骨形態發生蛋白9促成骨的分子機制

羅進勇

(重慶醫科大學臨床檢驗診斷學教育部重點實驗室，重慶 400016)

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羅進勇

骨形態發生蛋白9促成骨的分子機制

羅進勇

(重慶醫科大學臨床檢驗診斷學教育部重點實驗室，重慶 400016)

骨形態發生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)屬于轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的成員，因其具有誘導骨形成的能力而得名。在人類中，BMPs家族至少包括15個以上的成員，其中具有促成骨作用的(成骨性BMPs)包括BMP2、BMP4、BMP6和BMP7，而BMP2和BMP7已經在臨床用于促進脊柱融合。近年發現，BMPs中的成員BMP9又稱生長分化因子2(growth differentiation factor 2，GDF2)也具有誘導成骨分化和骨形成的能力，而BMP9促成骨的相關分子機制也得到了一定的解析。

1BMP9具有強效促成骨作用

BMP9主要存在于肝臟，其具有誘導和維持胚胎神經元的類膽堿分化、調節葡萄糖和脂肪酸代謝、調節體內鐵的動態平衡、參與腫瘤發生及血管生成等多種重要功能。但是對BMP9在骨形成及骨再生中的作用，長期以來都缺乏研究和了解?；诖耍琄ang等[1]利用重組腺病毒介導的方法，系統研究了BMP2～BMP15共14種BMPs在骨形成中的作用，結果發現BMP9也具有誘導成骨活性，且其促成骨能力遠強于已在臨床應用的BMP2和BMP7。在體外細胞實驗中，BMP9可以促進多種細胞如間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)、小鼠胚胎成纖維細胞(mouse embryonic fibroblasts，MEFs)、成骨前體細胞、牙周膜干細胞(periodontal ligament stem cells，PDLSCs)和肌源干細胞(muscle-derived stem cells，MDSCs)等定向成骨分化[1-5]。而且，相比于其他的成骨性BMPs，BMP9的促成骨作用很難被BMP3和Noggin抑制[1,6]。在動物實驗中，BMP9也顯示出較強的促成骨作用，BMP9對小鼠骨缺損愈合及大鼠腰椎脊柱融合均有明顯的促進作用[7-8]。因此，BMP9是一種強效的促成骨因子。

2BMP9促成骨的信號轉導途徑

2.1BMP9促成骨相關受體BMPs均可與具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的跨膜TGF-βⅠ型和Ⅱ型受體結合，啟動信號轉導。因此TGF-β受體作為BMPs早期信號轉導的最重要的分子之一，是BMPs信號轉導的關鍵起始點，與其誘導成骨活性關系密切。為鑒定與BMP9促成骨相關的受體，Luo等[2]構建了一系列TGF-βⅠ型和Ⅱ型受體的突變體，并利用其進行系統，結果分析發現BMP9促成骨相關的Ⅰ型受體是ALK1和ALK2；而與BMP9促成骨相關的Ⅱ型受體為BMPRⅡ、ActRⅡ[3]。當抑制BMP9促成骨相關受體的表達后，BMP9下游的信號轉導和BMP9的促成骨作用均受到抑制。從受體的角度看，BMP9與其他成骨性BMPs既有相同的促成骨受體，同時BMP9也有其獨特的促成骨受體如ALK1，見表1。

表1　成骨性BMPs促成骨相關的TGF-β受體

2.2Smad信號途徑BMP9與相應受體結合后，可激活下游的信號途徑。與其他BMPs一樣，BMP9與相應受體結合后，可以促進經典的Smad信號活化，導致Smad1、Smad5、Smad8磷酸化和核內轉移，并使Smad1、Smad5、Smad8的轉錄調控活性增強[2,3,9]。當抑制Smad信號后，BMP9誘導骨形成的能力減弱，因此，經典的Smad信號在BMP9的促成骨作用中發揮重要作用。值得注意的是，雖然BMP3和Noggin可以抑制BMP2等成骨性BMPs的經典Smad信號的活化，其對于BMP9所活化的Smad信號的抑制作用很弱[1,6]，提示了BMP9促成骨作用的獨特性。

