骨形態(tài)發(fā)生蛋白-1的研究進展

鄒 聰 綜述，常 新 審校

(大連醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院 口腔科，遼寧 大連 116027)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白-1(BMP-1)，最初是從牛骨的成骨性浸出物中分離出來的，當(dāng)時認為它與BMPs家族的其它成員一樣具有骨誘導(dǎo)的活性，因此而得名。然而后來，對于它的大部分研究卻顯示BMP-1本身并沒有誘導(dǎo)骨及軟骨形成的能力。有關(guān)BMP-1的研究近年來受到許多專家和學(xué)者的關(guān)注，有了許多新的發(fā)現(xiàn)和進展。

1 BMP-1類家族及結(jié)構(gòu)

BMP-1是一類金屬蛋白酶，屬于蝦紅素家族(astacin family)的成員。盡管它被命名為BMP-1，但它卻是一個特例。它并不是TGF-β相關(guān)蛋白，從結(jié)構(gòu)組成上來看，這類金屬蛋白酶都由一個NH2-終末前區(qū)、一個類蝦紅素金屬蛋白酶區(qū)域、幾個數(shù)目不等的CUB(Complement-Uegf- BMP1 domain，CUB domain)區(qū)域和類EGF(epitheloid growth factor-like domain，EGF-like domain)區(qū)域組成[1]。

目前發(fā)現(xiàn)，BMP-1類成員主要由BMP1、TLD、mTLD、mTLL-1、mTLL-2等組成。BMP1是最先發(fā)現(xiàn)的一個，它由一個類蝦紅素金屬蛋白酶區(qū)、三個CUB區(qū)、一個類EGF區(qū)域組成。不久之后，一種與果蠅胚胎背腹圖示形成相關(guān)的基因產(chǎn)物Drosophila tolloid (TLD)被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，TLD 與人的BMP-1有41%的結(jié)構(gòu)和序列相似性。mTLD (mammalian tolloid)即哺乳動物tolloid 是這幾種分子中蛋白序列最長的一種，它包含5個CUB區(qū)域和2個類EGF區(qū)。mTLL-1,mTLL-2(mammalian tolloid like-1,2)是兩種BMP-1相關(guān)分子，它們并不是BMP-1基因編碼，由于其在結(jié)構(gòu)和功能上與BMP-1有很高的同源性，所以被歸為BMP-1一類 。

前區(qū)(prodomains)必須經(jīng)過SPCs(subtilisinlike proprotein convertases)的蛋白水解去除后，BMP-1才能充分發(fā)揮活性[2],可見前區(qū)并不是mTLD和TLD蛋白正確折疊、分泌及行使酶活性的必要結(jié)構(gòu)[3]。

CUB區(qū)域具有調(diào)控蛋白與蛋白之間相互作用的功能。類EGF區(qū)域也被證明有類似作用。研究顯示：CUB1區(qū)域與BMP1蛋白的分泌相關(guān)；CUB2區(qū)域與保護pCP(前膠原C端肽酶，procollagen C-proteinase)的活性相關(guān)[4]。然而并不是所有BMP-1類蛋白都依賴于這兩個結(jié)構(gòu)。Ge等[5]發(fā)現(xiàn)，mTLL1蛋白的分泌及pCP的活性就并不依賴于CUB和類EGF區(qū)域。

2 BMP-1類分子的生物學(xué)作用

許多蛋白首先以前體形式表達，然后通過蛋白酶解加工方式變?yōu)槌墒斓牡鞍住MP-1作為金屬蛋白酶，便參與這一加工過程：其主要作用是對細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)中的一些蛋白進行肽鏈的切割。這些蛋白包括：多種膠原、SLRPs(small leucine-rich proteoglycans)、SIBLING蛋白、賴氨酸氧化酶(the enzyme lysyl oxidase)等。

