骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4促進(jìn)骨組織再生的研究進(jìn)展

遲 爽，袁 瑞，劉欣彤，蘭傳健，李 江

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 修復(fù)科，吉林 長春130000)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMPs)是轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)超家族中的一員，繼1965年Urist等學(xué)者首次從脫鈣骨中提取出一類有助于成骨的蛋白成分之后[1]，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種骨形態(tài)發(fā)生蛋白，并發(fā)現(xiàn)了其促進(jìn)成骨的作用[2]，其中，BMP4在促進(jìn)骨組織再生修復(fù)方面發(fā)揮著重要作用。此外，BMP4也與誘導(dǎo)胚胎分化、指導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞分化、調(diào)節(jié)腫瘤生長侵襲以及一些心腦血管疾病密切相關(guān)[3-7]。

1 BMP4的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

BMP4前蛋白原由400-500個(gè)氨基酸組成，包括3個(gè)部分：N-末端信號肽、前蛋白折疊區(qū)和C-末端成熟肽。羧基末端成熟的BMP4蛋白可在Furin，PC6和PC7的作用下，從前蛋白原上切割下來，成為由116個(gè)氨基酸組成的具有高度保守性的BMP4分子。它的C-末端含有7個(gè)半光氨酸殘基，其中6個(gè)形成3個(gè)分子內(nèi)二硫鍵，稱為半胱氨酸結(jié)，第7個(gè)半胱氨酸可發(fā)生糖基化，借此形成共價(jià)二硫鍵用于與另一個(gè)單體二聚化，從而形成生物活性信號分子。

2 BMP4的信號通路

2.1 BMP4受體

BMPs家族在細(xì)胞膜表面的受體主要分為BMPRI型受體和BMPⅡ型受體，其中，Ⅰ型受體主要包括：ALK1、ALK2、ALK3和ALK6，Ⅱ型受體主要包括ActRIIa、ActRIIb和BMPRII。BMP4主要的受體為ALK3(又稱BMPRIA)、ALK6(又稱BMPRIB)和BMPRII這3種，一般來說BMPRI型受體較BMPRII型受體的親和力更好。

游離BMP4二聚體可由兩個(gè)單體分別結(jié)合一個(gè)Ⅰ型受體和一個(gè)Ⅱ型受體形成復(fù)合物，可也由其中的一個(gè)單體先結(jié)合I型受體，另一個(gè)再和由Ⅰ型受體招募到的Ⅱ型受體結(jié)合形成復(fù)合物。至此完成了細(xì)胞膜上BMP4受體的激活。

在這一過程中，一些游離于細(xì)胞外的分子可以起到BMP4抑制劑的作用。它們有的可以與BMP4分子粘附，與其活性位點(diǎn)相結(jié)合，將BMP4分子與其受體隔離開；還有一些抑制劑具有和BMP4相似的分子結(jié)構(gòu)，與BMP4競爭結(jié)合其受體。常見的BMP4抑制劑有：Noggin、chordin、Tsg、Gremlin 1、Sclerostin、Dan等[8-11]。一些存在于細(xì)胞膜表面的與BMP4受體結(jié)構(gòu)相似的偽受體，比如缺乏胞內(nèi)激酶域BAMBI等，可與BMP受體競爭結(jié)合BMP4同源二聚體，導(dǎo)致二聚體無法與本應(yīng)結(jié)合的受體相結(jié)合[12]。還有一些分子可以增強(qiáng)BMP4二聚體與Ⅰ型受體的結(jié)合，例如DRAGON等。還有研究表明，BMP4的異源二聚體(BMP4-BMP7)也可促進(jìn)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2.2 BMP4與Smad通路

Smad家族主要可以分為以下3類：(1)受體型Smad(R-Smad)：Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8和Smad9；(2)通用型Smad(Co- Smad)：Smad4；(3)抑制型Smad(I- Smad)：Smad 6、Smad7[13]。

BMP4二聚體與BMPRI和BMPRII結(jié)合后，II型受體激酶結(jié)構(gòu)域可使I型受體上一段富含甘氨酸-絲氨酸的“GS盒”被磷酸化激活，激活的Ⅰ型受體進(jìn)而使被SMAD1，SMAD5和SMAD8磷酸化。這些與受體相關(guān)的Smad與co-Smad4形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核，作用于靶基因調(diào)控轉(zhuǎn)錄。在這一過程中，SMAD7可競爭結(jié)合BMPI，阻止SMAD1、5、8的磷酸化；SMAD6可競爭結(jié)合SMAD4，阻止SMAD復(fù)合體入核，進(jìn)而起到負(fù)向調(diào)節(jié)的作用。

