骨形態(tài)發(fā)生蛋白參與心血管疾病形成的機制探討

高安琪、于丹丹、張之然綜述，趙鵑審校

綜述

骨形態(tài)發(fā)生蛋白參與心血管疾病形成的機制探討

高安琪、于丹丹、張之然綜述，趙鵑審校

近年來，骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）參與心血管疾病形成的研究逐漸增多；不同的BMP分型在機體組織器官中的分布有著顯著性差異，主要通過信號傳導通路，誘導且參與血管動脈的粥樣硬化形成過程，可累及冠狀動脈、肺動脈、腎動脈等全身血管系統(tǒng)，從而引起動脈管腔狹窄、管壁硬化，甚至阻力升高、心臟擴大等等。因此，對BMP的深入研究將有望為臨床心血管疾病的防治提供一條新思路。

綜述；骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)類；心血管疾病

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）是轉化生長因子-β（TGF-β）超家族的成員之一, 最初被發(fā)現(xiàn)是由于其能夠誘導異位組織骨化和軟骨形成；然而，BMP的生物學作用不僅局限于骨的形成和發(fā)育,還參與了全身所有組織器官的形成和分化,包括心臟、血管、胃腸、呼吸、泌尿、生殖及神經(jīng)系統(tǒng)的胚胎發(fā)育、生長和分化等。2016年Morrell 等[1]提出:BMP及其受體是胚胎發(fā)育和器官形成的重要調(diào)節(jié)器，也是心血管結構和功能調(diào)控的關鍵之一。在本篇綜述中，我們將深入地闡述BMP與心血管疾病形成的相關性。

1 BMP的起源

1965年Urist等[2]觀察到：將脫鈣骨基質(zhì)植入大鼠或家兔的皮下或肌肉中能夠誘導相應組織向骨細胞分化，表明此脫鈣骨基質(zhì)中含有某種促進骨形成的活性物質(zhì)；而且從其提取物中分離得到了一種酸性蛋白質(zhì)，也能夠使未分化的間充質(zhì)定向分化為成骨細胞, 增加膠原的合成和骨組織的鈣化形成；因此，Urist等[2]將此種酸性蛋白質(zhì)命名為BMP。

2 BMP的結構與分類

BMP的前體是由一個信號蛋白和一個由100～125個氨基酸組成的羧基末端（C端）組成，經(jīng)過特定的剪切、修飾等等可轉化為成熟BMP蛋白質(zhì)；其中，大部分BMP的C端含有7個高度保守的半胱氨酸殘基，形成多個二硫鍵，2個或2個以上的多肽鏈再形成二聚體；這種典型的、局部二硫鍵結構，也被稱為半胱氨酸結。因此，成熟的BMP是由多個半胱氨酸結組成的同型或異型二聚體，再由細胞內(nèi)分泌到細胞間隙或血漿中，與靶細胞表面的相應受體結合，從而發(fā)揮生物學效應[3]。

目前,已證實的BMP家族成員有40多個,除BMP-1外,其他BMP成員均屬于TGF-β家族[4]。按照其同源性可將BMP分 為4組：(1）BMP-2和BMP-4；（2）BMP-5、BMP-6和 BMP-7；（3）BMP-12、BMP-13和 BMP-14；（4）BMP-3b和BMP-3。另外,外源性BMP的免疫原性較差,一般不引起免疫排斥反應,只有輕微的刺激能力[5，6]。

和TGF β家族的其他成員一樣，BMP主要通過與絲氨酸-蘇氨酸激酶受體結合，即Ⅰ型和Ⅱ型受體，兩者結合后組成異四聚體復合物；然而，與TGF β不同的是，BMP與Ⅱ型受體有更大的親和力?；贐MP受體的同源結構, BMP Ⅰ型受體細化為兩個亞組: BMP受體IA型（BMPR-IA）、BMP受體IB型（BMPR-IB）；Ⅱ型BMP家族的受體包括BMP-Ⅱ型受體(BMPR-II)、激活素ⅡA型受體(ACTR-ⅡA)和激活素ⅡB型受體(ACTR-ⅡB)。BMPR-Ⅱ 是選擇性蛋白,而ACTR-ⅡA和ACTR-ⅡB也可被活化素、生長分化因子和節(jié)點等活性因子激活。BMPR-Ⅱ和ACTR-ⅡA在間充質(zhì)細胞衍生的組織中均有廣泛地表達，其中，BMPR-Ⅱ在內(nèi)皮細胞層和血管內(nèi)膜層中也有較高水平的表達[7-10]。

