骨形態發生蛋白參與心血管疾病形成的機制探討

高安琪、于丹丹、張之然綜述，趙鵑審校

綜述

骨形態發生蛋白參與心血管疾病形成的機制探討

高安琪、于丹丹、張之然綜述，趙鵑審校

近年來，骨形態發生蛋白（BMP）參與心血管疾病形成的研究逐漸增多；不同的BMP分型在機體組織器官中的分布有著顯著性差異，主要通過信號傳導通路，誘導且參與血管動脈的粥樣硬化形成過程，可累及冠狀動脈、肺動脈、腎動脈等全身血管系統，從而引起動脈管腔狹窄、管壁硬化，甚至阻力升高、心臟擴大等等。因此，對BMP的深入研究將有望為臨床心血管疾病的防治提供一條新思路。

綜述；骨形態發生蛋白質類；心血管疾病

骨形態發生蛋白（BMP）是轉化生長因子-β（TGF-β）超家族的成員之一, 最初被發現是由于其能夠誘導異位組織骨化和軟骨形成；然而，BMP的生物學作用不僅局限于骨的形成和發育,還參與了全身所有組織器官的形成和分化,包括心臟、血管、胃腸、呼吸、泌尿、生殖及神經系統的胚胎發育、生長和分化等。2016年Morrell 等[1]提出:BMP及其受體是胚胎發育和器官形成的重要調節器，也是心血管結構和功能調控的關鍵之一。在本篇綜述中，我們將深入地闡述BMP與心血管疾病形成的相關性。

1 BMP的起源

1965年Urist等[2]觀察到：將脫鈣骨基質植入大鼠或家兔的皮下或肌肉中能夠誘導相應組織向骨細胞分化，表明此脫鈣骨基質中含有某種促進骨形成的活性物質；而且從其提取物中分離得到了一種酸性蛋白質，也能夠使未分化的間充質定向分化為成骨細胞, 增加膠原的合成和骨組織的鈣化形成；因此，Urist等[2]將此種酸性蛋白質命名為BMP。

2 BMP的結構與分類

BMP的前體是由一個信號蛋白和一個由100～125個氨基酸組成的羧基末端（C端）組成，經過特定的剪切、修飾等等可轉化為成熟BMP蛋白質；其中，大部分BMP的C端含有7個高度保守的半胱氨酸殘基，形成多個二硫鍵，2個或2個以上的多肽鏈再形成二聚體；這種典型的、局部二硫鍵結構，也被稱為半胱氨酸結。因此，成熟的BMP是由多個半胱氨酸結組成的同型或異型二聚體，再由細胞內分泌到細胞間隙或血漿中，與靶細胞表面的相應受體結合，從而發揮生物學效應[3]。

目前,已證實的BMP家族成員有40多個,除BMP-1外,其他BMP成員均屬于TGF-β家族[4]。按照其同源性可將BMP分 為4組：(1）BMP-2和BMP-4；（2）BMP-5、BMP-6和 BMP-7；（3）BMP-12、BMP-13和 BMP-14；（4）BMP-3b和BMP-3。另外,外源性BMP的免疫原性較差,一般不引起免疫排斥反應,只有輕微的刺激能力[5，6]。

和TGF β家族的其他成員一樣，BMP主要通過與絲氨酸-蘇氨酸激酶受體結合，即Ⅰ型和Ⅱ型受體，兩者結合后組成異四聚體復合物；然而，與TGF β不同的是，BMP與Ⅱ型受體有更大的親和力。基于BMP受體的同源結構, BMP Ⅰ型受體細化為兩個亞組: BMP受體IA型（BMPR-IA）、BMP受體IB型（BMPR-IB）；Ⅱ型BMP家族的受體包括BMP-Ⅱ型受體(BMPR-II)、激活素ⅡA型受體(ACTR-ⅡA)和激活素ⅡB型受體(ACTR-ⅡB)。BMPR-Ⅱ 是選擇性蛋白,而ACTR-ⅡA和ACTR-ⅡB也可被活化素、生長分化因子和節點等活性因子激活。BMPR-Ⅱ和ACTR-ⅡA在間充質細胞衍生的組織中均有廣泛地表達，其中，BMPR-Ⅱ在內皮細胞層和血管內膜層中也有較高水平的表達[7-10]。

