BMP—4增殖分化作用的研究进展
作者：徐志泉，易著文，何小解。
【摘要】 BMP—4通过Smad等信号转导系统将细胞表面信号转入细胞核。BMP—4调控早期胚胎发育；BMP—4诱导成骨、促进骨胶原生成、骨痂的形成和再塑，从而使骨完美修复；BMP—4是维持神经健康和再生的神经营养因子，能促进神经干细胞增殖分化，使新生的神经元迁移到颗粒细胞层分化为成熟的颗粒神经元，还刺激胶质细胞合成神经营养因子；BMP—4诱导内耳感觉上皮祖细胞分化为毛细胞，还参与了内耳神经纤维的形成和发育；BMP—4通过Msx2促进了牙胚的发育和调控釉结细胞的凋亡；BMP—4调控肺动脉平滑肌细胞增殖、分化以及细胞外基质的合成。BMP—4调控多种组织的增殖分化，提示BMP—4有望成为干细胞治疗的调控因子，在器官再生、修复、定向重构等再生医学中起重要作用。
增殖分化在器官组织的功能结构的正常维持中具有重要作用。骨形态发生蛋白4（bone morphogenetic protein—4，BMP—4）在多种脏器中表达，BMP—4主要作用于未分化间叶组织细胞，对多种细胞的增殖分化具有调控作用。对BMP—4的研究利于揭示器官组织生成发育机制和再生修复机制。
1 BMPs种类。
BMPs家族属于TGF—β超家族，该家族已经发现40多个成员，包括BMPs、生长和分化因子（GDFs）、活化素（activins）、抑制素（inhibins）、苗勒管抑制物质（mullerian inhibitor substance，MIS）和TGF—β。TGF—β超家族成员是以前体大分子的形式合成，经过蛋白水解酶切割从前肽区释放出成熟蛋白。已经发现的BMPs有15种，根据氨基酸序列分为3个亚群：BMP—2和BMP—4、BMP—5、BMP—8、BMP—3和GDF—10。除BMP—1外，每个成员都有骨诱导的功能［1］。BMP—2诱导鼠胚胎间充质干细胞 C3H10T1/2成脂肪分化［2］。
TGF—β1/Smads信号通路是急慢性肾脏病肾脏纤维化重要的转导通路。BMP—7不仅影响TGF—β1/Smads通路的信号转导，还与TGF—β1存在互逆作用，可多方面抵消TGF—β1的促肾纤维化作用［3，4］；BMP—7在急慢性心脏损害心肌纤维化过程中也发挥了负性调节的作用［5］；BMP—7在缺血和缺氧性损伤尾壳核细胞内的表达并参与损伤修复［6］。
2 BMP—4传导机制。
2.1 BMP—4受体机制 TGF—β超家族中包括BMPs、TGF—β1、TGF—β2、GDFs，受体主要分为Ⅰ型受体、Ⅱ型受体。Ⅰ型TGF—β受体不直接与TGF—β配基结合，Ⅱ型TGF—β受体首先与TGF—β配基结合，形成二元复合物，然后吸引Ⅰ型受体，接着Ⅰ型受体识别这个二元复合物，并与之结合形成三元复合物。TGF—β与细胞膜表面的Ⅱ型受体结合，继而磷酸化激活，活化的Ⅰ型受体再进一步作用于细胞内的下游分子，使TGF—β的信号向细胞内转导。目前广为认可的受体模型是四聚体模型，即两个Ⅰ型受体的同二聚体和两个Ⅱ型受体的二聚体一起组成四聚体，共同将信号传入细胞内。Ⅱ型受体处于自动磷酸化状态，当与配基结合后，其蛋白激酶活性催化Ⅰ型受体GS区的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，磷酸化的Ⅰ型受体可进一步磷酸化下游分子，将信号传入细胞［7,8］。BMPs的Ⅰ、Ⅱ型受体在结构和特性上都与TGF—β和激活素等的有所区别，但结构和功能上与TGF—β超家族的Ⅰ、Ⅱ型受体具有同源性。
BMP—4作为TGF—β超家族的成员与TGF—β信号传导机制类似，差别在于BMPs的Ⅰ、Ⅱ型受体与配体结合力都不强。当Ⅰ、Ⅱ型受体形成复合物后，才与配体有高亲和力。和其他TGF—β超家族成员一样，BMPs在细胞表面与Ⅰ、Ⅱ型受体相互作用、相互依赖。Ⅱ型受体可以在无Ⅰ型受体时与配体结合，但是Ⅱ型受体在无Ⅰ型受体时不能传导信号；Ⅰ型受体在无Ⅱ型受体时不能与配体结合，故Ⅰ型受体与配体的结合则需要Ⅱ型受体。Ⅰ型受体可以和稍过量的配体结合，而Ⅱ型受体与配体的结合则是特异性的，表明受体与配体结合的特异性主要取决于Ⅱ型受体而非Ⅰ型受体。BMPs受体Ⅱ在和Ⅰ型受体结合后才能与配体有效结合，即单独的Ⅰ、Ⅱ型受体都与配体无高亲和力，而结合后则亲和力大增。这表明BMPⅠ、Ⅱ型受体可能联合形成一个高亲和力的结合位点。根据配体的不同，BMPⅡ型受体与三种Ⅰ型受体的作用能力不同，所形成的相应的受体复合物的信号传导能力也不同［9］。
