BMPs在中枢神经系统发育和神经保护中的作用

周 心，官堂明，黄 韧，李文德，4

（1.广东医学院药理学教研室，广东湛江524023；2.广东医学院附属医院药学部，广东湛江524001；3.广东省实验动物监测所，广东广州510260；4.广东天然药物研究与开发重点实验室，广东湛江524023）

BMPs在中枢神经系统发育和神经保护中的作用

周 心1，官堂明2，黄 韧3，李文德1，4

（1.广东医学院药理学教研室，广东湛江524023；2.广东医学院附属医院药学部，广东湛江524001；3.广东省实验动物监测所，广东广州510260；4.广东天然药物研究与开发重点实验室，广东湛江524023）

骨形态发生蛋白（Bonemorphogenetic proteins，BMPs）是转化生长因子－β（transforming growth factor－β）超家族的成员，现已经发现BMPs很多亚型BMP分子在神经系统的不同区域呈持续性表达，但是表达在空间和时间具有差异性，提示不同亚型BMPs的功能在神经系统也存在差异。本文主要就BMPs在中枢神经系统发育中的作用和神经保护功能作一综述。

骨形态发生蛋白；中枢神经系统发育；神经干细胞；神经保护

转化生长因子－β（transforming growth factor beta，TGF－β）超家族分布于人体各个系统，由生长因子组成，这些细胞因子在生物的发育过程中，对于多种细胞功能都有调节作用，其调节功能涉及胚胎发育、成熟个体稳态的保持、对疾病和伤害的反应等多个方面，细胞的生长、分化、迁移和细胞凋亡等一系列状态［1，2］。骨形态发生蛋白（Bonemorphogenetic proteins，BMPs），最初因观察到其具有诱导骨生长的能力而得名，随着深入的研究，发现BMPs也属于TGFβs超家族的一员。BMPs不但在诱导软骨和骨的形成过程中起着重要的作用，而且还参与了多种分子、细胞和组织的生物学过程如肢体的形态发生［3］、细胞的凋亡［4］、神经元分化［5］、神经胚形成［6］和中胚层诱导［7］等。1990年，Ozkaynak等［12］在人脑海马的cDNA文库中克隆出BMP7，这也是首次发现BMPs成员在神经系统的表达。目前，BMPs作为端脑发育的重要细胞外信息分子，现已经发现BMPs很多亚型BMP在神经系统的不同区域呈持续性表达。有资料显示，BMP信号通路不但在神经系统发育期具有重要的作用，在成年期也具有重要的作用。在神经系统发育期，BMP信号调节细胞增殖，促进背侧神经管发育及决定神经前体细胞的分化［8］。在成年期，BMP信号在中枢神经系统持续表达，作用于神经前体细胞的增殖和分化［9］。除此之外，BMP信号分子在一些神经系统疾病，如：缺血性脑卒中［10］，脊髓损伤［11］等神经系统病理过程中发挥重要作用。本文主要就BMPs及其信号分子在中枢神经系统发育中的作用和神经保护功能作一综述。

1 BMP信号的传导

目前在哺乳动物体内克隆和表达了二十多种BMPs成员，包括BMP2、BMP3、BMP4、BMP5、BMP6等等，他们结构相似，功能相关，广泛分布于机体各处。BMP生物学活性主要通过进化保守的Ⅰ型与Ⅱ型受体介导实现，两者都是膜蛋白受体，均由细胞内区、跨膜区和细胞外区组成，具有丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶结构。BMPs对靶细胞的刺激主要通过Smad途径起作用，BMPs－BMPRs－Smads－靶基因。BMP蛋白作为配体首先与具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性的Ⅱ型受体BMPRⅡ和ActRⅡB结合，复合物再结合Ⅰ型受体（ALK3／BMPRⅠA、ALK6／BMPRⅠB和ALK2／ActRⅠ），并使Ⅰ型受体磷酸化。磷酸化的Ⅰ型受体也具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性，然后活化的Ⅰ型受体再进一步招募效应分子Smad1／5／8（R－Smads），并使R－Smads C末端磷酸化，从而激活R－Smads。磷酸化的R－Smads与Smad4结合形成复合物并转运至核内，在不同转录因子的协同作用下，形成转录复合物。然后该转录复合物结合至靶基因的调控区域，调控靶基因的表达以发挥生物学效应［13］。

