骨形態(tài)發(fā)生蛋白5在腫瘤中的研究進展

張澤亞，蔣海越

(中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院整形外科醫(yī)院整形七科，北京 100144)

1965年，Urist[1]首次從脫礦骨基質的提取物中發(fā)現(xiàn)并描述了骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)。BMP具有獨立誘導活體骨骼以外部位軟骨內(nèi)成骨的能力。BMP家族屬于轉化生長因子-β家族亞群，成員眾多。除BMP1外，其余BMP所編碼的蛋白質均屬于轉化生長因子-β超家族多肽成員。BMP的正常調(diào)節(jié)對人體器官發(fā)育、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)至關重要，而其異常調(diào)控與人類腫瘤的發(fā)生關系密切[2-3]。BMP5位于人類第6號染色體，長度為9.4 kb，該基因由7個外顯子組成，編碼一個由454個氨基酸組成、分子量為51 737、空間結構含有二硫鍵的同源二聚體蛋白質[4]。BMP5是BMP家族的重要成員，最初發(fā)現(xiàn)其具有調(diào)節(jié)細胞增殖、凋亡以及促進軟骨發(fā)育的作用。目前發(fā)現(xiàn)BMP5在腫瘤中也具有重要作用，可作為生物標志物或治療靶點?，F(xiàn)就BMP5在胚胎發(fā)育、成熟個體中的生物學作用及在腫瘤中的作用進行綜述。

1 BMP5概述

1.1BMP5的特征 BMP5主要分布于腦細胞、軟骨膜細胞以及胎盤、眼、前列腺、肺、腎臟、膀胱、胃腸道、肌肉組織中，其可與硫酸乙酰肝素特異性作用，進而向細胞傳遞特定信號[5]。BMP5通過自分泌或旁分泌機制與表達相應受體的細胞結合，從而啟動相關通路的下游事件。

BMP5的分泌是先合成大的前體蛋白，然后經(jīng)過蛋白水解、糖基化，最終以有活性的二聚體的形式分泌[6]。該二聚體由7個高度保守的半胱氨酸殘基相互作用形成，可保持BMP5蛋白的形態(tài)穩(wěn)定，而這一步是BMP5發(fā)揮信號轉導功能的關鍵[7-9]。有活性的BMP5與具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的BMP受體(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)1和BMPR2相互作用，組成四聚體信號復合物。BMPR2屬于活性受體，BMPR1包含一個富含絲氨酸/甘氨酸結構域，該結構域可被復合物中的BMPR2磷酸化，從而誘發(fā)Smad1/5/8信號通路下游典型信號效應器的招募，并與Smad4相互作用，移位至細胞核，調(diào)節(jié)靶基因表達[10-11]。Billings等[5]發(fā)現(xiàn)，成熟BMP5的C端含有一個具有較強硫酸乙酰肝素結合能力的高度保守的結構域，采用固相分析技術發(fā)現(xiàn)，包含該C端結構域的多肽與硫酸乙酰肝素的結合力與BMP2和BMP4 N端結構域的多肽與硫酸乙酰肝素的結合力無明顯差異[5]。且在微團培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，BMP5 C端的多肽可刺激原代小鼠胚胎肢芽細胞的軟骨生成和成軟骨基因的表達[5]。

1.2BMP5的生物學功能

1.2.1生物個體成熟方面 BMP作為刺激機體器官形成的因子引起廣泛關注。Guenther等[12]對動物胚胎期骨骼形成和成年動物急性損傷后BMP5基因的表達情況進行檢測，結果發(fā)現(xiàn)BMP5區(qū)域中多個基因組片段可以相互作用，并共同協(xié)調(diào)BMP5在生物體不同解剖部位中的表達，包括在動物個體成熟前的肋骨形成過程。此外，動物成體肋骨骨折后可激活BMP5基因含有的“損傷反應”控制區(qū)，進而激活BMP5基因的表達[12]。類似的“損傷反應”控制區(qū)在動物個體發(fā)生脛骨骨折、背部皮膚損傷以及肺損傷后亦可觸發(fā)BMP5基因的表達[12]。綜上，在動物成體中BMP5基因包含的“損傷反應”控制區(qū)可被多種類型的損傷激活，從而促進動物不同器官和組織的修復及生長。

