骨形態(tài)發(fā)生蛋白7在慢性腎臟疾病纖維化中作用研究進展

劉道勤(綜述)，張道友(審校)

(皖南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院腎臟內(nèi)科，安徽 蕪湖 241001)

?

骨形態(tài)發(fā)生蛋白7在慢性腎臟疾病纖維化中作用研究進展

劉道勤△(綜述)，張道友※(審校)

(皖南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院腎臟內(nèi)科，安徽 蕪湖 241001)

摘要：骨形態(tài)發(fā)生蛋白7(BMP-7)是一個對腎臟有保護作用的細胞因子，具有維持腎臟組織結(jié)構和功能的重要作用。作為轉(zhuǎn)化生長因子β1的拮抗劑，BMP-7是體內(nèi)一種強有力的抗纖維化因子，能抑制或逆轉(zhuǎn)腎纖維化，改善腎功能。該文就近年BMP-7在慢性腎臟病纖維化中的作用及機制進行綜述，期待BMP-7今后在治療慢性腎臟病纖維化中開辟新的途徑。

關鍵詞：骨形成蛋白7；慢性腎臟疾病；腎纖維化

骨形態(tài)發(fā)生蛋白7(bone morphogenetic protein-7，BMP-7)，又稱為骨發(fā)生蛋白1，在1990年由英國劍橋大學Celeste等[1]篩選出的一種蛋白。BMP-7是骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族(BMPs)中的一員，屬于轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)超家族，主要表達在腎、骨組織中，尤其在成年動物腎臟組織腎小管中高表達。近年來，BMP-7與腎臟之間的關系越來越受到科研人員的關注。腎纖維化是慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)進展至終末期腎病(end stage renal disease，ESRD)的重要因素，且纖維化的程度與疾病的進展和預后有密切聯(lián)系。研究表明，BMP-7是一個對腎臟有保護作用的重要因子，具有維持腎臟組織結(jié)構和功能的重要作用[2]，作為TGF-β1的抑制因子，其還具有抗腎纖維化作用?，F(xiàn)就近年BMP-7在CKD纖維化中的作用及機制研究進展予以綜述。

1BMP-7的分子結(jié)構及表達特點

在人類，BMP-7基因位于第2號染色體，BMP-7的編碼cDNA全長1293 bp，轉(zhuǎn)錄后翻譯成431個氨基酸組成的BMP-7 前體蛋白，由N端信號肽、前體肽和C端成熟肽三部分組成。在蛋白水解酶的作用下，此前體蛋白翻譯分泌后可在體內(nèi)被剪切加工為成熟二聚體分子BMP-7蛋白，含139個氨基酸[3]。成熟的BMP-7分子釋放到細胞外與靶細胞表面的受體結(jié)合而發(fā)揮作用。在胚胎期，BMP-7表達廣泛，且與腎臟、眼睛、四肢和心血管的發(fā)育密切相關。研究表明，剔除BMP-7基因的小鼠腎臟發(fā)育不良，尤其是輸尿管芽及后腎間充質(zhì)細胞聚集、上皮分化受損，小鼠出生后不久死亡[4]。BMP-7蛋白在成年人主要高表達在腎臟、軟骨和骨中，在維持腎臟和骨骼正常生理功能以及修復和再生過程中發(fā)揮重要作用。BMP-7蛋白在腎臟的表達分布廣泛，其中以髓質(zhì)腎小管表達特別豐富。在遠曲小管、集合管表達較為豐富，而近曲小管的表達較少。BMP-7在腎小球內(nèi)主要表達在腎小球毛細血管周圍[5]。

