BMP信號通路在肺器官發(fā)育和肺疾病中的作用進展

陳利丹，張 超

骨形態(tài)發(fā)生蛋白質 （Bone Morphogenetic Proteins，BMPs）是一組生長因子，屬于轉化生長因子β（Transforming Growth Factorβ，TGF-B）超家族的一個大亞類［1］。BMP最初是通過誘導骨和軟骨的形成而被發(fā)現(xiàn)的一組關鍵形態(tài)發(fā)生信號。到目前為止，已經在哺乳動物中鑒定出超過15個BMP。根據氨基酸序列的相似性可將BMPs分為包括BMP2/4、BMP5/6/7/8a/8b、BMP9/10 和 BMP12/13/14家族在內的四種亞類［2］。BMP信號通路的調控主要包括依賴Smad介導的經典BMP信號通路和不依賴Smad介導的非經典BMP信號通路。

1 BMP信號通路

在典型信號通路中，BMP受體可分為Ⅰ型和Ⅱ型受體。每種類型受體都具有亞型：Ⅰ型受體包括活化素受體樣激酶（ALK-2）、BMPR-ⅠA（ALK-3）和BMPR-IB（ALK-6），Ⅱ型受體包括BMPⅡ型受體（Bmpr2）、A激活素Ⅱ型受體（ACTR Ⅱ）和激活素ⅡB型受體（ACTRⅡB）。在BMP信號轉導過程中，Ⅰ型或Ⅱ型受體兩者的傳導功能是相輔相成的。只有當兩種受體的二聚體結合形成異源四聚體復合物時，才與BMPs有較高的結合力。BMPs與細胞表面的Ⅱ型受體結合，激活其絲氨酸/蘇氨酸激酶域的組成性活性，從而介導Ⅰ型受體胞內結構域的磷酸化，進而活化Ⅰ型受體激酶。被活化的Ⅰ型受體激酶促使下游底物蛋白即受體調節(jié)Smads（RSmads）磷酸化。參與BMP信號傳導的R-Smads包括 Smad1、Smad5 和 Smad8（Smad1/5/8）。 磷酸化的R-Smads與共介體 Smad （co-smad）、smad4 結合形成復合物。其后，該復合物轉移入細胞核，激活特異基因的轉錄。抑制性Smads（Ⅰ-Smads）包括Smad6和Smad7（Smad6/7），其作為自分泌關閉信號，參與信號通路的負向反饋。在正常生理條件下BMP分布在許多組織中，并通過與細胞外BMP拮抗劑（包括 Noggin、Chordin、Follistatin 和 Gremlin）的可逆相互作用調控多種生命活動［3-5］。

不依賴Smad介導的非經典BMP信號通路：即絲裂原激活蛋白激酶 （Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信號通路［6，7］。 該信號通路通過高度保守的三級激酶級聯(lián)反應傳遞信號，MAPK激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK 激 酶（MAP kinase kinase，MKK）和 MAPK 均被包括在其中［8］。MAPK信號通路在細胞增殖、分化和應激等多種重要的生命活動中扮演著不可缺少的角色［9］。

圖1 BMP信號通路示意圖

2 BMP信號通路在肺器官發(fā)育過程中的作用

肺是陸生脊椎動物唯一的氣體交換器官，與氣管及相關的脈管系統(tǒng)組成的呼吸系統(tǒng)，對陸地生物是必不可少的。肺起源于前腸內胚層。小鼠的肺部發(fā)育從胚胎 9 d（E9.0）左右開始到產后14 d（P14）后結束。在E9.0時，甲狀腺特異增強子結合蛋白（Nkx2.1）開始在前腸腹側的內胚層細胞中表達。到E9.5時，這些上皮細胞的外翻形成了氣管和兩個肺芽。在E9.5-E12.5，氣管與食管完成了分離。在E12.5-E16.5，兩個肺芽經歷一個高度調控的分支過程，形成一個有數千個末端分支的樹狀氣道網絡。在E16.5-E18.5，這些終末分支變窄并形成成簇的上皮囊狀物，隨后發(fā)育為肺泡，為出生時的呼吸做準備。在P0-P14時，肺泡逐漸完全成熟［10］。