Kusakawa等[13]采用免疫組織化學法分析了BMP5在成年大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達情況發(fā)現(xiàn)，BMP5在大部分神經(jīng)元及其樹突、軸突中表達豐富；大鼠小腦皮質中藍斑、孤束核等可塑性較強的灰質神經(jīng)纖維中存在BMP5的強陽性表達，同時在星形膠質細胞、室管膜細胞以及腦膜中也有BMP5的表達。Shi等[14]運用生物信息學技術探究中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復過程所涉及的共同表觀遺傳變化發(fā)現(xiàn)，BMP5作為核心基因之一在神經(jīng)損傷后高表達，其能抑制細胞凋亡，促進細胞增殖。以上研究表明，BMP5在成年個體神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達，表明其在成體中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)中可能發(fā)揮重要作用，調(diào)控相關的生理及病理過程。

1.2.2胚胎發(fā)育方面 神經(jīng)嵴細胞是在脊椎動物發(fā)育過程中短暫存在的胚胎細胞群體，是背側神經(jīng)管的上皮細胞，可分化產(chǎn)生骨細胞、軟骨細胞，參與顱面部的正常發(fā)育[15]。在神經(jīng)嵴細胞誘導過程中，適宜的BMP表達量非常重要。Shih等[16]研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚的神經(jīng)嵴前體細胞表達BMP5，而BMP5可以啟動相關信號通路，進而調(diào)節(jié)神經(jīng)嵴細胞的存活和增殖，協(xié)助神經(jīng)嵴細胞發(fā)揮生理作用。Hippo信號通路是一個進化相對保守的通路，其參與細胞的增殖、遷移、分化以及成體內(nèi)組織細胞的動態(tài)平衡、腫瘤發(fā)生等[17-18]。Yes相關蛋白(Yes-associated-protein，YAP)是Hippo信號通路的主要效應因子[19]，也是斑馬魚顱骨神經(jīng)嵴發(fā)生所必需的因子[20]。Kumar等[21]發(fā)現(xiàn)，YAP在禽胚的背側神經(jīng)管和早期遷移的神經(jīng)嵴細胞中表達。抑制BMP或Wnt信號會降低YAP活性并減弱YAP介導的神經(jīng)嵴細胞遷移能力；反之，背側神經(jīng)管中YAP功能的喪失也可抑制BMP或Wnt信號表達[21]。YAP與BMP/Wnt分子網(wǎng)絡密切相關。結合既往BMP5在斑馬魚神經(jīng)嵴細胞中的表現(xiàn)，未來可將BMP5與Hippo通路串聯(lián)研究。

為了探究BMP5對牛胚胎早期發(fā)育的影響，García等[22]對BMP5、BMPR的基因表達和外源性BMP5對機體發(fā)育以及與發(fā)育有關的重要基因表達的影響進行研究，通過分析BMP5和BMPR(BMPR1A、BMPR1B和BMPR2)信使RNA的表達發(fā)現(xiàn)，盡管早期在胚胎培養(yǎng)基中加入100 ng/ml的BMP5對卵裂率無影響，但從卵裂胚胎發(fā)育到囊胚期的比例明顯增加。運用反轉錄實時定量聚合酶鏈反應研究發(fā)現(xiàn)，SRY盒轉錄因子2基因在雙細胞期胚胎中的相對豐度顯著增加，分化抑制因子基因和干細胞多能性調(diào)節(jié)基因八聚體結合轉錄因子4在8-細胞胚胎中的相對豐度明顯增加，且同源蛋白轉錄因子NANOG(nanog homeobox)和八聚體結合轉錄因子4在BMP5處理的胚泡中的相對豐度也顯著增加，而NANOG的表達有助于胚胎的成活以及外胚層的形成[23]。以上研究結果初步表明，在胚胎培養(yǎng)液中早期添加BMP5對囊胚發(fā)育率有積極影響，并影響B(tài)MP靶基因和某些多能基因的相對表達，提示BMP5在牛胚胎著床前的發(fā)育過程中可能發(fā)揮重要作用。

