BMP4/Smad信號通路的分子機(jī)制及其在眼部疾病中的作用△

胡慧聰 張家豪 張妍 何宇茜

骨形成蛋白(BMP)是轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)中的一員，與細(xì)胞的發(fā)育、增殖、凋亡、形態(tài)發(fā)生、纖維化等密切相關(guān)。BMP4主要通過Smad信號通路調(diào)控下游基因的表達(dá)。研究表明，BMP4/Smad信號通路在角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜的發(fā)育中起重要作用[1]。同時，BMP4及相關(guān)受體在成熟的眼組織中高度表達(dá)[2]，說明BMP4/Smad信號通路與一些眼部疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。本文主要綜述了BMP4/Smad信號通路的分子機(jī)制、BMP4/Smad信號通路在眼發(fā)育中的作用，以及其對一些眼部疾病的影響。

1 BMP4概述

BMP最初被認(rèn)為是一種骨誘導(dǎo)生長因子，可以促進(jìn)骨和軟骨的形成，同時與許多疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。BMP信號通路不僅與骨的發(fā)育、疾病和修復(fù)有關(guān)[3]，還與血管系統(tǒng)疾病密切相關(guān)[4]。多項研究表明，BMP信號通路在腫瘤的發(fā)生中起重要作用[5]。此外，BMP信號通路在多個系統(tǒng)的發(fā)育中起關(guān)鍵作用[6-7]。

BMP4是BMP中的一員。BMP4為非活性前體蛋白，有408個氨基酸。BMP4在胚胎發(fā)育中起重要作用，其與神經(jīng)發(fā)生、晶狀體誘導(dǎo)、軟骨和骨骼發(fā)育、泌尿生殖系統(tǒng)發(fā)育、肢體發(fā)育、毛囊再生和牙齒形成有重要關(guān)聯(lián)[1]。BMP4也與腫瘤的形成、內(nèi)皮損傷修復(fù)有關(guān)[8]。BMP4還在與肥胖和糖尿病相關(guān)的脂肪原細(xì)胞的定型和分化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。BMP4在眼發(fā)育中影響重大[9-11]。此外，BMP4及其受體在成熟眼組織的多個部位表達(dá)[2]，這提示成人眼的不同部位需要不同的BMP4信號來維持其組織形狀、分化水平和功能。

2 Smad信號通路的概述

脊椎動物有8種Smad蛋白，其根據(jù)功能分為三大類：第一類為受體調(diào)節(jié)型Smad(R-Smads)，包含Smad2/3和Smad1/5/8；第二類為共同通路型Smad(Co-Smad)，僅包括Smad4，它是TGF-β家族各類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程共同需要的介質(zhì)；第三類為具有抑制性的Smad(I-Smads),包括Smad6和Smad7，主要作用為抑制或調(diào)節(jié)TGF-β家族的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[12]。

BMP配體信號涉及到兩種跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，稱為BMP-Ⅰ型受體(BMPR-Ⅰ)和BMP-Ⅱ型受體(BMPR-Ⅱ)。BMP通常與BMPR-Ⅱ結(jié)合，而后使BMPR-Ⅰ磷酸化。磷酸化的BMPR-Ⅰ啟動下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)——經(jīng)典Smad或非經(jīng)典Smad的信號通路被激活。

2.1 經(jīng)典Smad信號通路在經(jīng)典Smad信號通路中，被激活的BMPR-Ⅰ使R-Smads磷酸化，而后與Co-Smad4結(jié)合形成復(fù)合體。該復(fù)合體可以調(diào)節(jié)目的基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)細(xì)胞的自我更新和分化，細(xì)胞的增殖、遷移和凋亡[13]。例如，BMP/Smad信號通路與多種干細(xì)胞的增殖分化有關(guān)[14]，BMP/Smad信號通路還與多種細(xì)胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)有關(guān)[15]；在肝臟的炎癥反應(yīng)中，BMP/Smad信號通路發(fā)揮重要作用[16]。其中BMP4/Smad通路與眼的發(fā)育密切相關(guān)，且與多種眼部疾病的發(fā)病機(jī)制相關(guān)聯(lián)。

