骨形態發生蛋白4在非酒精性脂肪性肝病發病機制中的作用

王宇威, 劉近春, 柴 茹

1 山西醫科大學研究生院, 太原 030001; 2 山西醫科大學第一醫院消化內科, 太原 030001

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是以肝臟內脂質過量沉積為特征的慢性進行性肝病。近年來,NAFLD的患病率逐年上升,給家庭及社會造成了極大負擔[1-2]。至今為止,NAFLD尚無特效療法,目前指南較為推薦的是生活方式干預[3],然而,因其難以長期堅持,且治療效果因患者依從性的影響差別很大,當前迫切需要更為安全有效的方法來預防及治療NAFLD。有研究[4]發現,骨形態發生蛋白4(bone morphogenetic protein, BMP4)在NAFLD的發病中發揮重要作用。本文就BMP4在NAFLD發病機制中的作用進行闡述,同時思考靶向BMP4在預防及治療NAFLD中的實際意義,以期為NAFLD的臨床干預提供理論依據。

1 BMP概述

BMP不僅在骨和軟骨形成及修復中起作用[5-6],在調節細胞進程(如細胞增殖、分化、凋亡)中也扮演重要角色[7-8]。其可以通過經典和非經典途徑發出信號,經典途徑依賴于BMP與Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸-蘇氨酸激酶受體結合,然后通過Smad信號通路由轉錄因子Smad1/5/8進行信號轉導[9]。非經典通路主要包括MAPK、p38、ERK、JNK和PI3K-AKT等信號通路[10]。而BMP的拮抗劑(如Gremlin-1、Noggin等)可阻斷上述途徑[4]。

多項研究發現肝臟是部分BMP的重要靶標。例如,Vacca等[11]發現BMP8b可以通過促進肝脂肪變和炎癥反應來誘發NAFLD。BMP9被證明可通過改善糖脂代謝、減輕炎癥反應、增加胰島素敏感性等來緩解NAFLD[12-13]。此外,BMP2被提出可能對肝纖維化具有預防和治療作用[14]。另有學者[15-17]認為,BMP4可能通過調控肝內糖脂代謝、減輕胰島素抵抗、抗炎及纖維化等調節NAFLD的發生發展。近期Baboota等[15]研究發現,BMP4還可能通過調節肝細胞衰老進程進而影響NAFLD。

2 BMP4在NAFLD中的潛在作用機制

2.1 調節脂質代謝

2.1.1 促進褐色脂肪樣細胞生成 哺乳動物脂肪組織主要包括白色脂肪組織(white adipose tissue, WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue, BAT)。WAT通常以甘油三酯的形式儲存能量;相反,BAT通過消耗儲存的甘油三酯來產熱,二者共同維持機體能量穩態。然而,有學者[18-19]發現了一種新的脂肪細胞類型即棕色樣細胞(又稱為米色脂肪細胞),指的是其雖然存在于WAT庫中,但卻具有棕色脂肪細胞樣的外觀和功能。多項研究發現,BMP4可促進WAT重塑并誘導其褐變為米色脂肪。Hoffmann等[20]將BMP4靶向到小鼠肝臟中,結果顯示雖然BAT活化減少,但皮下脂肪細胞褐變增強,表明其總體效果是通過促進皮下脂肪組織褐變來增加全身能量消耗的。Qian等[21]研究小鼠中靶向BMP4過表達和敲除的結果表明,BMP4可通過p38/MAPK信號通路來調節WAT重塑并誘導其褐變。后其團隊進一步研究發現,BMP4可以抑制促炎型M1巨噬細胞的活化,同時激活抗炎型M2巨噬細胞,后者可通過p38/MAPK/PI3K-AKT信號通路促進米色脂肪的形成[22]。然而,這些結果僅支持BMP4在預防肥胖方面的作用。Hoffmann等[23]提出,BMP4不能逆轉成年小鼠中已建立的肥胖,原因可能與肥胖個體中BMP拮抗劑Noggin、Gremlin-1增加有關,而這可能也是WAT褐變減少的原因。上述發現預示了靶向BMP4治療NAFLD的潛力。另外,能否通過在成年肥胖小鼠體內抑制BMP4的拮抗劑來克服脂肪組織對BMP4的抵抗性也有待進一步研究。

