骨形成蛋白-(BMP)的研究进展

骨形成蛋白(BMP，Bonemorphogeneticprotein)的研究进展骨形成蛋白（BMP）实际上是一组蛋白质，其组成多于30多种。从氨基酸的序列上看，BMP属于转化生长因子（TGF-β）家族成员，BMP是十分保守的分子，在脊椎动物、节肢动物和线虫中都相应的分子存在。1BMP的分子结构及种类BMP来源于不同的种属，其分子量的大小及cDNA的结构也不同。如:人的BMP2的ORF为1191bp编码396个氨基酸，文昌鱼BMP2/4的ORF为1236bp编码411个氨基酸，与人的BMP2和BMP4相似。BMP在细胞内以前体的形式生成，在细胞的高尔基体内通过furinconvertase在前体Arg-X-X-Arg保守位点剪切加工，生成C端117个氨基酸的BMP成熟肽，分泌到细胞外。通过对TGF-β家族成员的晶体结构分析，TGF-β2和BMP7单体的中心是一个在C端包括6个保守的半胱氨酸组成的半胱氨酸链，通过这些保守的氨基酸序列与其它单体形成二聚体，更好的发挥其功能。BMP在进化过程中是高度保守的，在不同的生物体中都存在，包括脊椎动物、文昌鱼、海鞘、海胆、果蝇、线虫。根据目前所发现的30多种BMP的结构和功能不同，可分为不同的亚型，有骨形成蛋白(BMPs)，成骨蛋白(OPs)，生长和分化因子(GDFs)等[44]。见图l-2。图1-2BMP家族成员系统关系Fig.1-2ClassesofBMPfamiliesandrelationshipsofBMPswithotherTGF-βsuperfamily.2BMP的基因表达模式及其调控基因的表达反映了它潜在的功能，BMP由于具有广泛的生物学功能，除了在间充质皮层分布外，在其它部位也有广泛的分布。小鼠交配后的8.5天，BMP2在羊膜的中胚层细胞和内脏、尿囊、头褶下的侧板中胚层绒毛膜细胞中表达[45]。8.5-9.5天在神经管下方的外胚层背面以及大约在9.5-10.5天的心脏心肌细胞层、发育肢的极化活性区域中表达[46]。而在12.5天后，BMP2则在间充质细胞层中表达，形成肋骨脊椎，同时在牙齿发育和眼的发育过程中也能看到，在后来的发育过程中BMP2在长骨和正在形成的趾骨软骨细胞中也表达。BMP4与BMP2的同源关系最近，在小鼠胚胎的原肠胚形成时开始表达[47]。在7.5天时，BMP4在胚胎中广泛的分布，比如:尿囊、羊膜。但在鸡的此时胚胎发育时，BMP4的表达仅限于外胚层中[48]。在8.5-9.5天，BMP4在神经管、中胚层的后侧、间脑、以及外胚层的背部表面和神经脊细胞中高丰度表达，随着发育的进行，BMP开始在发育的内脏、心肌、眼、听囊向背中线的端脑脉络膜皮层周围的中胚层也开始表达。从BMP2和BMP4的表达模式中可以看出，它们在发育的肢芽和齿芽的上皮细胞和间充组织中都表达，这也暗示了这两种分子在上皮和间充质的相互作用中起着重要的作用，从而调节骨骼和牙齿以及其它器官的发育。BMP5在发育的肺间充质细胞、输尿管、消化道相连的组织、心室、脑脊膜、端脑中表达。同时在骨骼发育过程中，BMP5在胸骨、甲状腺软骨、气管软骨环、以及脊椎的部分形成细胞中也有分布。BMP6也有广泛的分布模式，分布于鳃陷、卵黄囊的内胚层、神经管、心脏表皮层、皮肤、骨骼的软骨细胞。BMP7的表达是另一个研究较为深入的BMP成员，在早期的原肠胚时期，分布于胚胎周边的外胚层，且在外胚层、脊索、消化道高丰度表达。同时其表达贯穿着在心脏发育的整个过程。在眼的发育过程中，BMP7在晶状体基板、视觉小泡中也表达。另外，BMP7在发育的肢、肾脏、尿道表皮层都有分布。对于其它的BMP成员来说，其表达模式也不尽相同，分布于特定的组织中。如：Gdf9在卵巢、精巢和下丘脑中表达。Gdf8则仅限于骨骼肌中表达。BMP10也只在心脏中表达。另外，Gdf1、Gdf7、Gdf11只分布在发育的神经系统中。