目前已有不少證據表明肺的正常發(fā)育依賴于BMP濃度精確的動態(tài)變化。例如在小鼠的遠端肺上皮細胞外，特異地表達BMP拮抗劑，如Gremlin或Noggin，抑制BMP的傳導，導致轉基因小鼠遠端肺上皮細胞標志物，如SP-C，分布的區(qū)域較野生型小鼠縮小，近端標志物分布的區(qū)域擴大，如肝細胞核因子/叉頭同源物 4（Hepatocyte Nuclear Factor/ForkheadHomologue 4，HFH-4）或克拉拉細胞標志物（Clara Cell10-kDa protein，CC10）［11，12］。 同時在小鼠的遠端肺上皮細胞特異地失活BMPR-ⅠA（Alk3）導致小鼠肺的上皮細胞增殖降低、凋亡增加。到E18.5，其肺Ⅱ型上皮細胞較野生型小鼠的少，肺部分布大量充滿液體，肺遠端發(fā)育異常［13］?？梢姲邢蛞种苹蛑袛喾芜h端上皮的BMP信號會導致遠端芽的肺上皮細胞獲得近端表型，遠端上皮的發(fā)育受到嚴重損害，導致肺功能異常。然而，BMP信號的過度激活也會導致肺發(fā)育異常。在肺的遠端上皮中特異性過表達Bmp4基因，導致轉基因小鼠肺組織縮小，末端芽明顯膨脹，出生時含有不支持正常肺功能的大充氣囊，上皮細胞增殖受到抑制［14］，而靶向敲除BMP拮抗劑Follistatin，導致轉基因小鼠肺發(fā)育出現(xiàn)多種異常，如氣管松弛，囊狀間隔增生，呼氣末膨脹不全。添加的外源性BMP拮抗劑NOGGIN降低轉基因小鼠的BMP信號傳導活性，并在一定程度上改善由Follistatin缺失造成肺發(fā)育缺陷［15］。由此可知精確調控BMP濃度在肺發(fā)育過程中扮演著至關重要的角色。纖維母細胞生長因子10（Fibroblast growth factor10，F(xiàn)GF10） 可以促進肺的分支，在E11.5天的全肺離體培養(yǎng)實驗中，鄰近含有FGF10珠子區(qū)域的遠端上皮細胞Bmp4活性最高。由此推測遠端上皮芽中的Bmp4受鄰近細胞FGF10濃度誘導和激活，拮抗FGF10的促芽作用，以確保肺發(fā)育的正常，維持肺正常功能的運轉［16］。

3 BMP信號通路在成人肺疾病中的作用

3.1慢性阻塞性肺疾病慢性阻塞性肺疾?。–hronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一種包括慢性支氣管炎和肺氣腫在內的呼吸系統(tǒng)疾病，在全球范圍內其發(fā)病率和病死率都非常高［17］，目前仍沒有根治COPD的特效藥面世。COPD特點是氣流限制性進行且不完全可逆，與氣道和肺部慢性炎癥反應增強有關［18］。

氣道上皮是一種由基底細胞 （Basal Cells，BCs）、中間柱狀細胞、纖毛細胞和分泌細胞組成的假復層柱狀上皮［19-21］，其中BCs是人類氣道中的干細胞/祖細胞，具有自我增殖并分化為纖毛細胞和分泌細胞的能力。吸煙可以引起氣道上皮的結構異常，例如BCs增生、黏液分泌過多和鱗狀上皮化生。鱗狀上皮化生是一種組織學上的損傷，其特征是由扁平鱗狀細胞取代分化細胞群轉化為復層上皮［22，23］。與健康非吸煙者相比，無癥狀吸煙者和慢性阻塞性肺疾病吸煙者的氣道上皮細胞中，包括中間柱狀細胞和纖毛細胞在內的細胞中BMP4表達顯著上調，BC中BMP4受體BMPR-ⅠA增多。將外源性BMP4添加到不吸煙者正常BC細胞中培養(yǎng)，導致BCs數量顯著減少，分化為正常黏液纖毛上皮的能力下降，并向鱗狀上皮間充質轉換。由此，可推測氣道上皮中的中間柱狀細胞和纖毛細胞中BMP4信號的過度表達可以造成BC的增殖和分化能力異常，進而促進由吸煙引起的氣道上皮重塑［24］。