2.1.2 減輕肝臟脂肪積累 研究[16]表明,BMP4在肝臟糖脂代謝中起重要作用。Peng等[24]研究發現在NAFLD小鼠中BMP4表達升高,外源性給予BMP4可緩解肝脂肪變性,可能的機制是BMP4通過抑制mTORC1信號通路來減少肝臟脂肪的積累,進而抑制NAFLD的發展。其中,mTOR是磷脂酰肌醇3-激酶家族中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,在調節新陳代謝中起著重要作用。mTOR可形成兩種不同的蛋白質復合物催化亞基,分別為mTORC1和mTORC2,當二者被激活后,可以通過促進脂肪生成和抑制脂肪分解等過程來促進甘油三酯的積累[25-26]。

2.2 調節葡萄糖代謝 NAFLD通常伴隨著糖異生增加、糖原合成減少和胰島素抵抗[27]。Zhong等[28]通過實驗發現BMP4可以促進肝癌細胞的糖酵解過程,機制可能是BMP4促進了葡萄糖攝取及通過Smad信號通路上調糖酵解限速酶的活性來促進糖酵解。An等[29]綜合分析14種BMP后發現,BMP4是降低葡萄糖水平和影響糖代謝基因表達的最有效BMP之一,另外結果顯示BMP4上調mTORC2信號通路的大部分成員如Prr5、Prr51、Rictor、Mtor以及與糖代謝相關的下游基因如Akt1、Akt2、Akt3、Foxo1、Foxo3和Sgk-1,這表明BMP4可以通過激活mTORC2信號通路來促進肝糖原的積累,進而降低肝內葡萄糖水平。BMP4調節mTORC1/mTORC2信號通路影響糖脂代謝的過程間可能存在串擾,而葡萄糖降低這一過程可能是BMP4通過激活AMP-活化蛋白激酶抑制mTORC1信號通路的關鍵因素,但這一點還需要進一步驗證。

2.3 減輕胰島素抵抗 胰島素抵抗是NAFLD發病的關鍵因素。Gannon[17]發現BMP信號通路可以特異性調節參與胰島素產生和分泌的基因,并證明外源性給予BMP4可增強胰島素分泌。Sakhneny等[30]也發現BMP4下游信號的轉導可促進胰島β細胞中胰島素產生和分泌的核心基因的表達。此外,Hoffmann等[23]也提出,BMP4可以提高胰島素敏感性,但值得注意的是,在該研究中發現胰島素敏感性的增加與體質量減輕無關。提示靶向BMP4療法或許可以為非肥胖型2型糖尿病的治療提供新的思路。

2.4 影響肝纖維化及抗炎作用

2.4.1 與肝纖維化的關系 肝星狀細胞(hepatic stellate cells, HSC)是參與肝纖維化的關鍵細胞。近年來,關于BMP4與肝纖維化的關系觀點不一。有學者[31-32]提出,BMP4可增加HSC中α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin, α-SMA)的表達,進而促進肝纖維化。Omar等[33]將BMP4-siRNA靶向到HSC中,發現BMP4-siRNA可以抑制α-SMA的表達,且抑制程度與BMP4水平呈正相關。以上均支持BMP4可促進纖維化過程。然而Baboota等[15]發現BMP4可阻止不同損傷處理后的HSC中炎癥因子的分泌,提示BMP4具有抗纖維化和抗炎作用。另有研究[34-35]發現,BMP的拮抗劑Gremlin-1可促進HSC的激活,而抑制大鼠肝臟中的Gremlin-1可緩解四氯化碳誘導的肝纖維化。BMP及其拮抗劑與HSC之間復雜的相互作用增加了HSC調節肝纖維化的復雜性,因此,需要更多的體內、體外實驗來明確BMP4及其拮抗劑在肝纖維化方面的作用。