2BMP-7的受體及信號途徑

BMP-7受體是一種膜結(jié)合蛋白受體，分為絲/蘇氨酸蛋白激酶受體Ⅰ型和Ⅱ型[6]，兩型受體均屬于TGF-β受體超家族成員，為BMP-7信號轉(zhuǎn)導所必需，通過BMP-7/Smads信號通路來發(fā)揮其作用。Ⅰ型受體的一個獨特之處在跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)之間含有特征性的保守序列。該保守序列決定了Ⅰ型受體信號轉(zhuǎn)導的特異性。BMP-7分子可以結(jié)合幾種不同的Ⅰ型受體發(fā)揮不同的生物學效應。Ⅱ型受體是結(jié)構活性型受體，先與BMP-7分子結(jié)合后發(fā)生自身磷酸化而被激活，再進一步激活Ⅰ型受體發(fā)生磷酸化，形成受體復合物，進而作用于下游受體型激活型Smad(R-Smads)，主要為Smad-1、Smad-5、Smad-8。R-Smads激活后與公共型Smads(Co-Smads)，主要為Smad-4，形成復合體，共同轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi)，向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)錄活化信號啟動特定的基因轉(zhuǎn)錄，進而發(fā)揮生物效應[7]。

3BMP-7與CKD纖維化的關系

3.1CKD纖維化腎間質(zhì)纖維化是各種CKD進展到ESRD的共同病理過程，包括腎小球硬化與腎間質(zhì)纖維化。在各種致病因子,如炎癥、損傷等持續(xù)作用下，間質(zhì)細胞及細胞間質(zhì)成分廣泛增生，而組織內(nèi)實質(zhì)細胞不斷地喪失最終導致功能喪失。腎臟纖維化程度是反映腎功能下降嚴重程度和判斷預后重要指標，在各種CKD的轉(zhuǎn)歸中起主導作用。

腎纖維化的發(fā)病機制目前尚不十分清楚，但已有研究表明多種細胞因子參與腎臟纖維化過程，其中以TGF-β1最為重要。研究表明，TGF-β1在腎間質(zhì)的高表達是致纖維化形成的中心環(huán)節(jié)。TGF-β1通過TGF-β1/Smads信號通路調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[7-9]。TGF-β1與其受體結(jié)合后，首先激活受體的絲氨酸/蘇氨酸激酶，隨后Smad2、Smad3蛋白被磷酸化，活化后的Smad2、Smad3結(jié)合Smad4蛋白，進而形成有活性的轉(zhuǎn)錄復合物進入細胞核內(nèi)，調(diào)節(jié)相關基因的轉(zhuǎn)錄。一方面，基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物直接刺激成纖維細胞大量合成細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)，如Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型膠原、纖維連接蛋白及蛋白多糖等；另一方面，抑制多種ECM降解酶，如基質(zhì)金屬蛋白酶、纖溶酶原激活物等活性，從而抑制ECM降解。最終導致正常組織破壞加重，腎小球硬化、小管間質(zhì)纖維化及腎衰竭。

3.2BMP-7的抗腎臟疾病纖維化作用BMP-7是一種有效的腎臟保護因子，作為腎臟纖維化的負性調(diào)控因子，與腎小球和腎間質(zhì)纖維化關系密切。近年來，BMP-7的相關研究在多種腎臟疾病模型的動物實驗中取得了良好的療效，BMP-7能通過多種方式抑制或逆轉(zhuǎn)腎小管間質(zhì)纖維化。在單側(cè)輸尿管梗阻大鼠模型[10]、狼瘡性腎炎模型[11]、糖尿病腎病大鼠模型[12]等多種急性和慢性腎損傷的動物模型中，均發(fā)現(xiàn)BMP-7表達減少或消失。BMP-7表達水平的下降可能參與了糖尿病腎病早期腎小管間質(zhì)的損傷。給予重組人BMP-7進行治療，降低了Ⅰ型膠原和纖維連接蛋白的表達，使基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)表達增加，可以明顯抑制腎臟纖維化的進展，改善腎功能。