2.3 BMP4與MAPK通路

絲裂原激活蛋白激酶(mitogen activated proteinkinase，MAPK)存在于真核細(xì)胞的胞漿內(nèi)，具有具有絲氨酸和酪氨酸二重磷酸化能力。MAPK通路是真核細(xì)胞特有的、重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，在細(xì)胞生長、增殖、分化、凋亡等過程中都發(fā)揮著重要作用[14]。

MAPK信號通路家族主要包括：細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase，ERK)、P38、JNK和大絲裂原激活蛋白激酶ERK5/BMK1，以上5個(gè)亞族均通過典型的三級酶促級聯(lián)反應(yīng)發(fā)揮作用，就是MAPKKK被磷酸化激活，進(jìn)而磷酸化激活MAPKK，最后磷酸化絲氨酸和酪氨酸兩個(gè)位點(diǎn)激活MAPK。

在這一途徑中，BMP4與受體結(jié)合后可使TAB1被激活，激活的TAB1可在XIAP的作用下形成TAB1-TAK1復(fù)合物，而TAK1(是一種MAPKKK)下游的p38，JNK也被激活。至此MAPK通路被激活[15]。

2.4 BMP4與其他通路

除了上述提到的信號通路，BMP4還可能受到其他一些信號的調(diào)節(jié)，例如：TGF-β/activin、Wnt/β-catenin、Wnt/Ca+、Wnt/PCP、Wnt/ROR2等等。也有研究顯示，Bcl-2在成年大鼠的缺血腦組織中對BMP4的表達(dá)有下調(diào)作用[16]。軟骨細(xì)胞中成纖維細(xì)胞生長因子受體3(FGFR3)缺陷可以上調(diào)Bmp4的表達(dá)[17]。成骨細(xì)胞中的α1-AR信號傳導(dǎo)可負(fù)調(diào)節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4(Bmp4)的表達(dá)，轉(zhuǎn)錄因子CCAAT /增強(qiáng)子結(jié)合蛋白δ(C/EBPδ)參與MC3T3-E1細(xì)胞中的Bmp4表達(dá)[18]。

3 BMP4與骨組織密切相關(guān)

3.1 BMP4與成骨的關(guān)系

我們知道，體內(nèi)的成骨方式主要有兩種：膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨。膜內(nèi)成骨是指在原始結(jié)締組織內(nèi)直接成骨，即原始結(jié)締組織膜出聚集間充質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而分化為骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞；軟骨內(nèi)成骨則是體內(nèi)更為常見的成骨方式，(1)軟骨雛形形成：間充質(zhì)細(xì)胞聚集，依次分化為骨祖細(xì)胞、軟骨細(xì)胞；(2)骨領(lǐng)形成：在軟骨雛形內(nèi)，骨祖細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，并貼在軟骨雛形內(nèi)表面；(3)骨化中心形成：軟骨雛形中央的軟骨細(xì)胞死亡，周圍的基質(zhì)鈣化；伴隨著破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入軟骨雛形內(nèi)，過渡性骨小梁形成，即成為骨化中心?？梢?，成骨的過程與細(xì)胞的增殖、分化密不可分，而BMP4在成骨相關(guān)的細(xì)胞調(diào)控過程中也發(fā)揮著重要的作用。

在胚胎發(fā)育時(shí)期，骨祖細(xì)胞對BMP信號具有高度的敏感性，有研究表明，BMP4信號是胚芽發(fā)育以及軟骨分化過程中至關(guān)重要的影響因子[19,20]，骨形成的啟動(dòng)需要一定閾值水平的BMP4信號傳導(dǎo)才能完成，在缺乏BMP4信號的情況下，軟骨細(xì)胞無法凝聚，最終導(dǎo)致胚芽形成的失敗和骨骼發(fā)育的異常，造成嚴(yán)重的發(fā)育性的成骨異常[21-23]。出生后，BMP4信號通路在軟骨內(nèi)成骨過程中起到至關(guān)重要的作用，在BMP4受體被敲出的鼠中觀察到，長骨生長的標(biāo)記物例如SOX9，IHH幾乎無表達(dá)，生長板無法被骨樣組織取代。說明BMP4信號具有促進(jìn)成骨細(xì)胞有生長板向骨化中心的轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于骨生長的持續(xù)動(dòng)力[24]。