BMP6作為鐵調素表達的內源性調節(jié)因子，能控制鐵離子的輸出，對鐵離子穩(wěn)態(tài)至關重要［25，26］。在COPD患者的巨噬細胞中鐵離子吸收量越多，肺氣腫的情況越嚴重，鐵離子濃度的失調導致氧化應激，加劇患者的炎癥程度［27］。在香煙暴露小鼠中，COPD程度越嚴重，BMP6的表達越低。在亞急性香煙暴露4周后，在野生型小鼠相比，Bmp6敲除小鼠肺組織的鐵離子沉積量顯著上升，肺部炎癥情況更加嚴重［28］。香煙暴露引起的COPD原因之一可能是內源性BMP6表達的降低致使肺組織中的鐵離子沉積，進而引起氧化應激，加劇組織損傷，增加香煙暴露小鼠的炎癥反應。

3.2肺動脈高壓肺動脈高壓（Pulmonary Arterial Hypertension，PAH）是一種以平均肺動脈壓逐漸升高，小的外周肺血管系統(tǒng)的異常重塑導致動脈腔逐漸閉塞，最終導致患者右心力衰竭和死亡的疾?。?9］。

內皮型一氧化氮合酶（endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS）具有維持低肺血管阻力的作用。eNOS雜合子或純合子敲除的小鼠由于缺氧而提高PAH［30-32］。在低氧誘導情況下，Bmp2雜合敲除（Bmp2+/-）小鼠的肺血管系統(tǒng)中eNOS表達與野生型小鼠相比明顯下降，并出現(xiàn)更嚴重的PAH。此外，添加的外源性BMP2能有效地增加肺內動脈和肺內皮細胞中eNOS表達，表明eNOS是肺血管系統(tǒng)中BMP2信號傳導的靶標。體內外實驗均證實BMP2表達水平的降低，會導致肺血管系統(tǒng)中eNOS的下降，從而誘發(fā) PAH［33］。

肺動脈高壓原因有很多，由編碼BMPII型受體（Bmpr2）基因失活突變引起的［34］是其中之一。在Bmpr2雜合敲除小鼠（Bmpr2+/R899X）引起的PAH模型中，添加外源性的BMP9不僅能減少轉基因小鼠肺動脈內皮細胞的凋亡，促進血管的穩(wěn)定，而且能增加Bmpr2基因的表達，使BMP2信號進一步增強，從而逆轉已發(fā)生的PAH。此外，野百合堿或低氧引起的肺動脈高壓也能被添加的外源性BMP9有效地挽救，這些結果提示了直接提高內皮細胞的BMP信號有望成為治療PAH的新手段［35］。

肺動脈重塑被確認是PAH病理過程中導致肺動脈壓力增加的重要原因［36］。內皮細胞向間充質或肌成纖維細胞轉化的生物學過程稱為內皮間充質轉化（Endothelial-Mesenchymal Transition，EndMT）。在這個過程中，內皮細胞從血管內腔表面緊密結合的單層細胞中分離出來，向內部組織遷移。在遷移過程中，細胞失去了特定的內皮標志物，并逐漸表達間充質或肌纖維母細胞標志物［37］。EndMT參與PAH患者肺動脈閉塞性血管的重塑［38］。大鼠肺動脈內皮細胞內膜中的mir-27a表達增加。上調的miR-27a通過與Smad5 mRNA的3’-UTR結合抑制其轉錄，降低BMP下游靶點DNA結合蛋白抑制劑2（Inhibitors of DNA Binding Proteins 2，Id2）的表達，增加關鍵的促EndMT轉錄因子Snail和Twist的表達，加劇患者的PAH發(fā)生進程［37］。

3.3肺纖維化肺纖維化（Pulmonary Fibrosis，PF）是一種由成纖維細胞過度增殖和肺間質中膠原（纖維化）沉積引起的慢性進行性肺疾病［39，40］。

在體外由二氧化硅處理RLE-6TN細胞后建立的EndMT模型中，添加的外源性的BMP7，能夠提高BMP信號通路下游底物蛋白Smad1/5磷酸化水平，降低與拮抗BMP信號的TGF-β下游底物蛋白Smad2/3的磷酸化水平、減少膠原Ⅰ、膠原Ⅲ和纖連蛋白的沉積，并抑制了包括細胞遷移和纖維化標志物的表達，進而緩解由二氧化硅誘導的PF［41］。