2.2 非經(jīng)典Smad信號通路非經(jīng)典Smad信號通路也是BMP的一個重要通路，包括ERK、JNK、p38 MAPK等。非經(jīng)典Smad信號通路與許多生理和病理過程相關(guān)，如細(xì)胞的增殖和分化、介導(dǎo)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞遷移以及應(yīng)激反應(yīng)[17-19]。在眼中，ERK信號通路與晶狀體發(fā)育有關(guān)[20]；JNK信號通路與視網(wǎng)膜退行性疾病病變密切相關(guān)[21]；p38 MAPK信號通路可能抑制角膜內(nèi)皮細(xì)胞的增殖[22]，還與糖尿病視網(wǎng)膜病變有關(guān)[23]；JNK、p38 MAPK信號通路發(fā)生改變可能影響視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)氧化應(yīng)激損傷的程度[24]。

3 BMP4/Smad信號通路的分子機(jī)制

在經(jīng)典Smad信號通路中，BMP4與BMPR-Ⅱ結(jié)合，使BMPR-Ⅰ磷酸化?；罨腂MPR-Ⅰ使Smad1/5/8磷酸化。磷酸化的Smad1/5/8與Co-Smad4結(jié)合形成復(fù)合體，該復(fù)合體作為細(xì)胞核的轉(zhuǎn)錄因子參與靶基因表達(dá)的調(diào)控。BMP4/Smad信號通路與多種細(xì)胞調(diào)控有關(guān)。BMP4/Smad信號通路可以影響血管內(nèi)皮屏障功能，調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞連接的穩(wěn)定性[25]。BMP4可以通過Smad1促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的沉積[26]。此外，BMP4還可以促進(jìn)與ECM密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)的生長，并調(diào)控其發(fā)育的完整性[27]。

經(jīng)典BMP4/Smad信號通路在眼部起重要作用。Kiyono等[28]研究顯示，在新生大鼠眼部發(fā)育過程中，BMP4/Smad1介導(dǎo)瞳孔區(qū)的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，從而使瞳孔膜退化，促進(jìn)瞳孔和晶狀體完整的發(fā)育結(jié)構(gòu)形成。Liu等[29]研究顯示，Co-Smad4參與作用角膜上皮和角膜基質(zhì)細(xì)胞的生長發(fā)育和穩(wěn)態(tài)[29]。Xu等[30]研究顯示，在RPE中過量表達(dá)BMP4后行激光誘導(dǎo)實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)膜新生血管幾乎無法產(chǎn)生，提示BMP4對新生血管具有主導(dǎo)調(diào)控作用，而且BMP4依賴Smad1/5信號通路降低腫瘤壞死因子(TNF)和基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP-9)的表達(dá)，抑制脈絡(luò)膜新生血管。

在非經(jīng)典Smad信號通路中，活化的BMPR-Ⅰ激活下游信號，上調(diào)或下調(diào)相關(guān)因子的表達(dá)量，進(jìn)而參與調(diào)控細(xì)胞的凋亡、遷移等[17-19]。其中BMP4/ERK1/2信號通路與多種細(xì)胞的EMT有關(guān)[31]；BMP4可以通過JNK和p38 MAPK信號通路對內(nèi)皮細(xì)胞的分化和凋亡起重要作用[32-33]；BMP4還可以通過JNK信號通路參與細(xì)胞的自噬[34]。

BMP4/Smad信號通路與Wnt/β-catenin、成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)等信號通路具有相互調(diào)節(jié)作用。例如，在Wnt/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)的腸道發(fā)育中，BMP4/ERK1/2信號通路起重要作用[35]；在眼中，Wnt/β-catenin信號通路可以通過調(diào)控BMP4/Smad信號通路，影響角膜上皮的分化和穩(wěn)態(tài)[36-37]；BMP4/Smad信號通路還可以與FGF信號通路相互調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響晶狀體的發(fā)育[10]。

4 BMP4/Smad信號通路在眼發(fā)育中的作用

4.1 BMP4/Smad信號通路在眼前節(jié)發(fā)育中的作用眼前節(jié)發(fā)育不全(anterior segment dysgenesis,ASD)是眼前節(jié)組織的一系列發(fā)育綜合征，目前已發(fā)現(xiàn)其與BMP4密切相關(guān)[11]。但是尚不清楚是何種來源的BMP4導(dǎo)致ASD。Rausch等[38]研究顯示，BMP4在睫狀緣表達(dá)豐富，但睫狀緣衍生的BMP4在眼部的發(fā)育中并不起主要作用，因此，他們認(rèn)為ASD是一種非自主細(xì)胞來源的缺陷。

