合構(gòu)建成基因強化的組織工程人工骨，用以修復(fù)骨缺損，這樣既保持了移植物的成骨傳導(dǎo)作用，又提供了基因治療中的成骨誘導(dǎo)作用，從而增強骨生長修復(fù)的效果。應(yīng)用基因治療增加骨誘導(dǎo)細(xì)胞因子的局部分泌，以促進(jìn)骨修復(fù)，是目前骨組織工程研究領(lǐng)域的熱點，為組織工程骨的臨床應(yīng)用提供更加有效的新途徑。

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Research Progress of Bone Morphogenetic Protein 2/7 Heterodimer

GAO Tao,ZHOU Lulu,MIAO Chunlei,TANG Shengjian,LIU Fangjun.

Plastic Surgery Hospital,Weifang Medical University,Weifang 261000,China.Corresponding author:Liu Fangjun(E-mial:liufjmd@gmail.com).

【Summary】BMP2/7 heterodimer,a bone structure formation protein,has stronger osteogenesis inductive potential than its homodimer.So the study of BMP2/7 heterodimer has been one of the most important research directions in tissue engineering osteogenesis now.In this article,the osteo-inductive related experiments of BMP2/7 heterodimer were described,the differences of biological activity between heterodimer and homodimer were compared,and the mechanisms were overviewed.

Bone morphogenetic protein;Heterodimer;Bone tissue engineering;Osteogenic differentiation

O629.73

B

1673－0364（2014）06－0355－03

2014年6月25日；

2014年9月8日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.06.015

國家自然科學(xué)基金資助項目（81372091）。

261000山東省濰坊市濰坊醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院。

劉方軍（E-mial：liufjmd@gmail.com）。