骨形態發生蛋白-7在糖尿病腎病發生發展中的作用

李曉偉，郭 暉

早在1965年，Urist[1]在脫礦化骨組織的骨基質中提取到一組可以異位誘導軟骨及骨形成的細胞因子，該類因子為一組活性蛋白質，遂將其命名為骨形態發生蛋白(bone morphorgenetic protein，BMP)。25年后，Ozkaynak等[2]在牛成骨蛋白中提取出一種新蛋白，即成骨蛋白-1(osteogenetic protein 1，OP-1)，同年Celeste等[3]在實驗中也提取出一種蛋白，將其命名為骨形態發生蛋白-7(bone morphorgenetic protein 7，BMP-7)，經過對OP-1與BMP-7氨基酸序列分析后證實二者為同一種蛋白。隨著后人逐步對BMP-7認識的深入，發現BMP在胚胎期及成人期都具有重要的作用。它不僅在骨代謝具有極為重要的作用，如誘導成骨作用，促進成骨細胞的增殖分化，也可誘導軟骨的分化，對于骨折后骨的再形成、預后、修復等極為關鍵，而且在腎臟疾病的發生、發展中也扮演重要的角色[4]。大量研究還證明BMP-7能夠拮抗轉化生長因子β(TGF-β)的促纖維化作用，從而保護臟器功能，如腎臟、肝臟等。本文主要就BMP-7在糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)發生、發展中起的作用綜述如下。

1　BMP-7簡介

1.1BMP-7的結構BMP-7屬于TGF-β超家族中的一員，是一種分泌型多功能蛋白。該蛋白以其前體形式存在體內，即前體BMP。當C端在蛋白水解酶作用下被剪切加工后形成含139個氨基酸殘基時稱為成熟肽，每個有成熟活性的BMP-7分子都是一個分子量約為35 kDa、由二硫鍵連接成的同源或異源二聚體[3]。BMP分子羧基端都具有相同的7個半胱氨酸殘基組成的特定區域，至今發現的BMP有15種及40種BMP相關蛋白。

1.2BMP-7受體(BMP7R)及種類TGF-β超家族所具有的生物學作用是通過與其相應的受體結合后的信號轉導來實現的。BMP7R與機體其他的TGF-β分子受體一樣分為2型，即Ⅰ型和Ⅱ型，具有跨膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。Ⅰ型BMP7R包括ALK-2/ActRⅠ、ALK-3/BMPR-Ⅰa、ALK-6/BMPR-Ⅰb；Ⅱ型BMP7R包括ActRⅡa、ActRⅡb、BMPRⅡ。兩種受體的差別在于Ⅰ型受體細胞內區的近膜部分含有高度保守的絲氨酸、甘氨酸(GS框)結構域，是活化的起始部位，而Ⅱ型受體則無此框[5]；另外，Ⅰ型受體決定了信號轉導的特異性[6]：在體內，BMP-7與Ⅱ型受體結合后誘導Ⅰ型受體發生磷酸化，此時被激活的Ⅰ型受體作用于細胞內相應的Samds信號傳遞蛋白啟動信號轉導，發揮其相應的生物學效應。

1.3依賴Samds的BMP-7信號轉導系統Samds是TGF-β家族信號細胞質內的信號轉導通路，BMP-7與BMP7R結合后，通過Samds蛋白啟動信號轉導。Samds是由“Sam”和“Mad”兩位科學家同時發現的，并分別將其命名為Sam蛋白和Mad蛋白，后人將2位科學家的名字合稱為“Samds蛋白”[7]，現已分離得到Samd 1～8，并且每一種Samd都具有配體特異性。根據其結構和功能，Samds目前分為抑制型Samds(inhibitory samds，I-Samds)、共同調節型Samds(common-mediator Samds，Co-Samds)、受體激活型Smads(receptor-activated Samds，R-samds)[8]。I-Samds包括Samd 6和Samd 7，這兩種蛋白與配體激活后的Ⅰ型受體結合，抑制受體對R-Samds的磷酸化，也就抑制了配體活性。Samd 6與Samd 7都可以與TGF-βⅠ型受體結合，二者差別在于Samd 6還可與ALK-6/BMPR-Ⅰb受體結合，I-Samd與R-Samd競爭結合Ⅰ型受體。當I-Samd與Ⅰ型受體結合時，轉導抑制性信號，從而阻止受體對R-Samds的磷酸化，也就阻斷了受體激活R-Samds，從而阻斷了信號的轉導，反之亦然。R-Samds包括Samd 1、2、3、5、8，Samd 1、5、8受BMP特異性激活，介導BMP信號轉導，Samd 2、3介導TGF-β/苯丙酸諾龍信號轉導。Co-Samds是指Samd 4與BMP7R結合后，再與R-Samds形成二聚體進入細胞內部調節目的基因的轉錄，Samd 4是人體內惟一的Co-Samds，也是TGF-β家族中信號轉導共同需要的介質。