此外，BMP4還與角膜上皮分層密切相關(guān)，這提示BMP4可能與角膜形成有關(guān)[39]。目前已證實(shí)，Wnt/β-catenin通路在角膜上皮細(xì)胞的發(fā)育中發(fā)揮重要作用，在小鼠發(fā)育過程中使用該通路的拮抗劑Dkk2會抑制角膜的分化[40]。當(dāng)β-catenin缺失時，會導(dǎo)致BMP4表達(dá)上調(diào)，ERK1/2通路被激活，同時Smad1/5被磷酸化，p63在小鼠的角膜基底上皮細(xì)胞中表達(dá)增加[36]。其中p63可以啟動角膜上皮細(xì)胞分層并維持角膜基底層角質(zhì)細(xì)胞的增殖[41]。綜上所述，Wnt/β-catenin通路可以通過調(diào)控BMP4/Smad通路，進(jìn)而影響角膜上皮分層。

4.2 BMP4/Smad信號通路在晶狀體發(fā)育中的作用BMP4/Smad信號通路與晶狀體的發(fā)育密切相關(guān)，BMP4與Pax6(一種眼發(fā)育的必要基因)在晶狀體板的形成中起協(xié)同作用。敲除BMPR-IA會降低BMP4的表達(dá)，雖不導(dǎo)致影響晶狀體的形成，但會嚴(yán)重影響晶狀體的發(fā)育[42]。FGF信號通路與BMP信號通路協(xié)同調(diào)節(jié)晶狀體的發(fā)育。BMP信號可以使晶狀體細(xì)胞維持在最佳的FGF信號響應(yīng)狀態(tài)，同時FGF信號可以上調(diào)BMP信號介導(dǎo)的下游基因的表達(dá)[43]。Gata3基因是晶狀體發(fā)育的關(guān)鍵基因之一，Gata3基因缺失會引起晶狀體發(fā)育的多種缺陷，包括細(xì)胞周期異常，纖維細(xì)胞分化受到抑制[44]。有趣的是，BMP和FGF信號通路可以通過識別Gata3基因的啟動子和增強(qiáng)子，使分化中的晶狀體纖維細(xì)胞中的Gata3表達(dá)上調(diào)，同時在體外實(shí)驗中還發(fā)現(xiàn)FGF2和BMP4可以調(diào)節(jié)Gata3基因的啟動子和增強(qiáng)子[10]。這說明，探究BMP4/Smad通路與FGF通路的協(xié)同調(diào)節(jié)作用，對研究晶狀體發(fā)育有重要意義。

4.3 BMP4/Smad信號通路在視網(wǎng)膜發(fā)育中的作用視網(wǎng)膜是眼中發(fā)育最早的組織，BMP4/Smad通路在視網(wǎng)膜的發(fā)育中發(fā)揮重要作用。當(dāng)BMP4缺失時，會造成多種與視網(wǎng)膜發(fā)育相關(guān)基因的異常表達(dá)[45]。當(dāng)敲除BMPR-ⅠA和BMPR-ⅠB時，胚胎的視網(wǎng)膜生長和視網(wǎng)膜神經(jīng)發(fā)育受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)嚴(yán)重眼部缺陷。如果視泡中的BMP4表達(dá)降低，視杯將難以形成，并且視網(wǎng)膜遠(yuǎn)端囊泡中特定基因的表達(dá)顯著降低[46]。分化抑制因子(inhibitors of differentiation，Id)可以調(diào)控細(xì)胞周期和分化。BMP4、BMPR-IB、Smad1/5/8在小鼠胚胎期(E13.5～E18.5)和出生后早期(P)1期的視網(wǎng)膜中高表達(dá)，并且視網(wǎng)膜前體細(xì)胞中存在BMP/Smad/Id信號通路，因此BMP4/Smad1/5/8/Id信號通路可能會影響視網(wǎng)膜的發(fā)育以及視網(wǎng)膜細(xì)胞的增殖分化[47]。進(jìn)一步探究BMP4/Smad通路在視網(wǎng)膜發(fā)育中的作用，將為許多視網(wǎng)膜疾病的治療帶來新方向。近期Chichagova等[48]研究顯示，通過激活I(lǐng)GF1和BMP4信號通路使人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞(human induced pluripotent stem cells，hiPSC)轉(zhuǎn)化為視網(wǎng)膜類器官，希望將BMP4/Smad通路在視網(wǎng)膜發(fā)育中的重要作用轉(zhuǎn)向臨床應(yīng)用。