香葉基香葉基二磷酸合酶（Geranylgeranyl Diphosphate Synthase，GGPPS）是一種催化法尼基二磷酸合成GGPP的關鍵酶［42］。肺上皮細胞特異性GGPPS基因敲除 （GGPPS-/-）小鼠在博來霉素誘導后，與野生型小鼠相比，肺組織膠原I和纖維黏連蛋白表達上調，膠原沉積增加，PF程度更嚴重。GGPPS的缺乏促進了TGF-β1激活肺成纖維細胞，增強其與 BMP4 信號的拮抗作用，加劇 GGPPS-/-小鼠 PF［43］。

Nog+/LacZ小鼠作為去阻遏BMP信號傳導的模型［44，45］，在博來霉素誘導后，與野生型小鼠相比，其支氣管和肺泡上皮細胞凋亡及增殖減少。內源性增加的BMP信號活性與間充質中促纖維化TGF-β信號傳導的拮抗作用增強，導致組織重塑減少，進而減輕 Nog+/LacZ小鼠 PF 程度［46］。

4 BMP信號通路在肺再生中的作用

功能組織再生是嚴重創(chuàng)傷后恢復正常器官內環(huán)境平衡所必需的。與其他成人器官如皮膚和腸相比，肺細胞更新通常較慢。然而，在生理性損傷后，包括全肺切除術和嚴重的呼吸道感染可能會發(fā)生顯著的再生和修復［47-50］。

向體外克隆類器官培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)BCs添加外源性BMP拮抗劑衍生物LDN-193189，能促進BCs的增殖，而加入外源性的BMP4則抑制BCs的增殖和分化。在小鼠SO2損傷小鼠模型中，修復期間上皮細胞和間充質中BMP4的表達降低，BMP拮抗劑Follistatin的表達升高。而在小鼠損傷后全身給予BMP拮抗劑衍生物LDN-193189，則促進小鼠BCs再生。體內外的實驗結果支持在穩(wěn)定狀態(tài)下，肺組織的BMP信號抑制BCs增殖，而損傷后小鼠通過上調內源性BMP拮抗劑，下調BMP信號，進而短暫促進增殖。這些結果揭示了BMP信號在呼吸上皮內穩(wěn)態(tài)中的關鍵作用［51］。

在1-硝基萘（1-nn）急性損傷6 h后，小鼠氣道上皮細胞發(fā)生炎癥的癥狀最嚴重，細胞中的BMP信號通路下游磷酸化Smad1/5的表達最高。向正常培養(yǎng)的氣道AECs中添加BMP4，隨著BMP4濃度的增加，E-鈣黏蛋白的濃度逐漸下降，Snail的表達逐漸上升。由此可以推測BMP信號的增強通過下調E-鈣黏蛋白的表達和促進AECs的遷移，調節(jié)急性損傷后氣道上皮細胞的再生［52］。

最近研究發(fā)現(xiàn)，肺Ⅱ型上皮細胞和表達血小板源性生長因子受體 α多肽（Platelet—Derived Growth Factor Receptor Alpha，PDGFRA）的成纖維細胞形成的肺泡微環(huán)境能通過調節(jié)肺二型上皮細胞BMP信號通路表達，進而調控肺二型上皮細胞的自我增殖和分化為肺一型細胞的能力。在肺切除術后，肺二型細胞和表達PDGFRA的成纖維細胞會出現(xiàn)BMP信號的表達出現(xiàn)短暫下降，此時肺二型細胞自我增殖能力增強，轉分化為肺一型細胞能力下降。而在術后恢復過程中，肺二型細胞中的BMP信號通路表達逐漸增加，此時肺二型細胞自我分化能力下降，向肺一型細胞的轉分化能力增強，促進肺泡的再生［53］。

BMP信號與肺的正常發(fā)育，成體肺疾病的形成和成體肺組織修復密切相關，但其確切機制和時空分布模式尚未完全闡明，仍有待于進一步研究。BMP介導的信號傳導的實際細胞靶點的確定將有助于解釋早期的基因研究，指導今后實驗中BMP信號成分的合理靶向，有助于闡明該信號系統(tǒng)的作用機制。對BMP信號的更好理解將有助于BMP信號相關疾病的臨床治療，并可能促進創(chuàng)新和有效的治療方法的發(fā)展，為新的治療發(fā)展提供新的策略。