3.3BMP-7的抗腎臟疾病纖維化的機制作為纖維化的負性調(diào)節(jié)因子，BMP-7抗腎臟疾病纖維化的機制有多種，主要有：①影響TGF-β1/Smads信號轉(zhuǎn)導通路；②維持上皮細胞表型和逆轉(zhuǎn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化；③增加MMP的表達，從而促進ECM的降解；④減少多種促炎性因子表達，對腎間質(zhì)纖維化起到預防及逆轉(zhuǎn)作用，對腎臟實質(zhì)細胞起保護作用，避免慢性腎衰竭發(fā)生。

3.3.1影響TGF-β1/Smads信號轉(zhuǎn)導通路BMP-7和TGF-β1由于有類似的信號轉(zhuǎn)導通路，在腎臟纖維化過程中共同調(diào)節(jié)纖維化的發(fā)生、發(fā)展[13-14]。動物實驗研究表明，BMP-7 蛋白可抑制由 TGF-β1引起的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型膠原、纖維連接素等ECM蛋白的升高，主要機制為BMP-7抑制了Smad2/3依賴的TGF-β1信號途徑。研究發(fā)現(xiàn)BMP-7 可促使近端小管上皮細胞外信號調(diào)節(jié)激酶迅速磷酸化，進而抑制Smad2、Smad3的核內(nèi)轉(zhuǎn)位阻斷 TGF-β1/Smads信號途徑。其次，BMP-7 可使近端小管上皮Smad6表達增加，而 Smad6 對TGF-β1/Smads 信號途徑也有抑制作用。關于腎纖維化過程中BMP-7影響TGF-β1/Smads 信號轉(zhuǎn)導通路的機制仍不十分明確，進一步明確BMP-7對TGF-β1/Smads信號途徑的影響，可為抑制腎纖維化提供新途徑。

除了影響TGF-β1/Smads信號通路外，BMP-7還與TGF-β1因子存在互逆作用，可多方面拮抗和抵消TGF-β1作用。對單側(cè)輸尿管梗阻動物模型的研究證實，BMP-7具有拮抗TGF-β1的作用。TGF-β1在單側(cè)輸尿管梗阻動物模型的表達上調(diào)，而應用BMP-7治療后，TGF-β1的mRNA表達明顯下降[15]。

3.3.2維持上皮細胞表型和逆轉(zhuǎn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化上皮細胞表型的缺失或損傷，可引起腎小管上皮細胞向成纖維母細胞轉(zhuǎn)化，進而引起ECM的積聚增多[16]。BMP-7可上調(diào)上皮細胞表型標志物的表達，恢復和維持損傷和缺失的腎臟小管上皮細胞表型，進而抑制和逆轉(zhuǎn)上皮細胞能轉(zhuǎn)分化為間充質(zhì)，發(fā)揮抗纖維化作用。BMP-7還可直接通過抵消或阻礙TGF-β1/Smads信號途徑，抑制或逆轉(zhuǎn)上皮細胞分化為間充質(zhì)細胞，發(fā)揮抗纖維化作用[15]。

3.3.3促進ECM的降解系膜細胞分泌的MMP-2是一種重要的MMP，是ECM 的降解過程中的關鍵因子。TGF-β1因子可促使MMP-2表達減少及活性下降。BMP-7 通過抑制TGF-β1誘導的纖溶酶原活化抑制因子1的表達，增加 MMP-2 的表達及活性。MMP-2活性的維持促進ECM降解，減輕腎纖維化[17]。

3.3.4減少促炎性因子表達炎癥是腎纖維化過程中的常見現(xiàn)象。在動物炎癥腎臟病模型中，BMP-7 可減輕巨噬細胞浸潤和組織損傷。BMP-7可明顯減少腫瘤壞死因子α刺激人小管上皮細胞產(chǎn)生的多種促炎性因子表達，如白細胞介素6、 白細胞介素1、白細胞介素8、內(nèi)皮素等mRNA的表達，對近曲小管細胞具有抗炎癥和細胞保護作用。