5 BMP4/Smad信號通路在眼部疾病的作用

5.1 BMP4/Smad信號通路在與角膜有關(guān)的疾病中的作用BMP4及其相關(guān)受體在成熟的角膜組織中表達(dá)豐富[2]，同時可以調(diào)控角膜細(xì)胞的增殖和凋亡。角膜上皮由角膜緣干細(xì)胞(limbal stem cell，LSC)產(chǎn)生，LSC缺乏癥(LSC deficiency,LSCD)是由于LSC缺失或功能障礙所導(dǎo)致的疾病，通常會引起持續(xù)性疼痛和嚴(yán)重的視力障礙。對于單側(cè)LSCD，通常采用自體移植的治療方法，但這并不適用于雙側(cè)的LSCD。Kamarudin等[49]研究顯示，將hiPSC分化為角膜上皮祖細(xì)胞，這為雙側(cè)LSCD治療提供了一個方向[49]。同時他們還發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性BMP信號的水平會影響hiPSC分化為角膜上皮樣細(xì)胞的能力，其中BMP4可以誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞(human embryonic stem cells,hESC)分化為角膜上皮祖細(xì)胞以及成熟的角膜上皮樣細(xì)胞[49]。Qin等[50]研究顯示，使用視黃酸(retinoic acid，RA)、BMP4、條件培養(yǎng)基以及人去細(xì)胞的基質(zhì)微透鏡，可以誘導(dǎo)hiPSC獲得高純度的角膜上皮細(xì)胞系。綜上所述，探究BMP4/Smad通路在誘導(dǎo)hiPSC分化為角膜上皮樣細(xì)胞中的作用，對LSCD的治療有重要意義。

BMP4/Smad通路還與角膜上皮的更新密切相關(guān)。角膜緣上皮干細(xì)胞(limbal epithelial stem cell，LESC)緩慢增殖分化，并向角膜中央?yún)^(qū)域遷移，以維持角膜上皮的更新[51]。當(dāng)角膜發(fā)生纖維化時會造成LESC的丟失，LESC的狀態(tài)主要取決于其所處部位的生物力學(xué)特性。Gouveia等[37]研究顯示，在體外實(shí)驗中，當(dāng)基質(zhì)硬度增加時，BMP4表達(dá)上調(diào)，而β-catenin、ΔNp63表達(dá)降低，他們認(rèn)為Wnt/β-catenin信號通路以及其下游的BMP4/Smad通路與這一過程密切相關(guān)。因此，當(dāng)BMP4/Smad通路密切活動時，角膜基質(zhì)硬度增加，進(jìn)而造成LESC的丟失，由此影響角膜上皮的更新。

5.2 BMP4/Smad信號通路與青光眼的關(guān)系前文已介紹BMP4與ASD關(guān)系密切，而ASD常伴隨有青光眼的發(fā)生。有研究者在3D成像實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，BMP4(+/-)雜合子小鼠相對于野生型小鼠的Schlemm管部分缺失，這可能是該種小鼠眼壓(IOP)升高的原因之一[52]。BMP4雜合子缺失小鼠的ASD癥狀包括小梁網(wǎng)(trabecular meshwork，TM)發(fā)育不全、角膜與虹膜粘連，而TM是房水流出的主要部位，TM發(fā)育不全是青光眼重要的發(fā)生原因之一[53]。因此BMP4的缺失與房水流出受阻密切相關(guān)，由此造成IOP升高，誘發(fā)青光眼。

原發(fā)性開角型青光眼(POAG)是青光眼的主要類型之一。IOP升高是POAG的主要風(fēng)險因素之一，這主要是由于TM的房水流出受阻以及TM的ECM沉積。TGF-β2會增加ECM的沉積。而BMP4/Smad信號通路可以誘導(dǎo)Id1/3表達(dá)，抑制TGF-β2通路，進(jìn)而抑制ECM的產(chǎn)生[54]，從而降低IOP。這說明BMP4/Smad信號通路或許會成為POAG新的治療靶點(diǎn)之一。