2 BMP信号在中枢神经系统发育中的作用

2.1 BMP蛋白在神经干细胞增殖和分化中的作用 中枢神经系统的正常发育有赖于神经干细胞的增殖和分化过程。而不同的BMP蛋白对神经干细胞的作用并不相同。BMP2作为BMP家族中重要成员之一，是神经干细胞所处局部微环境中相当重要的一种细胞因子。研究已发现BMP2对不同部位和不同发育阶段的神经干细胞的作用并不相同，BMP2既可以促进神经干细胞向神经元分化也可以促进神经干细胞向星形胶质细胞分化。而在胚胎鼠室管膜前下区（SVZa），BMP2可以促进神经干细胞向神经元分化，并且明显促进神经干细胞向多巴胺能神经元分化。体外实验研究也表明BMP2对SVZa神经干细胞向多巴胺能神经元分化有明显的促进作用，刘胜华［14］通过分离SVZa神经干细胞为研究对象，用BMP2及其拮抗剂Noggin处理培养好的神经干细胞，观察BMP2及其拮抗剂Noggin对SVZa神经干细胞向多巴胺能神经元分化的影响，研究结果表明BMP2明显促进SVZa神经干细胞分化为多巴胺能神经元，而这种作用同样被其拮抗剂Noggin很好抑制。叶正旭等［15］通过研究不同浓度BMP2诱导脊髓源性神经干细胞分化为神经细胞的影响，证明了脊髓源性神经干细胞能够在含碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的情况下受BMP调控而分化，bFGF协同低浓度BMP2作用于脊髓神经干细胞促使其向神经元和星形胶质细胞分化，而抑制分化成少突胶质细胞。

BMP4不但在神经系统发育期具有重要的作用，且在成年期也具有重要的作用。在神经系统发育期，BMP4能促进背侧神经管发育，调节细胞增殖及决定神经前体细胞的最终分化。在成年期，BMP4持续表达于中枢神经系统，在神经前体细胞的增殖和分化中起作用［16］。胆碱能神经元是神经系统内一类非常重要的神经元，参与学习与记忆等重要功能。常艳等［17］通过研究观察BMP4对原代分离培养的大鼠脑神经干细胞胆碱能诱导分化效应，研究结果表明BMP4可以诱导大鼠脑神经干细胞分化为具有胆碱能特性的细胞。胰岛素基因l增强子蛋白（ISL1）是LIM同源结构域蛋白家族成员之一，作为一类转录调节因子，ISL1通过其LIM结构域特异的分子内或分子间相互作用，在不同种类动物的神经系统发育中发挥相当重要的调控作用［18］，王丽娜［19］研究发现BMP4是通过诱导同源域ISL1蛋白来调控端脑神经祖细胞向胆碱能神经元分化。

2.2 BMPs在神经分化和形态发育中的作用 关于BMPs在神经分化和形态发育中的作用，目前的研究已较为深入［20，21］。早在1995年，Lein等［22］在交感神经元上就发现BMP7有强大的促进树突发育的作用。后来的研究也发现BMP6和BMP7可以促进皮层神经元、交感神经元、海马神经元、视神经节神经元和小脑颗粒细胞的树突生长和分支增加，BMP7、BMP5和BMP2可以促进嗅球内僧帽细胞的树突生长。BMP2可以促进纹状体内钙结合蛋白表型神经元的树突延伸，同时BMP2具有类似神经营养因子的作用［23，24］，可诱导PC12细胞系神经分化，促进神经元形态发生，并在体外培养环境中发挥促进GABA能神经元存活和分化的作用［25，26］。

3 BMPs信号途径的神经保护功能

现已发现，不同亚型的骨形态发生蛋白在神经系统中的不同区域呈持续性表达，一系列体外和体内动物实验证明骨形态发生蛋白不仅在神经系统发育过程中发挥重要作用［27］，并且在成熟神经系统受到损伤时具有神经保护和神经再生功能［28］。

近几年研究观察发现，BMPs在成熟神经系统内具有维持稳态和突触生长、营养和保护神经系统的作用，尤其是保护神经系统对抗有毒物质和不良环境的攻击，具有更重要的临床意义。大量研究证实，BMP4在一些神经系统疾病，如：脑和脊髓损伤、脑缺血［29，30］及脑膜瘤［31］等神经系统病理过程中发挥重要作用。BMP4可能参与胶质增生和神经保护等生物学效应。郭为［32］研究发现在人大脑皮质发育障碍组织中BMP4及其受体BMPRIA、BMPRIB和BMPRII表达较正常对照皮层显著下降，特征性地强表达于异构神经元和反应性星形胶质细胞。可能通过自分泌或旁分泌的方式作用于自身或其他细胞，发挥神经营养和抗凋亡作用，维持异构神经元的异常生存，同时促进大脑皮质发育障碍病灶内的胶质增生。

