骨形態發生蛋白7在慢性腎臟疾病纖維化中作用研究進展

劉道勤(綜述)，張道友(審校)

(皖南醫學院第一附屬醫院腎臟內科，安徽 蕪湖 241001)

?

骨形態發生蛋白7在慢性腎臟疾病纖維化中作用研究進展

劉道勤△(綜述)，張道友※(審校)

(皖南醫學院第一附屬醫院腎臟內科，安徽 蕪湖 241001)

摘要：骨形態發生蛋白7(BMP-7)是一個對腎臟有保護作用的細胞因子，具有維持腎臟組織結構和功能的重要作用。作為轉化生長因子β1的拮抗劑，BMP-7是體內一種強有力的抗纖維化因子，能抑制或逆轉腎纖維化，改善腎功能。該文就近年BMP-7在慢性腎臟病纖維化中的作用及機制進行綜述，期待BMP-7今后在治療慢性腎臟病纖維化中開辟新的途徑。

關鍵詞：骨形成蛋白7；慢性腎臟疾病；腎纖維化

骨形態發生蛋白7(bone morphogenetic protein-7，BMP-7)，又稱為骨發生蛋白1，在1990年由英國劍橋大學Celeste等[1]篩選出的一種蛋白。BMP-7是骨形態發生蛋白家族(BMPs)中的一員，屬于轉化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)超家族，主要表達在腎、骨組織中，尤其在成年動物腎臟組織腎小管中高表達。近年來，BMP-7與腎臟之間的關系越來越受到科研人員的關注。腎纖維化是慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)進展至終末期腎病(end stage renal disease，ESRD)的重要因素，且纖維化的程度與疾病的進展和預后有密切聯系。研究表明，BMP-7是一個對腎臟有保護作用的重要因子，具有維持腎臟組織結構和功能的重要作用[2]，作為TGF-β1的抑制因子，其還具有抗腎纖維化作用。現就近年BMP-7在CKD纖維化中的作用及機制研究進展予以綜述。

1BMP-7的分子結構及表達特點

在人類，BMP-7基因位于第2號染色體，BMP-7的編碼cDNA全長1293 bp，轉錄后翻譯成431個氨基酸組成的BMP-7 前體蛋白，由N端信號肽、前體肽和C端成熟肽三部分組成。在蛋白水解酶的作用下，此前體蛋白翻譯分泌后可在體內被剪切加工為成熟二聚體分子BMP-7蛋白，含139個氨基酸[3]。成熟的BMP-7分子釋放到細胞外與靶細胞表面的受體結合而發揮作用。在胚胎期，BMP-7表達廣泛，且與腎臟、眼睛、四肢和心血管的發育密切相關。研究表明，剔除BMP-7基因的小鼠腎臟發育不良，尤其是輸尿管芽及后腎間充質細胞聚集、上皮分化受損，小鼠出生后不久死亡[4]。BMP-7蛋白在成年人主要高表達在腎臟、軟骨和骨中，在維持腎臟和骨骼正常生理功能以及修復和再生過程中發揮重要作用。BMP-7蛋白在腎臟的表達分布廣泛，其中以髓質腎小管表達特別豐富。在遠曲小管、集合管表達較為豐富，而近曲小管的表達較少。BMP-7在腎小球內主要表達在腎小球毛細血管周圍[5]。

2BMP-7的受體及信號途徑

BMP-7受體是一種膜結合蛋白受體，分為絲/蘇氨酸蛋白激酶受體Ⅰ型和Ⅱ型[6]，兩型受體均屬于TGF-β受體超家族成員，為BMP-7信號轉導所必需，通過BMP-7/Smads信號通路來發揮其作用。Ⅰ型受體的一個獨特之處在跨膜區和胞內區之間含有特征性的保守序列。該保守序列決定了Ⅰ型受體信號轉導的特異性。BMP-7分子可以結合幾種不同的Ⅰ型受體發揮不同的生物學效應。Ⅱ型受體是結構活性型受體，先與BMP-7分子結合后發生自身磷酸化而被激活，再進一步激活Ⅰ型受體發生磷酸化，形成受體復合物，進而作用于下游受體型激活型Smad(R-Smads)，主要為Smad-1、Smad-5、Smad-8。R-Smads激活后與公共型Smads(Co-Smads)，主要為Smad-4，形成復合體，共同轉移至細胞核內，向胞內轉導轉錄活化信號啟動特定的基因轉錄，進而發揮生物效應[7]。