2.3非Smad信號途徑除經典的Smad信號外，BMP9 亦可活化其他非Smad的信號途徑如MAPKs、PI3K/AKT和PKA/CREB等[9-12]。BMP9可以激活MAPKs途徑的p38、ERK1/2和JNK[9-10]，但是3者對于BMP9促成骨作用的調控效應并不相同，當抑制p38和JNK信號時，BMP9促成骨作用減弱[9-10]；而抑制ERK1/2時，BMP9的促成骨作用反而增強[10]。由此表明，p38和JNK對BMP9的促成骨活性可能是正向調控作用，而ERK1/2則是負向調控作用。此外，BMP9也可活化PI3K/AKT和PKA/CREB信號，當抑制AKTPI3K/AKT及PKA/CREB信號后，BMP9的促成骨作用相應減弱[11-12]。

BMP9所活化的經典Smad信號途徑和非Smad途徑存在聯系，當非Smad信號發生變化時，經典Smad信號也發生相應的改變[9-12]，這表明BMP9的經典Smad信號途徑和非Smad途徑同時存在，相互補充，互有聯系，形成其信號轉導和功能發揮的一個全面的信號轉導體系，并進而發揮促成骨的功能

3BMP9促成骨信號的下游關鍵靶分子

BMP9通過上游的信號轉導，作用于下游的多種靶分子，這些靶分子對于BMP9的促成骨活性也具有重要的調控作用，Peng等[13]首先利用基因芯片技術系統分析BMP9促成骨過程中的基因表達變化。以此為基礎，后續對其中的某些關鍵靶分子對BMP9的促成骨作用的調控進行了分析和研究，目前發現BMP9促成骨的關鍵靶分子有Id、CTGF、Crlde2、PPARγ、COX2、HIF1α和Hey1等[14-20]，見表2。

4BMP9促成骨的表觀遺傳調控

表觀遺傳指DNA序列不發生變化，但基因表達卻發生了可遺傳的改變。表觀遺傳包括DNA甲基化、組蛋白乙酰化、非編碼RNA、染色質重塑等。表觀遺傳在骨骼發育中有重要作用。BMP9促成骨的表觀遺傳調控目前研究較少，主要也僅集中于MicroRNA(miR)和組蛋白乙?；痆21-23]，見表3。因此，BMP9促成骨的表觀遺傳調控機制可能成為今后一個重要的研究領域。

表2　BMP9促成骨的關鍵靶分子

表3　BMP9促成骨的表觀遺傳調控

表4　BMP9促成骨過程中與其他信號途徑的交互串話

5BMP9促成骨過程中與其他信號分子的交互串話(crosstalk)

在BMP9促成骨過程中，其他一些關鍵的信號分子也可與BMP9發生相互串話，這些信號分子包括胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF)WnT3a、生長激素(growth hormone，GH)、表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)、全反式維甲酸(all-trans retinoic acid，ATRA)、成纖維細胞生長因子2(fibroblast growth factor 2，FGF2)、TGF-β1等[11,24-29]。但是這些信號分子對BMP9促成骨作用的影響并不盡相同，有些可以協同增強BMP9的促成骨作用[11,24-27]，有些可抑制BMP9的促成骨作用[28]，另有些則因劑量不同而產生不同的效應[29],見表4。

5結語

BMP9是目前BMPs家族中誘導成骨能力最強的成員因子，有希望作為一種促進成骨的細胞因子候選者，具有潛在的臨床應用價值。但由于對BMP9促成骨能力的研究相對較晚，因此對于其促成骨的相關分子機制的解析目前還不完善，還有待深入研究，以期為其將來在臨床的實際應用奠定理論和實驗基礎。

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doi:·專家述評·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.09.001

[中圖分類號]R68

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)09-1153-03

(收稿日期：2015-11-08修回日期：2016-01-15)

羅進勇：(1974-)博士，教授，碩士生導師。主要研究方向為干細胞定向分化與骨再生，對于間充質干細胞定向分化相關信號分子及網絡有較深入研究。擔任國家自然科學基金委員會生命科學部一審專家、重慶市科委自然科學基金評審專家、廣西自然科學基金評審專家、天津市自然科學基金評審專家。為SCI雜志《J Cell Mol Med》、《Curr Pharm Design》、《Archives of Oral Biology》、《Stem Cells International》審稿人，《生物化學與生物物理進展》、《中國生物化學與分子生物學報》、《遺傳》、《中國組織工程研究》雜志審稿專家。