2.1 參與膠原的成熟

I～III型膠原是脊椎動物ECM的主要纖維組成部分。這三種膠原都首先以前膠原形式存在(具有NH2及COOH末端肽)。只有去除這些N端與C端的前肽，前膠原才能變成原膠原，后者再通過共價交聯(lián)(covalent cross-links)方式成為穩(wěn)定的成熟膠原。水解N端前肽的是ADAMTS-2(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs)及相關(guān)蛋白水解酶[6，7]。C端前肽則由BMP-1金屬蛋白酶來切割，故BMP-1是一種前膠原C端肽酶(PCP)。BMP-1的切割位點在特定的丙氨酸或甘氨酸殘基和一個天冬氨酸殘基之間，是丙氨酸還是甘氨酸取決于前膠原鏈，而天冬氨酸是固定不變的[8]。

V 和XI型前膠原也可由BMP-1來加工處理。V 和XI型膠原與Ⅰ、Ⅱ型膠原共同合成生長纖維，前者還可調(diào)控此合成纖維的形狀和直徑。BMP-1加工V、XI型前膠原的過程比較復(fù)雜。V型膠原在組織中大都以α1(V)2α2(V) 的形式存在,但在少數(shù)細胞和組織中也可以α1(V)α2(V)α3(V)[9]及α1(V)3的形式存在。BMP-1并不切割前α1(V)鏈和前α3(V)鏈的C端前肽，但卻對N端前肽有蛋白水解切割作用。SPCs則主要負責(zé)加工前α1(V)鏈和前α3(V)鏈的C端前肽[10,11]，而前α2(V)鏈的C端前肽還是由BMP-1來切割。Medeck和Pappano等[12，13]觀察發(fā)現(xiàn)對于前α1(XI)鏈的加工也是這種方式。

2.2 加工處理小型富含亮氨酸蛋白聚糖 (small leucine-rich proteoglycans,SLRPs)

SLRPs具有可與Ⅰ型膠原纖維結(jié)合并調(diào)控該纖維的生成的作用。SLRPs根據(jù)序列同源性和蛋白結(jié)構(gòu)不同可分為4類：①第1類包括decorin 和 biglycan；②第2類包括fibromodulin,lumican,keratocan,PRELP和osteoadherin；③第3類包括chondroadherin；④第4類包括epiphycan和osteoglycin[14]。經(jīng)研究，SLRPs家族的第2、3類成員并不需要加工，只有第1和第4類成員是先以前體形式合成，隨后在體內(nèi)經(jīng)過生物加工后變?yōu)槌墒斓牡鞍拙厶堑摹iglycan,decorin和osteoglycin的N端前肽的切割位點在P1’區(qū)的天冬氨酸殘基；epiphycan的生物活性加工位點在P1’區(qū)的谷氨酸[15]。研究顯示，在體外BMP-1可有效的加工前體biglycan和osteoglycin;然而對于BMP-1能否加工decorin及其他SLRPs成員還有待進一步研究。但已能推斷的是如果前體decorin和前體biglycan均由同一種蛋白水解酶(比如BMP-1)加工的話,那方式一定是不同的。Biglycan和Decorin都廣泛存在于骨組織的ECMs和結(jié)締組織中，Decorin基因Dcn的靶向斷裂可導(dǎo)致皮膚的脆弱和松弛。Biglycan基因Bgn斷裂會造成骨骼生長速度和骨量的減少，繼而導(dǎo)致泛發(fā)型的骨質(zhì)疏松[16]。Bgn的缺失可影響到富含Ⅰ型膠原纖維的組織，如在骨、骨腱、真皮等富含Ⅰ型膠原纖維的組織中可發(fā)現(xiàn)有雜亂變形的膠原纖維存在[17]。提示Biglycan有促進膠原纖維生成的作用。而有報道稱，decorin 和osteoglycin有明顯降低微纖維生成的作用。因此，作為加工前體SLRPs的BMP-1對這些蛋白聚糖的功能有精確的調(diào)控作用[18]。

2.3 加工處理前體賴氨酸氧化酶(pro-Lysyl Oxidases)