2 BMP5與腫瘤

2.1BMP5與結直腸癌 散發(fā)性結直腸癌是結直腸癌中最常見的類型，結腸上皮細胞表觀遺傳突變的積累是該病發(fā)生、發(fā)展的原因之一[24]。有報道顯示，微RNA(microRNA,miRNA/miR)表達異常與散發(fā)性結直腸癌有關[25]。miR-32作為一種保守的miRNA與多種腫瘤的發(fā)生有關[26]。BMP5是miR-32的直接靶點[27-28]，這是對既往研究的抑癌基因人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因[29]、Kruppel樣因子4[30]和F框/WD40域蛋白基因7[31]以及癌基因Twist家族BHLH轉錄因子1[26]和組蛋白甲基化轉移酶果蠅zeste基因增強子同源物2[32]與miR-32相互作用網(wǎng)絡的進一步補充。研究認為，BMP5缺失在結腸正常上皮向腺瘤轉化中占主要地位，其表達異常觸發(fā)腫瘤的發(fā)生發(fā)展[27-28]。有研究通過轉錄組測序技術發(fā)現(xiàn)了一個新的涉及BMP5的轉導通路，即Janus激酶/信號轉導及轉錄激活因子信號轉導通路[27-28]。上皮基質相互作用蛋白1基因位于染色體13q13.3，最初作為人乳腺癌間質成纖維細胞誘導基因被報道，其在乳腺癌患者中高表達，具有調(diào)節(jié)腫瘤細胞特性和上皮-間充質轉化的功能[33]。上皮基質相互作用蛋白1水平升高參與由白細胞介素-28A誘導的Janus激酶/信號轉導及轉錄激活因子信號轉導通路的激活，而BMP5則通過Janus激酶-信號轉導及轉錄激活因子信號轉導通路抑制上皮基質相互作用蛋白1的激活，進而抑制白細胞介素-28A的表達，達到進一步抑制Janus激酶/信號轉導及轉錄激活因子信號轉導通路下游基因的目的。

2.2BMP5與肺癌 肺癌是最常見的癌癥之一，發(fā)病人數(shù)占癌癥患者的11.6%，也是最主要的癌癥死亡原因之一，肺癌患者死亡人數(shù)占癌癥總死亡人數(shù)的18.4%[34]。肺癌包括小細胞肺癌和非小細胞肺癌，其中非小細胞肺癌包括腺癌、鱗癌、大細胞肺癌和混合癌，約占所有肺癌的90.8%[35]。BMP在腫瘤細胞的增殖、轉移以及侵襲過程中起重要作用。Deng等[36]對非小細胞肺癌組織中的BMP信使RNA進行分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織中BMP5和BMP7信使RNA水平均顯著低于相應的非癌組織；肺腺癌組織中BMP5信使RNA的水平顯著高于肺鱗癌組織；免疫組織化學分析顯示，BMP5蛋白在肺腺癌中的表達水平高于肺鱗癌。故推測BMP5可能是非小細胞肺癌患者潛在的預后生物標志物或治療靶點。Pin2/TRF1結合蛋白X1基因是抑癌基因[37]，其在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中扮演重要角色[38-39]。Tian等[40]發(fā)現(xiàn)，Pin2/TRF1結合蛋白X1可導致非小細胞肺癌細胞周期阻滯，且BMP5可能參與Pin2/TRF1結合蛋白X1相關的細胞增殖和細胞周期轉換過程，并可能是Pin2/TRF1結合蛋白X1抑制細胞增殖和細胞周期轉換的關鍵分子。在未來的研究中可敲除肺癌中的BMP5基因，以觀察其對腫瘤細胞增殖或凋亡的影響。