3 BMP的生物學作用

BMP主要分布于骨皮質(zhì)、骨周圍組織及中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對骨的生長和分化起著“舉足輕重”的作用。BMP-2的信使核糖核酸（mRNA）可在骨組織和間充質(zhì)組織中表達，如肢芽、心臟和頜骨濾泡等；還與血管鈣化的關系最為密切，可能與氧化應激、炎癥反應和高血糖有關。BMP-3 mRNA在大部分組織中檢測不到，僅在大腦和肺組織中有少量表達；BMP-4的分子結構類似BMP-2，但其分布卻與BMP-2有著明顯的差異，它在心臟中的分布是肺臟和腎臟水平的2倍以上，因而，BMP-4對心臟的胚胎發(fā)育起著重要的作用；BMP-5和BMP-6 mRNA主要在肺組織表達；BMP-7 mRNA則在腎臟、膀胱和腎上腺等組織中表達；BMP-9通過間變性淋巴瘤激酶-1(ALK-1)介導的信號通路，調(diào)節(jié)成骨細胞的分化和血管平滑肌細胞的鈣化[11]。

BMP作為一種細胞分化和凋亡的有效調(diào)節(jié)因子，與相應受體結合后，再通過三條信號通路：（1）Smad信號通路；（2）p38促分裂原活化蛋白激酶（p38 MARK）信號通路；（3）Ras/ ERK信號通路，從而對細胞生物學功能進行正性或負性調(diào)節(jié)，來維持組織和器官的發(fā)育與修復。

4 BMP參與心血管疾病的形成

BMP活性升高與動脈血管的粥樣硬化和鈣化，以及炎癥反應密切相關；然而，BMP表達降低則加速肺動脈高壓（PAH）和遺傳性出血性毛細血管擴張癥的形成與進展[1]。BMP參與心臟和循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，對維持和發(fā)展心血管系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性起著重要的作用。

4.1 動脈粥樣硬化

BMP信號在內(nèi)皮細胞中通過脂蛋白來誘導活性氧（ROS）是動脈粥樣硬化所必需的一個關鍵過程[12]；BMP信號和ROS表達的增加可促使平滑肌細胞向成骨細胞轉化，從而促進后續(xù)血管的粥樣硬化的形成與發(fā)生。Derwall 等[13]證實：BMP在粥樣硬化和鈣化的動脈內(nèi)膜中表達增強；BMP與受體結合后，可通過激活的還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶-1，增加內(nèi)皮細胞ROS的產(chǎn)生，導致細胞間黏附分子-1（ICAM-1）、環(huán)氧化酶-2（COX-2）的誘導以及促炎癥的轉錄程序的啟動[14]。

BMP-4是一種促炎癥和促動脈粥樣硬化的細胞因子，可以增加巨噬細胞本身的吞噬功能和內(nèi)源性炎性因子的表達。Chul 等[15]通過對1 044例男性患者進行冠狀動脈造影術，發(fā)現(xiàn)血清BMP-4的濃度與男性冠狀動脈疾?。–AD）發(fā)病率呈負相關；而且，男性患者多支血管病變的血清中BMP-4水平要比單支冠狀動脈狹窄病變更為顯著地降低［（16.3±22.6 ）pg/ml vs（22.0±28.4 ）pg/ml, P＜0.01］。其后，Chul 等[15]在校正其他心血管危險因素后，降低的血清BMP-4水平仍是CAD風險發(fā)生的一個獨立預測因子［比值比（OR）=0.992，P=0.01］。然而，此項研究中沒有證實女性血清BMP-4和CAD之間的關聯(lián)性；推測：這可能與女性雌激素的保護作用有關。

過去5年中，多項臨床研究[16-18]證明：BMP參與心肌梗死后心肌重構的過程，血清中BMP-4水平與CAD的進展程度密切相關，且是獨立于其他危險因素。van Dijk 等[19]指出在動脈粥樣硬化病變形成的早期就伴有激活的TGF-β和BMP表達變化。

4.2 PAH

BMPR-Ⅱ基因突變是遺傳性肺動脈高壓（HPAH）的重要致病原因之一。Long 等[20]利用PAH疾病的易感小鼠動物模型，將一個重組的BMP-9注入小鼠體內(nèi)，目的在于靶向增強血管內(nèi)皮中BMPR-Ⅱ的生物學效應； 研究證實：在小鼠的PAH動物模型中BMPR-Ⅱ表達上調(diào)，肺動脈的壓力有所緩解；由此得出：BMP-9蛋白不僅保護肺動脈內(nèi)皮細胞免于凋亡和保持血管穩(wěn)定性，同時也增加BMPR-Ⅱ基因的表達，強化BMPR-Ⅱ信號的表達；從而升高的BMP-9水平具有阻斷細胞凋亡和增強血管穩(wěn)定性的能力。

此外，內(nèi)皮素-1（ET-1）和BMPR-Ⅱ間的相互作用也能夠誘導PAH的肺動脈平滑肌細胞（PA-SMCs）增生。在臨床研究中，PAH患者的血清中BMPR-Ⅱ和BMP-4水平的表達降低，而gremlin-1、gremlin-2的表達卻增加，其可能通過經(jīng)典的TGF-β1/ smad2/3信號途徑發(fā)揮內(nèi)皮細胞損傷作用。ET-1處理的PA-SMCs也可誘導細胞內(nèi)gremlin-1和gremlin-2水平呈劑量依賴性增加，而BMP-2、BMP-4和BMPR-II的表達降低，從而惡化PA-SMCs的生物學功能且延緩BMPR-Ⅱ信號傳導[21]。BMP-2和BMP-4主要是通過BMPR-II的磷酸化,激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS），進而誘導血清中一氧化氮（NO）水平生成增加。作為BMP-2和BMP-4的拮抗劑， 高濃度的gremlin-1水平可能導致BMPR-Ⅱ信號通路障礙，從而抑制BMP對血管的保護作用而表現(xiàn)為加速細胞凋亡和血管硬化的作用。ET-1通過增加PA-SMCs分泌的內(nèi)源性gremlin-1表達，從而下調(diào)BMPR-Ⅱ的生物學效應。這也意味著gremlin-1可作為PAH中ET-1拮抗治療的替代指標[22]。