3 BMP的生物學作用

BMP主要分布于骨皮質、骨周圍組織及中樞神經系統，對骨的生長和分化起著“舉足輕重”的作用。BMP-2的信使核糖核酸（mRNA）可在骨組織和間充質組織中表達，如肢芽、心臟和頜骨濾泡等；還與血管鈣化的關系最為密切，可能與氧化應激、炎癥反應和高血糖有關。BMP-3 mRNA在大部分組織中檢測不到，僅在大腦和肺組織中有少量表達；BMP-4的分子結構類似BMP-2，但其分布卻與BMP-2有著明顯的差異，它在心臟中的分布是肺臟和腎臟水平的2倍以上，因而，BMP-4對心臟的胚胎發育起著重要的作用；BMP-5和BMP-6 mRNA主要在肺組織表達；BMP-7 mRNA則在腎臟、膀胱和腎上腺等組織中表達；BMP-9通過間變性淋巴瘤激酶-1(ALK-1)介導的信號通路，調節成骨細胞的分化和血管平滑肌細胞的鈣化[11]。

BMP作為一種細胞分化和凋亡的有效調節因子，與相應受體結合后，再通過三條信號通路：（1）Smad信號通路；（2）p38促分裂原活化蛋白激酶（p38 MARK）信號通路；（3）Ras/ ERK信號通路，從而對細胞生物學功能進行正性或負性調節，來維持組織和器官的發育與修復。

4 BMP參與心血管疾病的形成

BMP活性升高與動脈血管的粥樣硬化和鈣化，以及炎癥反應密切相關；然而，BMP表達降低則加速肺動脈高壓（PAH）和遺傳性出血性毛細血管擴張癥的形成與進展[1]。BMP參與心臟和循環系統的動態平衡，對維持和發展心血管系統的完整性和穩定性起著重要的作用。

4.1 動脈粥樣硬化

BMP信號在內皮細胞中通過脂蛋白來誘導活性氧（ROS）是動脈粥樣硬化所必需的一個關鍵過程[12]；BMP信號和ROS表達的增加可促使平滑肌細胞向成骨細胞轉化，從而促進后續血管的粥樣硬化的形成與發生。Derwall 等[13]證實：BMP在粥樣硬化和鈣化的動脈內膜中表達增強；BMP與受體結合后，可通過激活的還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶-1，增加內皮細胞ROS的產生，導致細胞間黏附分子-1（ICAM-1）、環氧化酶-2（COX-2）的誘導以及促炎癥的轉錄程序的啟動[14]。

BMP-4是一種促炎癥和促動脈粥樣硬化的細胞因子，可以增加巨噬細胞本身的吞噬功能和內源性炎性因子的表達。Chul 等[15]通過對1 044例男性患者進行冠狀動脈造影術，發現血清BMP-4的濃度與男性冠狀動脈疾病（CAD）發病率呈負相關；而且，男性患者多支血管病變的血清中BMP-4水平要比單支冠狀動脈狹窄病變更為顯著地降低［（16.3±22.6 ）pg/ml vs（22.0±28.4 ）pg/ml, P＜0.01］。其后，Chul 等[15]在校正其他心血管危險因素后，降低的血清BMP-4水平仍是CAD風險發生的一個獨立預測因子［比值比（OR）=0.992，P=0.01］。然而，此項研究中沒有證實女性血清BMP-4和CAD之間的關聯性；推測：這可能與女性雌激素的保護作用有關。

過去5年中，多項臨床研究[16-18]證明：BMP參與心肌梗死后心肌重構的過程，血清中BMP-4水平與CAD的進展程度密切相關，且是獨立于其他危險因素。van Dijk 等[19]指出在動脈粥樣硬化病變形成的早期就伴有激活的TGF-β和BMP表達變化。

4.2 PAH

BMPR-Ⅱ基因突變是遺傳性肺動脈高壓（HPAH）的重要致病原因之一。Long 等[20]利用PAH疾病的易感小鼠動物模型，將一個重組的BMP-9注入小鼠體內，目的在于靶向增強血管內皮中BMPR-Ⅱ的生物學效應； 研究證實：在小鼠的PAH動物模型中BMPR-Ⅱ表達上調，肺動脈的壓力有所緩解；由此得出：BMP-9蛋白不僅保護肺動脈內皮細胞免于凋亡和保持血管穩定性，同時也增加BMPR-Ⅱ基因的表達，強化BMPR-Ⅱ信號的表達；從而升高的BMP-9水平具有阻斷細胞凋亡和增強血管穩定性的能力。