3.4BMP-7與糖尿病腎病纖維化近年來糖尿病發(fā)病率逐年上升，糖尿病腎病是糖尿病嚴重的微血管并發(fā)癥之一，其病理特征為腎小球肥大、腎小球基膜增厚，ECM聚集，腎小球硬化及間質(zhì)纖維化，已經(jīng)成為ESRD死亡的主要病因。

BMP-7能拮抗TGF-β1和結(jié)締組織生長因子的致腎纖維化作用，阻止或延緩糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展[18]。動物實驗研究表明，BMP-7能逆轉(zhuǎn)糖尿病腎病造成的腎臟肥大，改善腎小球濾過率，減少足細胞的丟失。它可以阻斷TGF-β1對腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化的促進作用，從而可防治腎間質(zhì)纖維化，延緩糖尿病腎病的進展。Wang等[19]通過注射單劑量鏈霉佐素誘導糖尿病大鼠模型，并給予糖尿大鼠注射不同濃度的BMP-7，與依那普利治療組做比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BMP-7可逆轉(zhuǎn)腎臟肥大，效果優(yōu)于依那普利，并能有效地阻止腎小球硬化，恢復腎小球濾過率，減少尿白蛋白排泄，恢復組織結(jié)構。

由于BMP -7和TGF-β1與糖尿病腎病的發(fā)生關系密切，研究表明在糖尿病腎病患者外周循環(huán)TGF-β1的水平明顯上調(diào)，而BMP-7的水平明顯下調(diào)。因此，BMP-7和TGF-β1可能成為新的糖尿病患者腎臟損傷標志物，用于判斷疾病的進展[20]。

4小結(jié)

BMP-7與腎臟纖維化關系密切，是機體一種具有抗腎纖維化作用的重要細胞因子。BMP-7在CKD中可以通過 BMP-7/Smads/TGF-β1細胞間信號通路與TGF-β1相互作用、相互調(diào)節(jié)，進而阻止TGF-β1致腎纖維化作用。BMP-7還可以逆轉(zhuǎn)腎小管上皮細胞間質(zhì)化和細胞凋亡，保持上皮細胞表型，促進ECM降解及抗炎作用來拮抗腎臟纖維化。今后能否將BMP-7/Smads/TGF-β1通路作為藥物治療慢性進展性腎病新的靶點，抑制腎纖維化的發(fā)生，還有待進一步廣泛和深入的研究，期待BMP-7在治療CKD纖維化中開辟新的途徑。

參考文獻

[1]Celeste AJ,Iannazzi JA,Taylor RC,etal.Identification of transforming growth factor beta family members present in bone-inductive protein purified from bovine bone[J].Proc Natl Acad Sci,1990,87(24):9843-9847.

[2]Tomita M,Asada M,Asada N,etal.Bmp7 maintains undifferentiated kidney progenitor population and determines nephron numbers at birth[J].PLoS One,2013,8(8):e73554.

[3]Griffith DL,Keck PC,Sampath TK,etal.Three-dimensional structure of recombinant human osteogenic protein 1:structural paradigm for the transforming growth factor beta superfamily[J].Proc Natl Acad Sci,1996,93(2):878-883.

[4]Dudley AT,Lyons KM,Robertson EJ.A requirement for bone morphogenetic protein-7 during development of the mammalian kidney and eye[J].Genes Dev,1995,9(22):2795-2807.

[5]Cunko VF,Kes P,Jukic NB.Expression of bone morphogenetic proteins in kidneys[J].Acta Med Croatica,2012,66(3):207-213.

[6]Gleason RJ,Akintobi AM,Grant BD,etal.BMP signaling requires retromer-dependent recycling of the type I receptor[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2014,111(7):2578-2583.

[7]Meng XM,Chung AC,Lan HY.Role of the TGF-β/BMP-7/Smad pathways in renal diseases[J].Clin Sci,2013,124(4):243-254.

[8]Lan HY,Chung AC.TGF-β/Smad signaling in kidney disease[J].Semin Nephrol,2012,32(3):236-243.