3BMP-7與CKD纖維化的關系

3.1CKD纖維化腎間質纖維化是各種CKD進展到ESRD的共同病理過程，包括腎小球硬化與腎間質纖維化。在各種致病因子,如炎癥、損傷等持續作用下，間質細胞及細胞間質成分廣泛增生，而組織內實質細胞不斷地喪失最終導致功能喪失。腎臟纖維化程度是反映腎功能下降嚴重程度和判斷預后重要指標，在各種CKD的轉歸中起主導作用。

腎纖維化的發病機制目前尚不十分清楚，但已有研究表明多種細胞因子參與腎臟纖維化過程，其中以TGF-β1最為重要。研究表明，TGF-β1在腎間質的高表達是致纖維化形成的中心環節。TGF-β1通過TGF-β1/Smads信號通路調節基因轉錄[7-9]。TGF-β1與其受體結合后，首先激活受體的絲氨酸/蘇氨酸激酶，隨后Smad2、Smad3蛋白被磷酸化，活化后的Smad2、Smad3結合Smad4蛋白，進而形成有活性的轉錄復合物進入細胞核內，調節相關基因的轉錄。一方面，基因轉錄產物直接刺激成纖維細胞大量合成細胞外基質(extracellular matrix，ECM)，如Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型膠原、纖維連接蛋白及蛋白多糖等；另一方面，抑制多種ECM降解酶，如基質金屬蛋白酶、纖溶酶原激活物等活性，從而抑制ECM降解。最終導致正常組織破壞加重，腎小球硬化、小管間質纖維化及腎衰竭。

3.2BMP-7的抗腎臟疾病纖維化作用BMP-7是一種有效的腎臟保護因子，作為腎臟纖維化的負性調控因子，與腎小球和腎間質纖維化關系密切。近年來，BMP-7的相關研究在多種腎臟疾病模型的動物實驗中取得了良好的療效，BMP-7能通過多種方式抑制或逆轉腎小管間質纖維化。在單側輸尿管梗阻大鼠模型[10]、狼瘡性腎炎模型[11]、糖尿病腎病大鼠模型[12]等多種急性和慢性腎損傷的動物模型中，均發現BMP-7表達減少或消失。BMP-7表達水平的下降可能參與了糖尿病腎病早期腎小管間質的損傷。給予重組人BMP-7進行治療，降低了Ⅰ型膠原和纖維連接蛋白的表達，使基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)表達增加，可以明顯抑制腎臟纖維化的進展，改善腎功能。

3.3BMP-7的抗腎臟疾病纖維化的機制作為纖維化的負性調節因子，BMP-7抗腎臟疾病纖維化的機制有多種，主要有：①影響TGF-β1/Smads信號轉導通路；②維持上皮細胞表型和逆轉上皮間質轉化；③增加MMP的表達，從而促進ECM的降解；④減少多種促炎性因子表達，對腎間質纖維化起到預防及逆轉作用，對腎臟實質細胞起保護作用，避免慢性腎衰竭發生。

3.3.1影響TGF-β1/Smads信號轉導通路BMP-7和TGF-β1由于有類似的信號轉導通路，在腎臟纖維化過程中共同調節纖維化的發生、發展[13-14]。動物實驗研究表明，BMP-7 蛋白可抑制由 TGF-β1引起的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型膠原、纖維連接素等ECM蛋白的升高，主要機制為BMP-7抑制了Smad2/3依賴的TGF-β1信號途徑。研究發現BMP-7 可促使近端小管上皮細胞外信號調節激酶迅速磷酸化，進而抑制Smad2、Smad3的核內轉位阻斷 TGF-β1/Smads信號途徑。其次，BMP-7 可使近端小管上皮Smad6表達增加，而 Smad6 對TGF-β1/Smads 信號途徑也有抑制作用。關于腎纖維化過程中BMP-7影響TGF-β1/Smads 信號轉導通路的機制仍不十分明確，進一步明確BMP-7對TGF-β1/Smads信號途徑的影響，可為抑制腎纖維化提供新途徑。

除了影響TGF-β1/Smads信號通路外，BMP-7還與TGF-β1因子存在互逆作用，可多方面拮抗和抵消TGF-β1作用。對單側輸尿管梗阻動物模型的研究證實，BMP-7具有拮抗TGF-β1的作用。TGF-β1在單側輸尿管梗阻動物模型的表達上調，而應用BMP-7治療后，TGF-β1的mRNA表達明顯下降[15]。

