骨形態(tài)發(fā)生蛋白與惡性腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

張麗杰，龍欣欣，任秀寶，李慧，魏楓，于津浦

(天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院，國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津市“腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市腫瘤免疫與生物治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300060)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)屬于轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)超家族，是一種具有多種功能的細(xì)胞外信號分子，通過調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，在細(xì)胞增殖、分化、凋亡等多種細(xì)胞活動中發(fā)揮調(diào)控作用。近年研究發(fā)現(xiàn)，BMPs與乳腺癌、前列腺癌、腎癌等多種惡性腫瘤的生長、侵襲、轉(zhuǎn)移等有密切關(guān)系。本文結(jié)合文獻(xiàn)就BMPs與惡性腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 BMPs的結(jié)構(gòu)及功能

BMPs是一種分泌型糖蛋白，由50～100個含有N-端信號域、前端功能域和C-端成熟肽的氨基酸前體合成，經(jīng)過糖基化修飾及蛋白水解酶作用產(chǎn)生成熟的BMPs，繼而以二聚體形式發(fā)揮信號傳遞功能。目前，已發(fā)現(xiàn)的BMPs家族成員有20余種，除BMP-1外，都屬于TGF-β超家族。根據(jù)氨基酸序列和功能的不同分為四種亞型，即BMP-2/4亞型、BMP-5/6/7/8亞型、BMP-9/10亞型和生長分化因子(GDF)-5/6/7亞型。前三種亞型的大部分蛋白在體內(nèi)誘導(dǎo)骨和軟骨的形成，而GDF-5/6/7誘導(dǎo)軟骨和肌腱樣組織的生成。BMPs最初因能誘導(dǎo)異位骨、軟骨的生成而得名，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)BMPs在牙齒、腎、皮膚、肌肉、神經(jīng)等多種細(xì)胞和組織中廣泛分布，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡等多種生物學(xué)功能。近年研究發(fā)現(xiàn)，BMPs在惡性腫瘤的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移等進(jìn)程中亦有重要作用。

2 與BMPs相關(guān)的信號通路

BMPs二聚體通過與細(xì)胞膜上的跨膜絲/蘇氨酸受體結(jié)合介導(dǎo)信號傳導(dǎo)。BMPs的受體存在于人體的不同組織和細(xì)胞中，包括Ⅰ型受體和Ⅱ型受體。其中，Ⅰ型受體由激活素受體樣激酶(ALK)1～7組成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能分為3個亞型:BMPR-I亞型(包 括 BMPR-Ⅰ a、BMPR-Ⅰ b，又 稱 ALK3 和ALK6)、ALK-1 亞型(包括 ALK1、ALK2)以及 TβR-Ⅰ亞型(包括 ALK4、ALK5、ALK7)。BMPR-Ⅰ亞型和 ALK-1亞型主要激活 Smad1、Smad5、Smad8，而TβR-Ⅰ亞型則主要激活 Smad2、Smad3。Ⅱ型受體包括BMPR-Ⅱ、ActR-Ⅱ和 ActR-Ⅱb三種亞型。Ⅱ型受體可與大部分BMPs結(jié)合，并影響Ⅰ型受體與BMPs的結(jié)合，如 BMP-2、BMP-4主要與 BMPR-Ⅰa和 BMPR-Ⅰb結(jié)合，BMP-6、BMP-7則有先結(jié)合ALK2，GDF-5 主要結(jié)合 BMPR-Ⅰb 等［1］。

BMPs信號通路傳遞的基本過程:細(xì)胞外的BMPs首先與膜表面的BMPs受體復(fù)合物特異性結(jié)合，激活Ⅱ型受體，并磷酸化下游的Ⅰ型受體。磷酸化的Ⅰ型受體被激活后，會募集并磷酸化特異的效應(yīng)蛋白，即 R-SMAD蛋白(包括 Smad1、Smad5、Smad8);磷酸化的 Smad1、Smad5、Smad8 從膜受體脫落，隨后與 Co-SMAD(即 Smad4)在細(xì)胞質(zhì)中結(jié)合，最后進(jìn)入細(xì)胞核，在細(xì)胞核內(nèi)與特異的復(fù)合物結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄［2］。除上述經(jīng)典的Smad通路外，活化的BMPR-Ⅰa復(fù)合物也可激活下游的其他信號通路，如 Erk、p38MAPK、JNK和 NF-κB通路。這些通路的激活是通過BRAM1或XIAP，以及下游的信號分子TAK1和TAB1與BMPR-Ⅰa相互作用完成的。BRAM1直接連接到BMPR-Ⅰa的胞質(zhì)尾端，并與TAB1結(jié)合，而 XIAP則由BMPR-Ⅰa募集并與TAB1-TAK1復(fù)合物結(jié)合，隨后激活TAK1下游的 p38MAPK、JNK 和 NF-κB。BMPs也能單獨(dú)激活Erk、PI3K、PKA、PKC和PKD通路，但機(jī)制尚不明確［3］。