2　BMP-7/BMP7R/Samds信號傳導在腎臟的表達變化

2.1BMP-7存在部位及其在腎臟發育中的作用DN是糖尿病微血管并發癥之一，也是致死性腎病的第一或第二位原因，其發病率隨著糖尿病發病率的增高而增高。2003年世界衛生組織(WHO)報道，DN在1型糖尿病患者中占30%～40%，2型糖尿病患者中約占25%。WHO預計，到2030年全世界糖尿病患者將達3.7億，1/3的患者進展為DN。DN的病變特點是腎小球及腎間質細胞外基質(ECM)的過度增多和異常沉積、腎小球硬化及進展性腎小管間質纖維化。BMP-7在腎臟是一種內源性抗纖維化蛋白，在腎病發展過程中有著極為重要的保護作用，可以降低慢性腎臟疾病如DN TGF-β的表達[9]。敲除BMP-7相關基因的小鼠死于腎功能不全[10]，在Li等[11]構建的BMP-7缺乏的小鼠模型中，因腎臟發育障礙小鼠在1周內也都死于尿毒癥。劉紅等[12]應用山羊抗大鼠BMP-7抗體及兔抗大鼠TGF-β1抗體在應用鏈脲佐菌素(STZ)誘導的DN大鼠模型中發現，與對照組相比，BMP-7主要表達于腎小管上皮細胞的細胞質中，以遠曲小管和集合管明顯，而腎小球則無BMP-7表達；TGF-β1在腎小球及腎小管均有表達(P<0.05)。國外研究報道，應用免疫組織化學染色顯示BMP-7主要表達于皮質區和髓質區腎小管，并且后者高于前者表達，在皮質區BMP-7主要在遠曲小管細胞質中表達，腎小球足細胞偶有表達，在腎動脈外膜也呈陽性表達[13]。BMP-7在腎臟發育過程中發生間充質細胞-上皮細胞轉化(mesenchymal-to-epithelial，MET)，即誘導間充質細胞向正常腎臟組織結構轉化，最終分化形成腎小球和腎小管[14]。

2.2BMP-7/TGF-β1及BMP7R在DN中數量的變化國內外大量的實驗研究證實在DN中BMP-7與TGF-β1都有數量上的變化，而也正是這種變化導致了ECM堆積、腎小球硬化、進展性腎小管間質纖維化等病理特征。文獻報道，與正常大鼠的腎臟相比，DN動物模型中早期腎臟病變為ECM積聚，24周時腎小球系膜細胞也開始明顯增生，并且隨著ECM的逐漸增多，系膜區增寬，系膜基質進一步增多，使腎小球毛細血管基底膜彌漫增厚，血管腔逐漸閉合，最終出現腎小球硬化、腎小管間質纖維化的典型病變；同時，TGF-β mRNA在糖尿病大鼠中隨著腎間質纖維化的加重，其表達明顯增多[15]；另外，STZ誘導的DN大鼠腎臟從15周開始BMP-7及BMP7R表達量較正常大鼠減少，隨著腎間質纖維化程度加重，BMP-7及其受體呈進行性下降，在第30周時BMP-7無陽性表達，BMP7R mRNA減少以Ⅰ型受體ALK-2/ActRⅠ和Ⅱ型受體BMPR Ⅱ為主，而BMP-7抑制物Gremlin的陽性表達卻升高[13]。Zhang等[16]研究發現在STZ模型小鼠中，從第12周開始，DN小鼠腎臟Gremlin表達量是正常小鼠的1.5倍，同時伴有蛋白尿、血肌酐升高/腎臟肥大等DN典型病變，因此認為DN發生與BMP-7、BMP7R表達下降及Gremlin表達升高有關。Klahr[17]應用BMP-7治療STZ誘導DN大鼠，發現接受BMP-7治療的大鼠腎臟早期病變可逆轉，如腎臟肥大部分逆轉、腎小球濾過率(GFR)恢復、尿蛋白量減少，這也證明了BMP-7在腎臟病發展過程中的作用。