4.3 腎動脈高壓

BMP-7作為腎纖維化的負性調(diào)節(jié)因子，通過維持上皮細胞表型、逆轉心內(nèi)膜的上皮向間質(zhì)轉化,來抑制腎臟上皮細胞的凋亡。Dalfino 等[23]選取85 例慢性腎臟病（CKD）患者和41名健康人進行研究；CKD患者的BMP-2血清水平顯著地高于對照組（P＜0.0001）。過氧化氫（H2O2）對體外培養(yǎng)血管平滑肌細胞進行預處理，當內(nèi)皮細胞暴露于H2O2一段時間后，內(nèi)皮細胞中BMP-2表達顯著地增加；同時，也誘導內(nèi)皮細胞的骨化標志物--堿性磷酸酶（ALP）表達的上調(diào)。BMP-7蛋白可增加基質(zhì)金屬蛋白酶-2（MMP-2）的表達、促進細胞外基質(zhì)的降解、降低多種促炎癥因子表達、影響TGF-β1/Smads傳導途徑以及TGF-β1的互逆作用，從而對腎間質(zhì)纖維化起到預防和逆轉的作用[24]。

4.4 糖尿病血管病變

糖尿病促使動脈粥樣硬化在血糖異常的早期已經(jīng)開始，心血管風險也隨之增加[25]。Son 等[17]發(fā)現(xiàn)：血清BMP-4水平與收縮壓、甘油三酯、游離脂肪酸、心-踝血管指數(shù)和頸動脈內(nèi)膜中層厚度呈負相關，也與2型糖尿病患者的動脈僵硬度呈反比。然而，2型糖尿病患者比正常對照組的BMP-2有較高的血清水平，且與2型糖尿病患者的動脈粥樣斑塊形成呈正相關[26]；血管的病變可惡化心肌重構，加速糖尿病心肌病的形成與進展[27]。

4.5 BMP與先天性心臟病

先天性心臟病是機體在胚胎時期心血管發(fā)育異常而引起的畸形性疾病，約占新生兒出生率的1%～5%。其中，流出道缺陷占很大比例。Bai 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠流出道發(fā)育的過程中BMP-4和BMP-7的表達被有條件地刪除或屏蔽；下調(diào)BMP-4和BMP-7的表達將導致心內(nèi)膜的上皮向間質(zhì)轉化的缺陷，降低心臟神經(jīng)嵴的生成，同時機體會出現(xiàn)永存性的動脈干。

先天性心臟病的20%～30 %是由于心臟瓣膜的異常；例如：胚胎期心內(nèi)膜的上皮向間質(zhì)的轉化促使心內(nèi)膜墊和閥的形成，而心肌特異性BMP-2、BMP-4、ALK-2或ALK-3蛋白表達不足或缺陷均可延緩心內(nèi)膜的上皮向間質(zhì)的轉化，甚至心臟內(nèi)膜形成的缺陷[29-32]。BMP主要通過誘導啟動HAND2使心內(nèi)膜分化，啟動重組人肌球蛋白輕鏈7（MYL7）和mCherry-NTR來進行胚胎心肌的生成與分化；因而，心肌源性BMP提供了心內(nèi)膜分化所必需的關鍵信號[33]。Dietrich等[34]和Laura 等[35]也證明心肌源性BMP的表達與心臟重構期的心內(nèi)膜形成密切相關；且BMP結合內(nèi)皮調(diào)節(jié)器（BMPER）可以通過整合BMP-2介導的細胞信號，調(diào)整心內(nèi)膜的上皮向間質(zhì)轉化與分布，參與相關細胞外基質(zhì)的沉積。

5 結語

BMP的研究已涉及心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展，包括冠狀動脈、肺動脈、腎動脈等全身血管，然而，目前BMP具體機制尚不甚明了；例如：不同BMP蛋白分型對心血管疾病的量化作用；BMP表達是否與性別、年齡、種群存在相關性；BMP基因在體內(nèi)的表達時間和數(shù)量的調(diào)控機制；藥物對BMP表達的干預和安全性等等這些問題都有待進一步研究。

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(編輯：梅平)

黑龍江省教育廳基金項目(12541544)；國家自然基金(81301276)；黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（1022620152382）

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高安琪 住院醫(yī)師 學士 主要從事動脈硬化研究 Email: gaq2822@163.com 通訊作者：趙鵑 Email: hrbzyz@sina.com

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