3 BMPs與惡性腫瘤的關(guān)系

3.1 BMPs與腫瘤細(xì)胞生長和增殖 BMPs對腫瘤細(xì)胞生長和增殖的影響具有雙向性。一方面，BMPs可通過不同途徑抑制腫瘤細(xì)胞的生長和增殖。Zheng等［4］研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2可通過下調(diào) PI3K/Akt通路抑制肝細(xì)胞癌的生長;Zhang等［5］也發(fā)現(xiàn)，BMP-2可抑制結(jié)直腸癌HCT116細(xì)胞的生長、增殖和集落形成。另外，Li等［6］通過腺病毒轉(zhuǎn)染模型證實(shí)，BMP-9的過表達(dá)可下調(diào)PI3K/Akt通路，進(jìn)而抑制骨肉瘤細(xì)胞的生長和增殖。另一方面，有學(xué)者認(rèn)為BMPs對腫瘤細(xì)胞生長和增殖具有促進(jìn)作用。如有學(xué)者報道，由pSmad5轉(zhuǎn)位調(diào)節(jié)的BMP-2通路可促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞的增殖，而卵巢癌細(xì)胞可獲得自分泌的BMP-9，并通過ALK-2/Smad1/Smad4促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖［7］。

3.2 BMPs與腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移 在惡性腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移進(jìn)程中，BMPs扮演了重要角色。大量研究顯示，BMPs可通過不同機(jī)制促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。如有研究指出，在軟骨肉瘤中BMP-7通過激活c-Src/PI3K/Akt/IKK/NF-κB信號通路增強(qiáng)腫瘤的轉(zhuǎn)移［8］;Kang 等［9］也證實(shí)，BMP-2 通過激活PI3K/Akt或MAPK通路及誘導(dǎo)NF-κB、MMP-9的激活，促進(jìn)胃癌的轉(zhuǎn)移;Lee等［10］亦發(fā)現(xiàn)，BMP-4通過誘導(dǎo)骨生成的方式促進(jìn)前列腺癌的骨轉(zhuǎn)移。

上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是胚胎形成中的關(guān)鍵程序。在EMT過程中，上皮細(xì)胞會失去原有的特征，包括喪失細(xì)胞與細(xì)胞之間的連接及細(xì)胞頂點(diǎn)的極性，從而獲得可塑、侵襲、遷移及干細(xì)胞樣特征等相關(guān)間質(zhì)細(xì)胞的特性，繼而導(dǎo)致細(xì)胞的侵襲及轉(zhuǎn)移。目前，EMT已成為惡性腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的重要細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。BMP-2/BMPR軸可引起胃癌的EMT，進(jìn)而通過PI3K/Akt和MEK/Erk信號通路促進(jìn)胃癌的侵襲和轉(zhuǎn)移［11］;BMP-4、BMP-9可通過 EMT 促進(jìn)肝癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移;Lim等［12］研究發(fā)現(xiàn)，BMP-7通過PI3K和Erk信號通路的激活，引起PC-3前列腺癌細(xì)胞 EMT的形態(tài)改變。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，部分BMPs成員可抑制或逆轉(zhuǎn)EMT，從而抑制惡性腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。如在膽管癌中，BMP-7可阻斷TGF-β 誘導(dǎo)的 EMT［13］;在黑色素瘤細(xì)胞中，BMP-7 可誘導(dǎo)間質(zhì)上皮轉(zhuǎn)化，從而抑制黑色素瘤的骨轉(zhuǎn)移［14］。

除了逆轉(zhuǎn)EMT外，BMPs亦可通過其他方式抑制腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。在人腎癌干細(xì)胞中，BMP-2可抑制腫瘤細(xì)胞的浸潤能力，并能誘導(dǎo)骨的生成［15］;BMP-4可通過阻斷髓系來源抑制細(xì)胞的活性而抑制乳腺癌的轉(zhuǎn)移［16］;BMP-9通過下調(diào)CCN2的表達(dá)抑制乳腺癌的骨轉(zhuǎn)移［17］。

3.3 BMPs對腫瘤復(fù)發(fā)和休眠的作用 惡性腫瘤的休眠和復(fù)發(fā)是影響患者預(yù)后不良的關(guān)鍵因素之一。有研究報道，由骨基質(zhì)細(xì)胞分泌的BMP-7通過激活p38MAPK、增加細(xì)胞循環(huán)抑制劑p21及轉(zhuǎn)移抑制基因NDRG1的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)前列腺癌干細(xì)胞的衰老和休眠，而降低BMP-7的表達(dá)可逆轉(zhuǎn)腫瘤干細(xì)胞的衰老。表明BMP-7-BMPR2-p38-NDRG1軸在前列腺癌干細(xì)胞的休眠和復(fù)發(fā)中具有重要作用。此外，有研究也發(fā)現(xiàn)，低表達(dá)的BMP-2和BMP-7與膀胱癌的復(fù)發(fā)時間縮短有關(guān)，而高表達(dá)的BMP-2和BMP-7則延長膀胱癌患者的復(fù)發(fā)時間［18］。