将BMP2的启动子与荧光素酶的基因连接后转染成骨细胞发现，加入BMP2时，荧光素酶的活性增加，从而得出BMP2可促进BMP2mRNA表达，这是BMP2对BMP2的启动子正反馈调节的结果。另外TGF-β、P53和Rb也可作为转录调节因子参与调控BMP2基因的表达。近年来发现Sonichedgehog分泌蛋白在脊椎动物肢体发育过程中控制BMP2的表达[50]。eIF-3也与BMP2存在表达的正反馈调节，从而调节神经外胚层的发育。对于BMP表达的调节来说，它也是调节BMP功能的一种重要方式，从而影响着胚胎的发育。在胚胎背腹轴形成时，来自背部的组织者中心的信号noggin能抑制BMP的在胚胎背部表达，使外胚层分化出神经组织和中胚层形成背腹轴[51]。同时，很多的证据都表明，在果蝇胚胎的一些组织中hedgehog基因能调节dpp的表达，如:在果蝇的翅膀、腿和眼的器官芽组织中hedgehog调节dpp的表达，且dpp同样也能保持hedgehog的表达[52]。在脊椎动物，现己发现至少有三个与果蝇hedgehog相似的基因，Shh,Indianhedgehog,Deserthedgehog。在老鼠和鸡的胚胎中BMP在hedgehog表达的相邻或重叠的位置表达，从而在老鼠胚胎牙齿形成过程中牙上皮组织生长下调形成牙尖[53]。3BMP的功能及其作用基理BMP是TGF-β超家族成员中最大的一族，是一个多功能的生长因子，BMP在体外以同源或异源二聚体发挥功能，在发育的很多方面都起着重要的作用。通过调节一群广泛多样的基因活性，控制中胚层形成、左右对称、背腹轴的形成、神经系统发生、体节和骨骼发育、肢体形成和肾、胃肠、肺、牙齿的发育等基本的发育过程。3.1.诱导骨骼的形成和成骨细胞的分化BMP分子最早是由Urist等人发现的。在啮齿类动物的肌肉和皮下组织BMP分子能诱导骨骼和软骨的形成。BMP能促使间叶干细胞分化为软骨细胞，同时BMP也能调节成骨细胞的分化。3.2.BMP2和BMP4对早期胚胎细胞的发育和分化的影响通过对小鼠胚胎干细胞的BMP4基因的突变，发现多数的突变体在原肠胚时期死亡，且不能形成胚胎中胚层伽[54]。而有些突变体即使能进一步发育下去，其发育速度也比野生型慢，胚胎后轴的发育也较短。除此之外，这些突变体的卵黄囊中缺失造血干细胞分化为造血细胞，说明BMP也可能参与免疫细胞的形成。3.3.BMP7对肾脏、眼、肢发育的影响对BMP7小鼠突变体肾脏发育过程研究发现，在外胚层尿道褶和周围的后肾间充质能正常的相互作用，形成上皮层和间充质形成小管。而后由于间充质细胞的凋亡，肾的发育被停止。同样小鼠眼的视觉小泡、晶状体虽能诱导形成，但发育一段时间后，眼杯和晶状体生长停止。此外，小鼠突变体也出现多趾的现象[55]。3.4.BMP对胚胎中胚层的形成在早期胚胎形成过程中，发育的三个胚层的背腹轴、前后轴的形成对胚胎的正常发育起着重要的作用。对BMP-4的过量表达研究发现，在原肠胚时期BMP位于胚胎的腹部，且作为一种腹部化因子诱导中胚层腹部后部的形成[56]。近年来也发现，BMP是外胚层表皮的形成以及抑制外胚层神经管的形成所必需的[57]。除了形态学上的观察外，在分子水平上也能很好的说明BMP对中胚层形成的影响。在非洲爪蟾胚胎囊胚背部显微注射BMPmRNA发现，背部中胚层不能形成，背部中胚层的标志基因gsc被BMP抑制其表达[58]。这些现象除在非洲爪蟾可看到外，在小鼠、斑马鱼及节肢动物果蝇的胚胎发育过中也得出相似的结果。不同的是，胚胎发育进化过程中在节肢动物和两栖类之间出现了胚胎背腹轴的逆转。动物胚胎的背腹轴的形成由果蝇的dpp和sog、非洲爪蟾的同源基团BMP4和chordin基因所控制。从其分布的情况可以看出，果蝇Dpp分布在胚胎背面，促进胚胎背部结构的形成，相反，非洲爪蟾的同源基因BMP4则分布在腹面，促进中胚层腹部结构的形成。相比较而言，Sog在果蝇的腹侧部表达，诱导外胚层腹部神经管的形成，相反，Chardin则能诱导非洲爪蟾中胚层背部结构及外胚层神经管的形成。