此外，內皮素-1（ET-1）和BMPR-Ⅱ間的相互作用也能夠誘導PAH的肺動脈平滑肌細胞（PA-SMCs）增生。在臨床研究中，PAH患者的血清中BMPR-Ⅱ和BMP-4水平的表達降低，而gremlin-1、gremlin-2的表達卻增加，其可能通過經典的TGF-β1/ smad2/3信號途徑發揮內皮細胞損傷作用。ET-1處理的PA-SMCs也可誘導細胞內gremlin-1和gremlin-2水平呈劑量依賴性增加，而BMP-2、BMP-4和BMPR-II的表達降低，從而惡化PA-SMCs的生物學功能且延緩BMPR-Ⅱ信號傳導[21]。BMP-2和BMP-4主要是通過BMPR-II的磷酸化,激活內皮型一氧化氮合酶（eNOS），進而誘導血清中一氧化氮（NO）水平生成增加。作為BMP-2和BMP-4的拮抗劑， 高濃度的gremlin-1水平可能導致BMPR-Ⅱ信號通路障礙，從而抑制BMP對血管的保護作用而表現為加速細胞凋亡和血管硬化的作用。ET-1通過增加PA-SMCs分泌的內源性gremlin-1表達，從而下調BMPR-Ⅱ的生物學效應。這也意味著gremlin-1可作為PAH中ET-1拮抗治療的替代指標[22]。

4.3 腎動脈高壓

BMP-7作為腎纖維化的負性調節因子，通過維持上皮細胞表型、逆轉心內膜的上皮向間質轉化,來抑制腎臟上皮細胞的凋亡。Dalfino 等[23]選取85 例慢性腎臟病（CKD）患者和41名健康人進行研究；CKD患者的BMP-2血清水平顯著地高于對照組（P＜0.0001）。過氧化氫（H2O2）對體外培養血管平滑肌細胞進行預處理，當內皮細胞暴露于H2O2一段時間后，內皮細胞中BMP-2表達顯著地增加；同時，也誘導內皮細胞的骨化標志物--堿性磷酸酶（ALP）表達的上調。BMP-7蛋白可增加基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）的表達、促進細胞外基質的降解、降低多種促炎癥因子表達、影響TGF-β1/Smads傳導途徑以及TGF-β1的互逆作用，從而對腎間質纖維化起到預防和逆轉的作用[24]。

4.4 糖尿病血管病變

糖尿病促使動脈粥樣硬化在血糖異常的早期已經開始，心血管風險也隨之增加[25]。Son 等[17]發現：血清BMP-4水平與收縮壓、甘油三酯、游離脂肪酸、心-踝血管指數和頸動脈內膜中層厚度呈負相關，也與2型糖尿病患者的動脈僵硬度呈反比。然而，2型糖尿病患者比正常對照組的BMP-2有較高的血清水平，且與2型糖尿病患者的動脈粥樣斑塊形成呈正相關[26]；血管的病變可惡化心肌重構，加速糖尿病心肌病的形成與進展[27]。

4.5 BMP與先天性心臟病

先天性心臟病是機體在胚胎時期心血管發育異常而引起的畸形性疾病，約占新生兒出生率的1%～5%。其中，流出道缺陷占很大比例。Bai 等[28]研究發現，在小鼠流出道發育的過程中BMP-4和BMP-7的表達被有條件地刪除或屏蔽；下調BMP-4和BMP-7的表達將導致心內膜的上皮向間質轉化的缺陷，降低心臟神經嵴的生成，同時機體會出現永存性的動脈干。

先天性心臟病的20%～30 %是由于心臟瓣膜的異常；例如：胚胎期心內膜的上皮向間質的轉化促使心內膜墊和閥的形成，而心肌特異性BMP-2、BMP-4、ALK-2或ALK-3蛋白表達不足或缺陷均可延緩心內膜的上皮向間質的轉化，甚至心臟內膜形成的缺陷[29-32]。BMP主要通過誘導啟動HAND2使心內膜分化，啟動重組人肌球蛋白輕鏈7（MYL7）和mCherry-NTR來進行胚胎心肌的生成與分化；因而，心肌源性BMP提供了心內膜分化所必需的關鍵信號[33]。Dietrich等[34]和Laura 等[35]也證明心肌源性BMP的表達與心臟重構期的心內膜形成密切相關；且BMP結合內皮調節器（BMPER）可以通過整合BMP-2介導的細胞信號，調整心內膜的上皮向間質轉化與分布，參與相關細胞外基質的沉積。

5 結語

BMP的研究已涉及心血管疾病的發生、發展，包括冠狀動脈、肺動脈、腎動脈等全身血管，然而，目前BMP具體機制尚不甚明了；例如：不同BMP蛋白分型對心血管疾病的量化作用；BMP表達是否與性別、年齡、種群存在相關性；BMP基因在體內的表達時間和數量的調控機制；藥物對BMP表達的干預和安全性等等這些問題都有待進一步研究。

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(編輯：梅平)

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高安琪 住院醫師 學士 主要從事動脈硬化研究 Email: gaq2822@163.com 通訊作者：趙鵑 Email: hrbzyz@sina.com

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2016-02-19)