3.3.2維持上皮細胞表型和逆轉上皮間質轉化上皮細胞表型的缺失或損傷，可引起腎小管上皮細胞向成纖維母細胞轉化，進而引起ECM的積聚增多[16]。BMP-7可上調上皮細胞表型標志物的表達，恢復和維持損傷和缺失的腎臟小管上皮細胞表型，進而抑制和逆轉上皮細胞能轉分化為間充質，發揮抗纖維化作用。BMP-7還可直接通過抵消或阻礙TGF-β1/Smads信號途徑，抑制或逆轉上皮細胞分化為間充質細胞，發揮抗纖維化作用[15]。

3.3.3促進ECM的降解系膜細胞分泌的MMP-2是一種重要的MMP，是ECM 的降解過程中的關鍵因子。TGF-β1因子可促使MMP-2表達減少及活性下降。BMP-7 通過抑制TGF-β1誘導的纖溶酶原活化抑制因子1的表達，增加 MMP-2 的表達及活性。MMP-2活性的維持促進ECM降解，減輕腎纖維化[17]。

3.3.4減少促炎性因子表達炎癥是腎纖維化過程中的常見現象。在動物炎癥腎臟病模型中，BMP-7 可減輕巨噬細胞浸潤和組織損傷。BMP-7可明顯減少腫瘤壞死因子α刺激人小管上皮細胞產生的多種促炎性因子表達，如白細胞介素6、 白細胞介素1、白細胞介素8、內皮素等mRNA的表達，對近曲小管細胞具有抗炎癥和細胞保護作用。

3.4BMP-7與糖尿病腎病纖維化近年來糖尿病發病率逐年上升，糖尿病腎病是糖尿病嚴重的微血管并發癥之一，其病理特征為腎小球肥大、腎小球基膜增厚，ECM聚集，腎小球硬化及間質纖維化，已經成為ESRD死亡的主要病因。

BMP-7能拮抗TGF-β1和結締組織生長因子的致腎纖維化作用，阻止或延緩糖尿病腎病的發生、發展[18]。動物實驗研究表明，BMP-7能逆轉糖尿病腎病造成的腎臟肥大，改善腎小球濾過率，減少足細胞的丟失。它可以阻斷TGF-β1對腎小管上皮細胞轉分化的促進作用，從而可防治腎間質纖維化，延緩糖尿病腎病的進展。Wang等[19]通過注射單劑量鏈霉佐素誘導糖尿病大鼠模型，并給予糖尿大鼠注射不同濃度的BMP-7，與依那普利治療組做比較，結果發現BMP-7可逆轉腎臟肥大，效果優于依那普利，并能有效地阻止腎小球硬化，恢復腎小球濾過率，減少尿白蛋白排泄，恢復組織結構。

由于BMP -7和TGF-β1與糖尿病腎病的發生關系密切，研究表明在糖尿病腎病患者外周循環TGF-β1的水平明顯上調，而BMP-7的水平明顯下調。因此，BMP-7和TGF-β1可能成為新的糖尿病患者腎臟損傷標志物，用于判斷疾病的進展[20]。

4小結

BMP-7與腎臟纖維化關系密切，是機體一種具有抗腎纖維化作用的重要細胞因子。BMP-7在CKD中可以通過 BMP-7/Smads/TGF-β1細胞間信號通路與TGF-β1相互作用、相互調節，進而阻止TGF-β1致腎纖維化作用。BMP-7還可以逆轉腎小管上皮細胞間質化和細胞凋亡，保持上皮細胞表型，促進ECM降解及抗炎作用來拮抗腎臟纖維化。今后能否將BMP-7/Smads/TGF-β1通路作為藥物治療慢性進展性腎病新的靶點，抑制腎纖維化的發生，還有待進一步廣泛和深入的研究，期待BMP-7在治療CKD纖維化中開辟新的途徑。

參考文獻

[1]Celeste AJ,Iannazzi JA,Taylor RC,etal.Identification of transforming growth factor beta family members present in bone-inductive protein purified from bovine bone[J].Proc Natl Acad Sci,1990,87(24):9843-9847.

[2]Tomita M,Asada M,Asada N,etal.Bmp7 maintains undifferentiated kidney progenitor population and determines nephron numbers at birth[J].PLoS One,2013,8(8):e73554.

[3]Griffith DL,Keck PC,Sampath TK,etal.Three-dimensional structure of recombinant human osteogenic protein 1:structural paradigm for the transforming growth factor beta superfamily[J].Proc Natl Acad Sci,1996,93(2):878-883.

[4]Dudley AT,Lyons KM,Robertson EJ.A requirement for bone morphogenetic protein-7 during development of the mammalian kidney and eye[J].Genes Dev,1995,9(22):2795-2807.