2.3BMP5與皮膚癌 在皮膚慢性腫瘤研究方面，了解角質形成干細胞的調(diào)節(jié)機制對于掌握傷口愈合和相關皮膚癌或腫瘤發(fā)病機制尤為重要。相關研究表明，角質形成干細胞位點1位于小鼠第9號染色體[41]。Kangsamaksin和Morris[42]研究發(fā)現(xiàn)，BMP5基因存在序列變異，BMP5在野生型小鼠毛囊間表皮和毛囊中表達，并促進相關干細胞增殖，BMP5的自發(fā)突變影響角質形成干細胞的增殖和皮膚腫瘤易感性，可作為角質形成干細胞位點1的候選干細胞調(diào)控基因加以研究。Park等[43]發(fā)現(xiàn)，BMP5在小鼠增生伴發(fā)育不良的乳頭狀瘤表皮和上皮中均有表達，瘤體的角質細胞產(chǎn)生的可溶性因子與BMP5協(xié)同作用，增強骨髓基質來源上皮細胞的角蛋白合成；且骨髓基質來源上皮細胞可在乳頭狀瘤和發(fā)育不良潰瘍等皮膚癌變過程中發(fā)生增殖、募集以及上皮化現(xiàn)象。

2.4BMP5與前列腺癌 前列腺腫瘤包括前列腺上皮來源或間葉來源的腫瘤，大部分為惡性。Huang等[44]對前列腺癌患者進行全基因組關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，BMP5單核苷酸多態(tài)性(rs3734444)與前列腺癌特異性死亡率及全因死亡率密切相關，其可為識別預后不良風險較高的患者提供參考，也有助于采取合適的治療措施。雄激素受體拮抗劑治療前列腺癌的療效顯著，但隨著治療時間的延長，部分患者會對雄激素受體拮抗劑產(chǎn)生耐藥，進而發(fā)展為去勢抵抗性前列腺癌。Zhao等[45]研究發(fā)現(xiàn)，BMP5基因在去勢抵抗的前列腺癌組織中的表達顯著上調(diào)，提示BMP5與前列腺癌相關，為靶向藥物的研究提供了參考。前列腺基底干/祖細胞的穩(wěn)定對前列腺癌的發(fā)生發(fā)展具有重要影響。Tremblay等[46]發(fā)現(xiàn)，基底干/祖細胞穩(wěn)態(tài)的維持受BMP5信號調(diào)節(jié)，運用小分子抑制劑抑制BMP5基因的表達或抑制BMP信號通路可延緩人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因缺陷小鼠前列腺癌的發(fā)生，表明BMP5基因對前列腺基底干/祖細胞的穩(wěn)定具有調(diào)節(jié)作用。但關于BMP5與前列腺腫瘤關系的研究往往是通過抑制目標基因的表達進而觀察其對動物模型或腫瘤細胞產(chǎn)生的影響，未來仍需擴大所選動物模型的類別，以期獲得BMP5與前列腺腫瘤關系更為有力的證據(jù)。此外，基因突變位點或相應的單核苷酸多態(tài)性如何更有效，甚至高效地應用于臨床治療，還需要進行更深入的研究。從遺傳學層面進行合理修復，使細胞恢復至正常的狀態(tài)為治療的根本。

3 小 結

BMP5作為BMP家族的重要成員，在肺部腫瘤、骨關節(jié)炎、皮膚腫瘤、先天性小耳畸形、前列腺增生等疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮獨特作用。BMP家族涉及多條信號通路，如通過轉化生長因子-β信號通路調(diào)控骨骼等的發(fā)育過程[47]；也可與Hippo-YAP及其同源蛋白含有PDZ結合基序的轉錄共激活因子信號通路中的YAP因子相作用，進而調(diào)控下游靶基因，產(chǎn)生相應生物學效應[48]；與Hedgehog信號通路相聯(lián)系，更好地維持胚胎發(fā)育的正常進展和成體組織細胞的穩(wěn)定性[49]；借助轉化生長因子-β信號通路、促分裂原活化的蛋白激酶信號通路與Wnt信號通路相互作用，協(xié)助維持細胞功能的正常運轉[50]。結合BMP5相關研究的最新進展，對與BMP5可能相關的基因位點、細胞通路、調(diào)控方式予以更細致的研究，將為更好地治療與BMP5相關的腫瘤疾病提供新方向。