4 BMPs的臨床應(yīng)用與靶向治療

目前，BMPs已作為一種新的生物標(biāo)記物用于評估腫瘤患者的預(yù)后。有研究指出，血清中BMP-2水平的上調(diào)與晚期非小細(xì)胞肺癌患者的臨床分期和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)，被認(rèn)為是患者預(yù)后不良的獨(dú)立危險因素［19］;BMP-4也被發(fā)現(xiàn)與患者不良預(yù)后相關(guān)，是預(yù)測肝癌患者術(shù)后復(fù)發(fā)的一項(xiàng)指標(biāo)［20］;BMP-7的高表達(dá)與腫瘤大小、分期、組織分化、血清AFP等密切相關(guān)，是評估肝癌患者預(yù)后的重要標(biāo)志［21］。

近年來，針對BMPs的靶向治療成為研究的熱點(diǎn)，已有部分BMPs的靶向治療應(yīng)用于骨科、口腔科，但在惡性腫瘤中的應(yīng)用目前相對較少，可能與BMPs亞型較多及其促癌和抑癌的雙重角色有關(guān)。但BMPs的靶向治療在惡性腫瘤治療中的前景依然光明，如在肝癌中BMP-7被發(fā)現(xiàn)可作為抗血管治療的重要靶點(diǎn);黃連素被發(fā)現(xiàn)可通過抑制TGF-β相關(guān)信號分子(如BMP-7、NODAL等)的轉(zhuǎn)錄而抑制前列腺癌的侵襲和轉(zhuǎn)移［22］;Coleusin因子作為一種新型的抗癌復(fù)合物，可通過誘導(dǎo)BMP-2依賴的分化方式抑制骨肉瘤的生長［23］。近年研究還發(fā)現(xiàn)，BMPs重組體也可用于惡性腫瘤的治療，如在口腔鱗癌中應(yīng)用重組體BMP-7可發(fā)揮抗癌作用［24］。除了針對BMPs，阻斷BMPR同樣具有治療效果。有文獻(xiàn)報道，ALK1是抗血管治療的靶點(diǎn)，ALK1中和抗體及可溶的 ALK1胞外區(qū)/Fc-融合蛋白可有效阻斷ALK1 通路，發(fā)揮抗癌作用［25］。另外，Son 等［26］研究發(fā)現(xiàn)了一種新的ALK5小分子抑制劑EW-7197，可抑制Smad/TGF-β通路及細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移和EMT，并增強(qiáng)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞的活性，可能作為一種新的抗癌治療手段而應(yīng)用于臨床。

綜上所述，BMPs在惡性腫瘤的演進(jìn)中具有重要作用，有望成為一種重要的生物標(biāo)志物，為臨床判斷腫瘤的惡性程度及評估患者的預(yù)后提供借鑒及參考。

［1］Miyazono K，Kamiya Y，Morikawa M.Bone morphogenetic protein receptors and signal transduction［J］.J Biochem，2010，147(1):35-51.

［2］Holien T，Sundan A.The role of bone morphogenetic proteins in myeloma cell survival［J］.Cytokine Growth Factor Rev，2014，25(3):343-350.

［3］Bragdon B，Moseychuk O，Saldanha S，et al.Bone morphogenetic proteins:a critical review［J］.Cell Signal，2011，23(4):609-620.

［4］Zheng Y，Wang X，Wang H，et al.Bone morphogenetic protein 2 inhibits hepatocellular carcinoma growth and migration through downregulation of the PI3K/AKT pathway［J］.Tumor Biology，2014，35(6):5189-5198.

［5］Zhang Y，Chen X，Qiao M，et al.Bone morphogenetic protein 2 inhibits the proliferation and growth of human colorectal cancer cells［J］.Oncol Rep，2014，32(3):1013-1020.

［6］Li B，Yang Y，Jiang S，et al.Adenovirus-mediated overexpression of BMP-9 inhibits human osteosarcoma cell growth and migration through downregulation of the PI3K/AKT pathway［J］.Int J Oncol，2012，41(5):1809-1819.

［7］Herrera B，van Dinther M，Ten Dijke P，et al.Autocrine bone morphogenetic protein-9 signals through activin receptor-like kinase-2/Smad1/Smad4 to promote ovarian cancer cell proliferation［J］.Cancer Res，2009，69(24):9254-9262.