[5]Cunko VF,Kes P,Jukic NB.Expression of bone morphogenetic proteins in kidneys[J].Acta Med Croatica,2012,66(3):207-213.

[6]Gleason RJ,Akintobi AM,Grant BD,etal.BMP signaling requires retromer-dependent recycling of the type I receptor[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2014,111(7):2578-2583.

[7]Meng XM,Chung AC,Lan HY.Role of the TGF-β/BMP-7/Smad pathways in renal diseases[J].Clin Sci,2013,124(4):243-254.

[8]Lan HY,Chung AC.TGF-β/Smad signaling in kidney disease[J].Semin Nephrol,2012,32(3):236-243.

[9]Lan HY.Diverse roles of TGF-β/Smads in renal fibrosis and inflammation[J].Int J Biol Sci,2011,7(7):1056-1067.

[10]Tasanarong A,Kongkham S,Khositseth S.Dual inhibiting senescence and epithelial-to-mesenchymal transition by erythropoietin preserve tubular epithelial cell regeneration and ameliorate renal fibrosis in unilateral ureteral obstruction[J].Biomed Res Int,2013,2013:308130.

[11]Zeisberg M,Bottiglio C,Kumar N，etal.Bone morphogenic protein-7 inhibits progression of chronic renal fibrosis associated with two genetic mouse models[J].Am J Physiol Renal Physiol,2003,285(6):F1060-1067.

[12]Qu Y,Du E,Zhang Y,etal.Changes in the expression of bone morphogenetic protein 7 and tamm- horsfall protein in the early stages of diabetic nephropathy[J].Nephrourol Mon,2012,4(2):466-469.

[13]Weiskirchen R,Meurer SK.BMP-7 counteracting TGF-beta1 activities in organ fibrosis[J].Front Biosci (Landmark Ed),2013,18:1407-1434.

[14]Zhong L,Wang X,Wang S,etal.The anti-fibrotic effect of bone morphogenic protein-7(BMP-7) on liver fibrosis[J].Int J Med Sci,2013，10(4):441-450.

[15]Zeng J,Dou Y,Guo J,etal.Paeoniflorin of Paeonia lactiflora prevents renal interstitial fibrosis induced by unilateral ureteral obstruction in mice[J].Phytomedicine,2013，20(8/9):753-759.

[16]張佩青，劉娜，王麗彥.BMP-7/Smads/TGF-β1信號轉導通路與腎間質纖維化[J].醫學綜述,2008,14(1):13-15.

[17]Yang T,Chen SL,Lu XJ,etal.Bone morphogenetic protein 7 suppresses the progression of hepatic fibrosis and regulates the expression of gremlin and transforming growth factor β1[J].Mol Med Rep,2012,6(1):246-252.

[18]Xu Y,Wan J,Jiang D,etal.BMP-7 counteracts TGF-beta1-induced epithelial-to-mesenchymal transition in human renal proximal tubular epithelial cells[J].J Nephrol,2009,22(3):403-410.

[19]Wang S,Chen Q,Simon TC,etal.Bone morphogenic protein-7 (BMP-7),a novel therapy for diabetic nephropathy[J].Kidney Int,2003,63(6):2037-2049.

[20]Wong MG,Perkovic V,Woodward M,etal.Circulating bone morphogenetic protein-7 and transforming growth factor-β1are better predictors of renal end points in patients with type 2 diabetes mellitus[J].Kidney Int,2013，83(2):278-284.

Research Advances in the Role of Bone Morphogenetic Protein-7 in Fibrosis of Chronic Kidney DiseaseLIUDao-qin，ZHANGDao-you．(DepartmentofNephrology，theFirstAffiliatedHospitalofWannanMedicalCollege，Wuhu241001，China)

Abstract:In recent years,bone morphogenetic protein-7(BMP-7) has been found as a protective cytokine on the kidneys.BMP-7 plays an important role in maintaining the structure and function of the kidneys.As the antagonist of transforming growth factor-β1,BMP-7 is a potent in vivo anti-fibrotic factor to inhibit or reverse renal fibrosis and improve kidney function.Here is to make a review of the roles and mechanisms of BMP-7 in the fibrosis of chronic kidney disease，aiming at exploring new pathway in the treatment for fibrosis of chronic kidney disease.

Key words：Bone morphogenetic protein-7; Chronic kidney disease; Kidney fibrosis

收稿日期：2014-06-23修回日期：2014-09-04編輯：樓立理

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.016

中圖分類號:R692

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1579-03