2.4.2 抗炎作用 Baboota等[15]研究發現BMP4可以顯著降低不同損傷下細胞中趨化因子受體2(CCL2)、IL-6和IL-1β等細胞因子的mRNA水平,并抑制TNFα介導IL-1β分泌的增加,這與以往研究[36-37]結果相似,即BMP4可能通過過氧化物酶體增殖物活化受體γ發揮作用以減少人脂肪細胞中TNFα介導的促炎細胞因子的產生。由于其強大的抗炎潛力,BMP4可能成為炎癥相關疾病如NAFLD、胰島素抵抗、2型糖尿病等疾病的保護因子。

2.5 抗細胞衰老作用 細胞衰老對NAFLD可能起到潛在作用。在一些對NAFLD患者進行肝活檢的研究[38-39]中發現其肝臟中衰老細胞增加。Ogrodnik等[38]也發現細胞衰老可以導致小鼠的肝脂肪變性,而衰老細胞的消除可以防止脂肪變性。為了探究BMP4、細胞衰老與NAFLD三者之間的關系,Baboota等[15]研究證明,NAFLD患者體內的衰老標志物SA-β-Gal、p16、p21和p53與健康對照組相比顯著增加,而在非酒精性脂肪性肝炎個體中進一步上調,與此同時,NAFLD患者肝臟中BMP4水平也隨疾病進展而增高。Baboota等進一步研究發現,BMP4和衰老誘導劑阿霉素(DOX)對細胞衰老具有拮抗作用,BMP4主要通過影響YAP/TAZ信號通路來抑制DOX誘導的衰老過程,表現為增加腫瘤抑制因子如LATS1、pTAZ、TAZ(p53的抑制劑[40])、pYAP和YAP等的表達,并直接抑制p16。以往也有學者[41]提出,BMP4可以通過增強BMP信號級聯的早期下游標志物的抑制作用來降低p16。而YAP/TAZ途徑的激活也一直被認為在肝臟修復和再生中起著重要作用[42-43],此外,YAP/TAZ途徑已被證明可以激活HSC,從而導致肝纖維化,而抑制成纖維細胞中的選擇性YAP/TAZ激動劑可以逆轉小鼠的肝纖維化[44-45]。Baboota等[15]進行的實驗也發現肝細胞衰老可能促進胰島素抵抗,并增強促炎基因在HSC中的表達。綜上,肝臟細胞衰老與肝臟炎癥、肝纖維化、胰島素抵抗等密切相關,肝臟細胞衰老可能是驅動NAFLD發展的主要因素,但衰老與NAFLD之間的具體機制還有待進一步研究。目前可以基本確定BMP4是一種抗衰老劑,其通過YAP/TAZ途徑調節衰老過程。

3 總結與展望

BMP4具有多種生物學功能,其在NAFLD發生發展中的作用詳見圖1。除了調節肝內糖脂代謝、減輕胰島素抵抗、抗炎及影響肝纖維化外,抗細胞衰老也被提出可能是BMP4調節NAFLD發病的重要機制之一,同時參與其中的YAP/TAZ信號通路也值得引起注意。BMP4靶向療法可能成為預防及治療NAFLD的新途徑,根據已有的向人及動物體內靶向BMP4的研究來看,尚無關于BMP4治療出現嚴重副作用的報道,但考慮到BMP4信號網絡結構復雜,其在NAFLD不同疾病階段具體如何發揮作用,仍有許多未闡明之處。因此,未來仍需要進行更多的研究來驗證靶向BMP4療法治療NAFLD的效果及安全性。另外,還要繼續深入探索BMP4及其拮抗劑與NAFLD三者之間的相互聯系,以期開發更為精準、高效、安全的治療方法。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：王宇威負責收集文獻,撰寫論文;柴茹負責收集、篩選文獻;劉近春負責擬定寫作思路,指導撰寫文章并最后定稿。