3.2 BMP4在臨床上的應(yīng)用具有遠(yuǎn)大前景

由于腫瘤切除、外傷、拔牙創(chuàng)等原因而造成的骨組織缺損在臨床上尤為常見，修復(fù)骨缺損也是骨科的一個(gè)重大難題。如今，骨移植在臨床上的常見程度僅次于血液移植，自體骨移植和同中方異體骨移植帶來的手術(shù)創(chuàng)傷和高昂的費(fèi)用，使得骨替代材料的研究成為一大熱點(diǎn)[25]。BMP4作為促進(jìn)骨組織再生修復(fù)的重要因素，在組織工程學(xué)和基因治療的應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注。

有學(xué)者通過對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)和小鼠卵巢切除模型研究發(fā)現(xiàn)，BMP4信號傳導(dǎo)活化被抑制后，出現(xiàn)了明顯的骨質(zhì)疏松現(xiàn)象，揭示BMP4信號是骨組織再生和促成骨治療方面的重要靶點(diǎn)[26]。

在細(xì)胞水平上，有學(xué)者制作了以藻酸鹽為支架、涂覆了帶有BMP4的FVC/TiO2納米顆粒的新型材料，發(fā)現(xiàn)該材料可粘附于小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞，并通過堿性磷酸酶的測定證明了其促進(jìn)成骨分化的能力[27]。Lox/CHOP-10等通過對BMP4信號的調(diào)控，均可促進(jìn)成骨作用[28]。

有研究表明，通過體外實(shí)驗(yàn)和大鼠顱骨缺損模型的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，富含hPDLSCs和PEI-EVs的Evo能夠通過上調(diào)BMP4的表達(dá)促進(jìn)骨再生過程[29]。以殼聚糖作為基因載體攜帶BMP4質(zhì)粒，借助明膠海綿置于新西蘭大白兔骨缺損中，可顯著提高其成骨能力，新生骨與正常骨組織無生物力學(xué)差異，且具有良好的生物安全性[30]。

4 展望

BMP4作為成骨相關(guān)的細(xì)胞因子，在成骨方面發(fā)揮著重要作用，其在臨床上促進(jìn)成骨修復(fù)的應(yīng)用也具有遠(yuǎn)大前景。利用可載藥的各種類型載體將BMP4置于骨缺損處，可以縮短骨修復(fù)的周期，免去自體骨移植的創(chuàng)傷和高昂費(fèi)用，具有其他的骨缺損修復(fù)方式無法替代的優(yōu)點(diǎn)。

此外，與骨缺損修復(fù)類似的，骨質(zhì)疏松也是臨床上常見的一類增齡性疾病，BMP4作為已知的可促成骨的細(xì)胞因子，也可以作為抗骨質(zhì)疏松的作用靶點(diǎn)，即當(dāng)藥物可調(diào)控BMP4的轉(zhuǎn)錄表達(dá)過程，則可促進(jìn)成骨作用[31]。從中醫(yī)學(xué)的角度來說，“腎藏精主骨生髓”，許多中藥例如淫羊藿[32]、杜仲[33]、骨碎補(bǔ)[34]、葛根[35]等，都具有促進(jìn)成骨的功效。但中藥引起成分復(fù)雜，缺乏分子靶向等缺點(diǎn)，在臨床應(yīng)用方便受到限制。BMP4作為成骨相關(guān)的重要分子靶點(diǎn)，可以作為篩選成骨中藥單體成分的指標(biāo)。例如,小檗堿因其抗氧化性和成骨特性，具有防治骨質(zhì)疏松的作用，但其低效力和低生物利用度限制了藥物的臨床開發(fā)。有學(xué)者合成小檗堿的結(jié)構(gòu)同系物Q8，并發(fā)現(xiàn)Q8增強(qiáng)BMP4誘導(dǎo)的堿性磷酸酶(ALP)活性和ALP啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，具有增強(qiáng)成骨細(xì)胞功能可能有助于預(yù)防骨質(zhì)疏松癥[36]。這也為臨床上骨質(zhì)疏松的預(yù)防和治療提供了新思路。