[9]Lan HY.Diverse roles of TGF-β/Smads in renal fibrosis and inflammation[J].Int J Biol Sci,2011,7(7):1056-1067.

[10]Tasanarong A,Kongkham S,Khositseth S.Dual inhibiting senescence and epithelial-to-mesenchymal transition by erythropoietin preserve tubular epithelial cell regeneration and ameliorate renal fibrosis in unilateral ureteral obstruction[J].Biomed Res Int,2013,2013:308130.

[11]Zeisberg M,Bottiglio C,Kumar N，etal.Bone morphogenic protein-7 inhibits progression of chronic renal fibrosis associated with two genetic mouse models[J].Am J Physiol Renal Physiol,2003,285(6):F1060-1067.

[12]Qu Y,Du E,Zhang Y,etal.Changes in the expression of bone morphogenetic protein 7 and tamm- horsfall protein in the early stages of diabetic nephropathy[J].Nephrourol Mon,2012,4(2):466-469.

[13]Weiskirchen R,Meurer SK.BMP-7 counteracting TGF-beta1 activities in organ fibrosis[J].Front Biosci (Landmark Ed),2013,18:1407-1434.

[14]Zhong L,Wang X,Wang S,etal.The anti-fibrotic effect of bone morphogenic protein-7(BMP-7) on liver fibrosis[J].Int J Med Sci,2013，10(4):441-450.

[15]Zeng J,Dou Y,Guo J,etal.Paeoniflorin of Paeonia lactiflora prevents renal interstitial fibrosis induced by unilateral ureteral obstruction in mice[J].Phytomedicine,2013，20(8/9):753-759.

[16]張佩青，劉娜，王麗彥.BMP-7/Smads/TGF-β1信號轉(zhuǎn)導通路與腎間質(zhì)纖維化[J].醫(yī)學綜述,2008,14(1):13-15.

[17]Yang T,Chen SL,Lu XJ,etal.Bone morphogenetic protein 7 suppresses the progression of hepatic fibrosis and regulates the expression of gremlin and transforming growth factor β1[J].Mol Med Rep,2012,6(1):246-252.

[18]Xu Y,Wan J,Jiang D,etal.BMP-7 counteracts TGF-beta1-induced epithelial-to-mesenchymal transition in human renal proximal tubular epithelial cells[J].J Nephrol,2009,22(3):403-410.

[19]Wang S,Chen Q,Simon TC,etal.Bone morphogenic protein-7 (BMP-7),a novel therapy for diabetic nephropathy[J].Kidney Int,2003,63(6):2037-2049.

[20]Wong MG,Perkovic V,Woodward M,etal.Circulating bone morphogenetic protein-7 and transforming growth factor-β1are better predictors of renal end points in patients with type 2 diabetes mellitus[J].Kidney Int,2013，83(2):278-284.

Research Advances in the Role of Bone Morphogenetic Protein-7 in Fibrosis of Chronic Kidney DiseaseLIUDao-qin，ZHANGDao-you．(DepartmentofNephrology，theFirstAffiliatedHospitalofWannanMedicalCollege，Wuhu241001，China)

Abstract:In recent years,bone morphogenetic protein-7(BMP-7) has been found as a protective cytokine on the kidneys.BMP-7 plays an important role in maintaining the structure and function of the kidneys.As the antagonist of transforming growth factor-β1,BMP-7 is a potent in vivo anti-fibrotic factor to inhibit or reverse renal fibrosis and improve kidney function.Here is to make a review of the roles and mechanisms of BMP-7 in the fibrosis of chronic kidney disease，aiming at exploring new pathway in the treatment for fibrosis of chronic kidney disease.

Key words：Bone morphogenetic protein-7; Chronic kidney disease; Kidney fibrosis

收稿日期：2014-06-23修回日期：2014-09-04編輯：樓立理

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.016

中圖分類號:R692

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1579-03