3　BMP-7及TGF-β1在DN發展中的作用

3.1BMP-7抗纖維化作用大量研究證明在腎臟表達的BMP-7與TGF-β1呈負相關，提示腎組織中BMP-7具有與TGF-β1相反的作用。有研究認為，BMP-7可以使腎小管的Erk1和Erk2迅速發生磷酸化，通過抑制Samd 2和Samd 3在細胞核內的轉移阻斷TGF-β的信號轉導，使ECM合成減少降解增多，從而發揮抗纖維化作用[18]。另外，Wang等[19]也發現內源性BMP-7可通過抑制性Samds途徑來抑制信號傳遞蛋白Samds的轉導，阻斷TGF-β的信號轉導，從而抵消TGF-β的活性。Belecky-Adams等[20]證實了BMP-7與其受體結合可使Samd 6表達增加。不論是內源性還是外源性BMP-7，都可以通過各自途徑發揮抗纖維化作用，這一點毋庸置疑。

3.2BMP-7逆轉上皮細胞-間充質細胞轉化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)EMT即腎臟上皮細胞受損后，受損的腎小管上皮細胞經EMT作用轉化為成纖維細胞，進一步轉變為肌成纖維細胞，過度產生ECM，導致腎臟纖維化。故EMT在腎纖維化發生、發展中起著重要的角色。研究顯示，TGF-β1是誘導EMT的重要因子，在病理條件下可觸發和完成EMT的全過程[21]。BMP-7可以逆轉TGF-β1誘導的EMT，避免產生大量ECM，阻斷腎組織纖維化的發生；另外，BMP-7還有誘導間充質細胞-上皮細胞轉化(mesenchymal-to-epithelial transition，MET)的作用[4，14]，與EMT作用相反，可以重建腎小管上皮細胞，修復纖維化的腎臟，已經證實對實驗動物的腎臟有保護作用。

3.3BMP-7抗炎、抗凋亡作用BMP-7可以抑制腎臟近曲小管促炎癥因子的釋放，如白介素(IL)-1、IL-6、IL-8、內皮縮血管肽 2(ET-2)、單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)、結締組織生長因子等的表達，減少炎癥細胞的浸潤，使間質纖維化減輕，起到抗炎、保護腎組織的作用[22]。另外，在DN發展過程中，病理顯示腎小球細胞凋亡與壞死并存，導致腎功能不全的發生。動物實驗研究顯示，BMP-7可以降低腎小球細胞的凋亡，從而在一定程度上逆轉腎功能不全的發生[23]。

3.4BMP-7保護腎小球足突細胞Li等[24]研究發現DN小鼠不但出現腎小球肥大、系膜細胞及細胞基質增生，而且足突細胞的TGF-β1受體、基質金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinases，MMP-9)表達也升高，而足突細胞裂孔膜蛋白nephrin表達下降，提示足突細胞發生EMT，最終導致腎小球硬化、間質纖維化。另外，在高糖環境下，DN大鼠足突細胞的Notch-1蛋白的表達上調，也使裂孔膜蛋白nephrin表達降低，導致足細胞凋亡[25]。BMP-7是足突細胞的分化和生存因子，可減少高糖誘導的足突細胞損害[26]，BMP-7轉基因的DN小鼠模型中，BMP-7可以防止足突細胞脫落，并恢復nephrin表達濃度；另外，BMP-7還可以通過Samd 1、5、8信號通路抑制系膜細胞的有絲分裂，改善由系膜增生引起的腎臟損害，從而抑制腎小球纖維化的發生，延緩DN的發展[27-28]。

4　小結

DN是多種因素共同作用的結果，其具體發病機制尚未完全闡明；但是，當BMP-7與TGF-β1的動態平衡打亂時，則加速了DN的發展速度；BMP-7減少和TGF-β1增加最終都會引起終末期腎病發生。研究顯示BMP-7可以逆轉腎臟纖維化的作用，這給我們提供了治療DN的新思路。

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