賴氨酸氧化酶(LOXs)由成纖維細胞和平滑肌細胞等纖維生成細胞所分泌。LOXs可催化共價交聯(lián)這一醛醇或醛胺縮合反應(yīng)，使被BMP-1加工的前膠原成為穩(wěn)定的成熟的纖維性膠原。賴氨酸氧化酶是先以酶原形式存在，只有去除其NH2-終末區(qū)域,它才能具有酶的活性、行使氧化酶的功能。許多實驗都已證實：BMP-1可加工LOX原酶使之成為有活性的LOX[19]。在哺乳動物中LOX家族的成員包括：LOX酶、類LOX蛋白1-4(LOXL1-4)[20]。LOX和LOXL1在很多組織中都有表達且二者的表達有重疊性。相比較而言，LOXL2-4的表達就很局限，表達水平也很低。敲除LOX基因的小鼠在圍產(chǎn)期即死亡，且伴有突發(fā)性血管動脈瘤破裂、隔膜斷裂、彈性纖維斷裂、膠原及彈性纖維交聯(lián)減少等癥狀[21，22]。敲除LOXL1基因的小鼠雖然可以存活，但卻伴有肺泡擴張、皮膚冗余、血管異常、彈性纖維(不包括膠原纖維)變形等癥狀[23]。可見，LOXL1的主要功能是引導(dǎo)彈力蛋白在特定區(qū)域沉積而LOX的主要作用是促進膠原及彈性蛋白的交聯(lián)反應(yīng)，從而使它們發(fā)揮正常的生物學(xué)作用。

2.4 對于SIBLING蛋白的加工

SIBLING(small integrinbinding ligand,N-linked glycoprotein)是一類ECM中非膠原類蛋白，包括骨橋蛋白(osteopontin，OPN),骨唾液蛋白(bone sialoprotein，BSP),牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1(dentin matrix protein 1，DMP1),基質(zhì)細胞外磷蛋白(matrix extracellular phosphoprotein，MEPE),牙本質(zhì)涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein，DSPP)等[24]。SIBLING類蛋白主要分布于骨和牙本質(zhì)中。近年來，各國學(xué)者對于該家族的DMP1及DSPP的研究較多。Sreenath等[25]人研究發(fā)現(xiàn)，敲除DMP1及DSPP基因的小鼠會導(dǎo)致牙齒發(fā)育異常。 DSPP已被證實與人的牙本質(zhì)II型發(fā)生不全癥有關(guān)[26]。DMP1及DSPP也是需要被加工處理后才可以發(fā)揮活性的。現(xiàn)已證實BMP-1可切割DMP1，其切割位點位于Ser196和Asp197[27]。但對于BMP-1能否以相似方式加工DSPP還有待于進一步研究。

2.5 BMP-1對層粘連蛋白5(1aminin-5)的加工

層粘連蛋白5有很強的細胞粘附、遷移和擴散的能力。它由α3、β3、γ2 三條多肽鏈經(jīng)過二硫鍵結(jié)合而組成。層粘連蛋白5 作為一個多功能蛋白，既可增加細胞活動性，又可促進細胞的粘附，這不同的功能取決于其不同的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)層粘連蛋白5的α3 鏈未經(jīng)酶切處理時，其能增加細胞的活動性，此時的層粘連蛋白不能引導(dǎo)半粒體的聚集。在α3鏈經(jīng)酶切處理后，富含層粘連蛋白5的基質(zhì)開始促進半粒體的聚集，減少細胞的活動。α3 鏈經(jīng)酶切處理前后對層粘連蛋白5功能的調(diào)節(jié)在傷口愈合和組織改建過程中也起重要作用[28]。層粘連蛋白5的γ2 鏈被酶裂解后。層粘連蛋白5又會起到增加細胞的活動性，促進細胞的遷移的作用[29]。而科學(xué)家們已經(jīng)證實BMP-1可切割層粘連蛋白5的α3 鏈和γ2 鏈[30]，是層粘連蛋白5能正常發(fā)揮功能的必不可少的金屬蛋白酶。