5.3 BMP4/Smad信號通路在與視網(wǎng)膜有關(guān)的疾病中的作用

5.3.1 BMP4/Smad信號通路在視網(wǎng)膜神經(jīng)保護(hù)和修復(fù)方面的作用BMP信號通路已被證實(shí)在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中具有重要作用，但其在發(fā)育成熟的神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制尚不清楚。BMP/Smad1/5/8信號通路對視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell,RGC)具有神經(jīng)保護(hù)作用。Ueki等[55]研究顯示，通過在玻璃體內(nèi)注射N-甲基-D-天冬氨酸誘導(dǎo)RGC大量死亡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BMP2、BMP4和BMP7表達(dá)上調(diào)，Smad1/5/8磷酸化，同時Id1在視網(wǎng)膜的表達(dá)上調(diào)。其中BMP4/Smad1與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的軸突再生有關(guān)，可以促進(jìn)脊髓后索軸突的再生和損傷修復(fù)[56]。BMP4/Smad1通路在RGC的神經(jīng)突以及RGC再生時表達(dá)高度上調(diào)，這意味著BMP4/Smad1通路是RGC軸突再生和損傷修復(fù)的一個潛在治療靶點(diǎn)[57]。BMP4/Smad1/5/8還可以通過抑制TGF-β/Smad2/3而促進(jìn)Müller膠質(zhì)細(xì)胞來源祖細(xì)胞(Müller glia-derived progenitor cell，MGPC)的形成，進(jìn)而影響視網(wǎng)膜神經(jīng)元的再生[58]。綜上所述，BMP4/Smad通路可以通過作用于TGF-β通路以及下游基因?qū)σ暰W(wǎng)膜神經(jīng)的保護(hù)和再生發(fā)揮一定作用。

5.3.2 BMP4/Smad信號通路與年齡相關(guān)性黃斑變性的關(guān)系隨著年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)的發(fā)展，AMD后期可以分為萎縮性AMD和新生血管性AMD。BMP4在這兩種AMD中的表達(dá)存在差異，這意味著BMP4可能是決定AMD后期發(fā)展的一個分子開關(guān)[59]。

BMP4在萎縮性AMD患者的RPE以及相鄰的ECM中高度表達(dá)[60]。RPE氧化應(yīng)激和衰老是AMD發(fā)生的重要因素之一。BMP4可以通過經(jīng)典Smad通路和p38 MAPK通路，激活p53和p21 (Cip1/WAF1)，并且減少Rb磷酸化，從而觸發(fā)RPE的衰老，這意味著BMP4可能是氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的萎縮性AMD的一個新的治療靶點(diǎn)[61]。

BMP4還可以通過直接抑制MMP9，間接抑制血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達(dá)，從而在新生血管性AMD中起到抗血管生成的作用。其中BMP4可以通過Smad1/5抑制RPE細(xì)胞中TNF誘導(dǎo)的MMP9的表達(dá)[62]。Tosi等[63]研究顯示，BMP4/Smad通路或許還可以通過抑制TGF-β1，對新生血管性AMD起到一定的治療作用。

5.3.3 BMP4/Smad信號通路與增生型玻璃體視網(wǎng)膜病變的關(guān)系增生型玻璃體視網(wǎng)膜病變(proliferative vitreoretinopathy,PVR)是一種嚴(yán)重的影響視力的視網(wǎng)膜脫落并發(fā)癥，其特征是形成可收縮性的纖維膜，并且與RPE細(xì)胞的EMT密切相關(guān)。BMP4在抑制纖維化方面發(fā)揮著重要作用，BMP4可以使Smad1/5/8磷酸化，抑制由TGF-β誘導(dǎo)的Smad2/3磷酸化，從而抑制RPE細(xì)胞中由TGF-β引起的EMT[64]。這說明BMP4/Smad通路可以抑制TGF-β通路，進(jìn)而抑制RPE細(xì)胞的EMT，對PVR起一定的積極作用。

6 小結(jié)

BMP4在眼發(fā)育和成熟眼組織中起重要作用。如果BMP4/Smad信號通路被阻斷，將會嚴(yán)重影響角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜的發(fā)育。從這一角度來看，或許會為誘導(dǎo)hiPSC從而治療眼部疾病提供一個新思路。

此外，BMP4在成熟眼組織的多個部位表達(dá)。通過研究BMP4/Smad通路，可以進(jìn)一步探究一些眼部疾病的發(fā)病機(jī)制，為臨床治療提供了新的可能。例如，BMP4/Smad通路與角膜上皮穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)，這或許會為角膜修復(fù)提供新方向；BMP4及其受體在TM中大量表達(dá)，與房水循環(huán)密切相關(guān)，可能成為青光眼新的治療靶點(diǎn)；BMP4/Smad通路在視網(wǎng)膜神經(jīng)和血管中的作用也極有研究意義，將為許多視網(wǎng)膜疾病的治療提供新思路。

同時BMP4/Smad通路與Wnt/β-catenin、FGF、TGF-β等通路相互作用，這幾條通路本身與眼發(fā)育及部分眼部疾病關(guān)系密切，進(jìn)一步探究眼組織中BMP4/Smad通路與其他通路的協(xié)同作用，或許會為眼發(fā)育及眼部疾病的研究帶來意想不到的收獲。