从此，可以看出胚胎的背、腹轴的形成是依赖于BMP和Chordin相互拮抗的结果，在动物胚胎发育过程中是十分保守的。3.5.BMP对神经系统发育的影响原肠胚时期能抑制神经胚的形成：在脊椎动物背部胚囊唇缘的组织者中心含有一些BMP相关的因子和BMP调节蛋白，它们参与了神经胚和背腹轴的形成[59]。组织中心包括了中胚层和内胚层及在相邻的背部外胚层，指导正确的神经胚的形成。BMP4和BMP7在外胚层表达，为表皮的诱导因子，同时伴随着抑制神经胚的形成。在BMP受体I突变体中发现胚胎能正常发育为神经胚，这种现象与突变BMP4和BMP7的现象相似。在组织中心的chordin,noggin和follistatin作为BMP的调节蛋白，由于能拮抗BMP信号，与BMP结合，影响BMP与其受体的结合，从而诱导神经胚的形成[59-61]。从这个实验也说明抑制BMP信号途径对于外胚层转化为神经外胚层是必需的。对神经管背腹模式的调节：在神经管沿着前后轴发育过程中，神经管侧缘的非神经细胞能分泌诱导背部化的BMP信号产生神经褶干细胞、感觉神经、足部的板细胞[62]。在神经管的背部BMP通过诱导Pax1,Msxl,zinc-fingertranscriptionfactor,Slug表达，从而诱导神经管背部特定细胞的生成，如神经褶干细胞、背部感觉神经细胞等。相反，在神经管的腹部BMP与SonicHedgehog的相互作用，激活Islet-1,Nkx2.2基因的表达，从而诱导神经管腹部特定细胞的生成，如中间神经元、少突细胞等[62,63]。调节发育过程中神经元的分化和凋亡：在中枢神经系统中，BMP能刺激多潜能的少突胶质星形胶质原细胞形成星形胶质细胞，同时伴随着神经元少突胶质系的形成，在神经元分化的后期，BMP参与促进各区域神经元的成活和树突的过量生长，在周围神经系统中，BMP指导从神经褶干细胞分化成各种神经元系，且抑制神经胶质系和黑素细胞的生成。在菱脑神经褶发育时，BMP4调节奇数菱脑节的选择性凋亡，其可能的机理是，奇数菱脑节中通过上调BMP4的表达，从而诱导Msx2上调表达，另外由于Krox-20表达的升高及BMP抑制剂follistatin的表达的抑制，都将导致奇数菱脑节的凋亡。3.6.BMP的作用机理BMP的功能存在多样性，这在一定的程度上由于细胞内的辅因子参与了BMP信号的转导，同时也是其它信号通路与之相互交连的结果。BMP首先是以前体的形式生成，在细胞内通过蛋白酶的作用剪切生成C端成熟蛋白，分泌到胞外，形成二聚体与丝氨酸/苏氨酸激酶II型受体结合（图1-3），然后与I型受体结合形成三聚体，接着II型受体磷酸化I型受体GS区域的丝氨酸和苏氨酸残基，这样活化的I型受体能磷酸化特定R-Small分子大SSXS区域，Smad1,-5,-8优先转导BMP途径。不同的I型受体识别和磷酸化不同的R-Smad分子从而激活不同的信号信息系统。R-Smad所以被认为在转导BMP途径中起着重要作用[64]。磷酸化的R-Smad分子从受体中释放出来，与CQ-Smad（Smad4很多途径共用这个分子）相互结合，形成二聚体进入核内，与转录辅因子形成复合物结合在目的基因启动子上启动基因的表达。Smad单独也能与特定的DNA序列结合，不过这种微弱的结合导致结合的效率较低且特异性也较弱。它必须与其它因子结合，如转录激活辅因子P300,CBP,zincfingerproteinOAZ从而有效的启动目的基因的转录。这种作用机理在动物进化过程中是十分保守的，在线虫、果蝇和高等的脊推动物中也存在此信号通路，在线虫中已有三条BMP类似的途径:thedauer,Sma/Mab,unc-129。同时它们分别具有相似功能的分子存在，如在高等动物中的关键分子Smad，在线虫中同源分子为sma，而果蝇中则为Mad[65]。除了这种经典的BMP-Smad通路外，BMP信号也能被TGF-βactivatedkinase1(TAK1)转导，即BMP-TAK1信号途径，BMP激活的膜受体