3 BMP-1/chordin/BMPs機制

如前所述，BMP-1并沒有誘導(dǎo)異位成骨的作用，也并不是TGF-β家族的成員，但它卻與BMPs的作用相關(guān)聯(lián)。BMPs參與多個組織，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼、心臟、腎臟等的形成和發(fā)育。BMPs需要通過信號傳導(dǎo)系統(tǒng)(主要是smad通路)來發(fā)揮這些生物學(xué)作用。即:BMP通過先后結(jié)合并活化細胞膜表面Ⅱ型受體(BMP-RⅡ)和I型受體(BMP-R1)，進而激活Smad蛋白細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路，最終誘導(dǎo)細胞核內(nèi)的靶基因轉(zhuǎn)錄及蛋白表達。以BMP-2為例，當(dāng)BMP-2與BMPR-II和BMPR-I復(fù)合物結(jié)合后，BMPR-II被激活，激活的BMPR-II使BMPR-I的GS區(qū)域磷酸化，從而使BMP-RI活化，活化后的BMP-RI作用于下游的Smad1、5、8。激活后的Smad與Smad4結(jié)合并轉(zhuǎn)位至細胞核內(nèi)與不同的DNA連接蛋白結(jié)合，引起下游BMP相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控細胞的分化。Smad6及Smad7對TGF-β及BMP的信息傳遞有著調(diào)控作用，Smad6或Smad7可以與受體直接結(jié)合而抑制Smadl、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8的活化[31]。

在BMP的信號傳導(dǎo)過程中，存在著一些細胞外抑制劑對BMP的功能起拮抗作用，如noggin、chordin、follistatin和DAN家族等。其中，chordin蛋白，包含四個富含半胱氨酸cysteine-rich (CR)區(qū)，每個區(qū)域各有70個氨基酸，這些區(qū)域(尤其是CR1,CR3 )決定著chordin 的功能和結(jié)合BMPs的能力[32]。chordin在果蠅屬(drosophila)中的同源體是short gastmlation(Sog)。

chordin作為一種細胞外拮抗劑，通過與BMPs(主要是BMP-2,4)等結(jié)合來抑制BMPs與自身受體的作用 。經(jīng)研究證實，BMP-1金屬蛋白酶可把chordin從與BMP相結(jié)合的復(fù)合物中裂解出來，從而促進了BMP的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[33]。有研究者在對果蠅屬的研究中，通過瞬時轉(zhuǎn)染分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)：TLD可切割SOG，而切割過程受DPP(BMP-4的同源體)的刺激；TLD可作用于SOG/DPP復(fù)合物，裂解SOG，從而通過把DPP從抑制性的復(fù)合物中釋放出來，間接性的調(diào)控DPP的活動。

BMP-1/chordin/BMPs的這種相互作用機制對于胚胎背腹圖式的形成(dorsoventral patterning)有著至關(guān)重要的作用。胚胎發(fā)育過程中，背腹軸的結(jié)構(gòu)形成和細胞分化是由梯度濃度分布的BMP(dpp)所誘發(fā)的。不同濃度的BMP(dpp)誘導(dǎo)分化出不同的細胞類型，因而在同一體軸上形成了背腹兩側(cè)的不同結(jié)構(gòu)。而這個BMPs濃度梯度便是由BMP-1/chordin/BMPs的三者相互作用而形成的[34]。

4 展 望

BMP-l類分子是一類不可忽視的，具有多種功能的金屬蛋白酶。它們在胚胎的體軸形成，以及胚胎及出生后甚至成年后的骨骼改建過程中都起到非常大的作用并具有很大的研究潛力。它們作用的實質(zhì)是通過對ECM中的一些蛋白分子進行肽鏈的切割和加工，從而對一些重要的物質(zhì)活動進行調(diào)控。鑒于BMP-1的作用，將來有望將其運用于促進TGF-β和BMPs等生長因子治療骨缺損的方面以及對纖維化疾病的治療。

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