［8］Chen JC，Yang ST，Lin CY，et al.BMP-7 enhances cell migration and alphavbeta3 integrin expression via a c-Src-dependent pathway in human chondrosarcomacells［J］. PLoS One， 2014，9(11):e112636.

［9］Kang MH，Oh SC，Lee HJ，et al.Metastatic function of BMP-2 in gastric cancer cells:the role of PI3K/AKT，MAPK，the NF-κB pathway，and MMP-9 expression［J］.Exp Cell Res，2011，317(12):1746-1762.

［10］ Lee YC，Cheng CJ，Bilen MA，et al.BMP4 promotes prostate tumor growth in bone through osteogenesis［J］.Cancer Res，2011，71(15):5194-5203.

［11］Liao A，Wang W，Sun D，et al.Bone morphogenetic protein 2 mediates epithelial-mesenchymal transition via AKT and ERK signaling pathways in gastric cancer［J］.Tumor Biol，2015，36(4):2773-2778.

［12］ Lim M，Chuong CM，Roy-Burman P.PI3K，Erk signaling in BMP7-induced epithelial-mesenchymal transition(EMT)of PC-3 prostate cancer cells in 2-and 3-dimensional cultures［J］.Horm Cancer，2011，2(5):298-309.

［13］Duangkumpha K，Techasen A，Loilome W，et al.BMP-7 blocks the effects of TGF-β-induced EMT in cholangiocarcinoma［J］.Tumor Biol，2014，35(10):9667-9676.

［14］Na Y，Seok SH，Kim DJ，et al.Bone morphogenetic protein 7 induces mesenchymal-to-epithelial transition in melanoma cells，leading to inhibition of metastasis［J］.Cancer Sci，2009，100(11):2218-2225.

［15］Wang L，Park P，La Marca F，et al.BMP-2 inhibits tumor-initiating ability in human renal cancer stem cells and induces bone formation［J］.J Cancer Res Clin Oncol，2015，141(6):1013-1024.

［16］Cao Y，Slaney CY，Bidwell BN，et al.BMP4 inhibits breast cancer metastasis by blocking myeloid-derived suppressor cell activity［J］.Cancer Res，2014，74(18):5091-5102.

［17］Ren W，Sun X，Wang K，et al.BMP9 inhibits the bone metastasis of breast cancer cells by downregulating CCN2(connective tissue growth factor，CTGF)expression［J］.Mol Biol Rep，2014，41(3):1373-1383.

［18］Kuzaka B，Janiak M，Wlodarski KH，et al.Expression of bone morphogenetic protein-2 and-7 in urinary bladder cancer predicts time to tumor recurrence［J］.Arch Med Sci，2015，11(2):378-384.

［19］Fei ZH，Yao CY，Yang XL，et al.Serum BMP-2 up-regulation as an indicator of poor survival in advanced non-small cell lung cancer patients［J］.Asian Pac J Cancer Prev，2013，14(9):5293-5299.

［20］Guo X，Xiong L，Zou L，et al.Upregulation of bone morphogenetic protein 4 is associated with poor prognosis in patients with hepatocellular carcinoma［J］.Pathol Oncol Res，2012，18(3):635-640.

［21］Li W，Cai HX，Ge XM，et al.Prognostic significance of BMP7 as an oncogene in hepatocellular carcinoma［J］.Tumor Biol，2013，34(2):669-674.

［22］Liu CH，Tang WC，Sia P，et al.Berberine inhibits the metastatic ability of prostate cancer cells by suppressing epithelial-to-mesenchymal transition(EMT)-associated genes with predictive and prognostic relevance［J］.Int J Med Sci，2015，12(1):63-71.

［23］Geng S，Sun B，Lu R，et al.Coleusin factor，a novel anticancer diterpenoid，inhibits osteosarcoma growth by inducing bone morphogenetic protein-2-dependent differentiation［J］.Mol Cancer T-her，2014，13(6):1431-1441.

［24］Lappin DF，Abu-Serriah M，Hunter KD.Effects of recombinant human bone morphogenetic protein 7(rhBMP-7)on the behaviour of oral squamous cell carcinoma:a preliminary in vitro study［J］.Br J Oral Maxillofac Surg，2015，53(2):158-163.

［25］Hawinkels LJ，Garcia de Vinuesa A，Ten Dijke P.Activin receptor-like kinase 1 as a target for anti-angiogenesis therapy［J］.Expert Opin Investig Drugs，2013，22(11):1371-1383.

［26］Son JY，Park SY，Kim SJ，et al.EW-7197，a novel ALK-5 kinase inhibitor，potently inhibits breast to lung metastasis［J］.Mol Cancer Ther，2014，13(7):1704-1716.