2.2 BMP—4信号转导通路 BMPs的调控都通过结合受体发挥作用，其机制是典型的细胞表面接受配体信号，胞浆内进一步处理，随后信号进入胞核的过程。BMPs［10~12］信号转导通路由配体、受体、及Smads蛋白等组成，Smad蛋白直接参与TGF—β、BMPs和活化素的信号传导，TGF—β和BMPs是调节骨代谢的信息转导是由Smad蛋白家族成员承担的。Smads主要由Smad1~8构成［13,14］。配体BMP—4与BMPR—Ⅱ结合后，BMPR—Ⅱ磷酸化，激活异聚体中的Ⅰ型受体（如ALK—3/BMPR—IA，ALK—6/BMPR—IB，ALK—2）并与之形成受体复合物，复合物激活了Ⅰ型受体的蛋白激酶，导致细胞内Smads蛋白（如Smad1，Smad5，Smad8）的磷酸化，ALK—3及ALK—6可激活这三种Smads，而Smad2只激活Smad1，Smad5［15］。激活的R—Smads（主要有Smad1，Smad3，Smad5，Smad8）与共用型（CO—Smad4）结合形成Smad蛋白复合物，该复合物进入细胞核内与特异的转录启动子或辅阻遏蛋白再次结合形成复合物，最终与DNA结合，进行特异的转录调控过程［16,17］。与成骨细胞分化调节有关的骨代谢密切相关的是Smad1、Smad5及Smad4。实验证明在成骨细胞系Smad是BMPs信号转导的关键因子［18］。
3 BMP—4的作用机制。
3.1 BMP—4与细胞增殖 BMP—4基因的缺陷将导致早期中胚层发育的缺陷及动物的胚胎性死亡［19］。GDF—5影响关节的发育，它的缺失导致矮足鼠的发育畸形而GDF—6可以纠正许多GDF—5缺失造成的缺陷。BMPs对于胚胎发育、器官形成具有重要作用。在器官形成时，BMP—2的过量表达导致骨发育畸形。短耳鼠的发育畸形及特定部位骨折愈合的延缓正是由于BMP—5的基因突变所致。BMPs［20］及其受体的表达存在于神经发育过程中可能充当另一种神经营养因子，以自分泌和旁分泌的方式在维持调节外周神经的健康和再生中发挥作用。马真胜等［21］等对大鼠闭合性胫骨骨折动物模型研究中，通过应用BMP—4 cDNA探针，检测了骨折愈合过程中外骨痂内BMP—4基因表达的定位与分布，表明创伤激活BMP—4 mRNA的表达，并呈区域性参与骨折的修复。由于骨骼组织内BMP—4的作用，其直接诱导软组织成骨，从而使创伤后骨组织的再生修复十分完全，修复常无瘢痕残留。
3.2.1 BMP—4与早期胚胎发育 BMPs指导身体基本形态的形成并在特定的部位引导形成特异的组织。在随后的器官形成阶段，特定的BMP—4诱导身体特定部位的骨结构及其附属组织的形成；BMP—2基因位点的缺失将导致心脏和羊膜的发育缺陷，最终导致胚胎性死亡。
3.2.2 BMP—4与神经干细胞分化 侧脑室附近的室管膜下层，是目前公认的成年个体神经干细胞最为集中的部位，室管膜下层神经干细胞分化过程中具有较高的BMP—4启动子活性，且明显高于皮层神经干细胞［22］。室管膜下层神经干细胞的BMP—4启动子活性与神经元分化高度正相关，显示BMP—4在室管膜下层神经干细胞分化过程中的独特作用。成年哺乳动物脑内的神经发生限于侧脑室的室下区和海马齿回的颗粒下区。BMP—4作用下新生的神经元能迁移到颗粒细胞层分化为成熟的颗粒神经元。对于成年海马神经发生的调控机制的研究显示，局部微环境控制神经发生，对神经干细胞微环境的认识在理解神经干细胞如何增殖、分化，最终整合到成熟的神经环路中。Mabie等［23］研究发现部分BMPs可以促进星形胶质细胞的蛋白合成与分化，认为BMPs可能具有神经营养的作用，BMPs可以刺激胶质细胞合成及释放胶质细胞来源的神经营养因子。BMP—4以自分泌和旁分泌的方式不仅在维持调节外周神经的健康和再生中发挥一定的作用，BMP—4可以促进神经嵴干细胞的自主神经元分化［24］。
3.2.3 BMP—4与内耳感觉上皮祖细胞分化 Li等［25］等对离体培养的小鸡听泡研究发现，加入拮抗剂Noggin或可溶的BMP受体后，BMP信号通路被阻断，毛细胞和支持细胞生成显著减少，而加入外源性BMP—4后毛细胞数量增加，证明BMP—4诱导增殖感觉上皮祖细胞向分化为特殊功能上皮细胞——毛细胞。BMPs还可能还参与了内耳神经纤维的形成和发育。Smad4蛋白是BMP—4受体复合物的下游信号调节蛋白，可将信号从细胞膜直接转导至细胞核，从而对BMP—4胞内信号转导起着关键的作用。Smad4作为BMP—4信号转导通路中的通用Smad之一，在细胞增殖、分化、移行、凋亡等过程中可能起着尤其重要的作用，从而参与内耳形成与感觉上皮分化的调控。
3.2.4 BMP—4诱导成骨 体外实验证明其具有促进成骨细胞分化的能力。BMPs受体包括BMPⅡ型受体和Ⅰ型受体，活化的BMPⅠ型受体磷酸化调节型Smad（Smad1，Smad5，Smad8），与通用型Smad（Smad4）结合形成异源寡聚体后，进入细胞核，参与调控靶基因的转录［26］。
BMP—4对骨胶原生成起促进作用。观察兔下颌骨牵引成骨过程，牵引成骨新骨生成区BMP—4主要定位于成骨细胞和软骨细胞中，表达高峰出现在稳定期的1、7天，此后逐渐下降，第28天阳性表达微弱［27］。