近年研究发现，脑缺血后给予外源性BMP7能够下调脑缺血模型脑梗死的体积或促使动物运动功能的恢复［33，34］。而于竹芹等［35］通过用线栓法制备大鼠脑缺血／再灌注模型来观察BMP7的作用，实验结果显示BMP7能明显改善缺血／再灌注大鼠的神经功能症状，降低神经细胞凋亡的数量，减轻脑缺血对大鼠造成的脑损伤，以上说明了BMP7对大鼠脑缺血／再灌注损伤有显著的神经保护作用。且谢逸群［36］通过观察成年大鼠脑出血模型的神经发生和BMP7 mRNA的表达，以及BMP7对胶质细胞和神经元增殖和脑内谷氨酸含量的影响，发现大鼠脑出血后升高了BMP7和BMPRII mRNA的表达，且BMP7可以促进脑出血大鼠海马齿状回神经干细胞的增殖，促进胶质细胞的分化，促进血肿周围的星型胶质细胞的增殖分化，但抑制神经元的分化；BMP7还可以通过促进星型胶质细胞的增殖分化、神经元树突的生长以及降低谷氨酸含量来改善大鼠脑出血后的神经功能。

AD是以认知和记忆功能障碍为主要表现的一种神经退行性疾病，其病理特征主要是在大脑皮质和海马出现β淀粉样蛋白（amyloid－b protein，Aβ）聚集形成老年斑，Tau蛋白异常聚集形成神经纤维缠结以及大脑皮质和海马区神经细胞减少。大量研究证据表明，Aβ在AD致病分子机制中处于核心位置［37］。而Aβ25－35作为β淀粉样蛋白中最短的片段，具有完整的β淀粉样蛋白生物活性，因此孙琳等［38］通过应用Aβ25－35来诱导原代培养的大鼠海马神经元产生毒性损害，观察BMP6在Aβ25－35致大鼠海马神经元毒性损害中对神经的保护作用，研究结果表明BMP6在Aβ25－35所致海马神经元损伤中，可以一定程度的逆转Aβ25－35引起的神经元形态改变、细胞活力下降以及凋亡坏死情况。

4 小结

BMPs作为TGF－β超家族的成员之一，越来越多的研究表明，其在神经系统发育过程中发挥重要作用，且在成熟神经系统受到损伤时具有神经保护和神经再生功能，目前研究最多的是BMP2、BMP4和BMP7，这几个蛋白是神经发育过程中比较重要的调控分子，但其在细胞生物学水平发挥效应的详细机理和发挥神经保护和再生功能的机制尚不清楚。因此，对BMPs在神经系统作用方式和机制的深入研究将有助于我们通过特异性地调控BMP信号，用于临床多种神经系统疾病的诊治，特别是一些退行性疾病，如Huntington病以及脑缺血、帕金森病、AD、脑萎缩等提供了新的手段。因此BMPs结合临床的研究将有广阔前景。

［1］Wan M，Li C，Zhen G，et al.Injury－activated transforming growth factorβcontrolsmobilization ofmesenchymal stem cells for tissue remodeling［J］.Stem Cells，2012，30（11）：2498－2511.

［2］Derynck R，Akhurst RJ.Differentiation plasticity regulated by TGF－beta family proteins in development and disease［J］.Nat Cell Biol，2007，9（9）：1000－1004.

［3］Kawakami Y，Ishikawa T，Shimabara M，et al.BMP signaling during bone pattern determination in the developing limb［J］.Development，1996，122（11）：3557－3566.

［4］Graham A，Koentges G，Lumsden A.Neural Crest Apotosis and the Establishmentof Craniofacial Pattern：An Honorable Death［J］.Mol Cell Neurosci，1996，8（2／3）：76－83.

［5］Mehler MF，Mabie PC，Zhang D，et al.Bonemorphogenetic proteins in the nervous system［J］.Trends Neurosci，1997，20（7）：309－317.

［6］Wilson PA，Hemmati－Brivanliu A.Induction of epidermis and inhibition of neural fate by BMP－4［J］.Nature，1995，376（6538）：331－333.

［7］Dale L，Howes G，Price BMJ，et al.Bone morphogenetic protein 4：a ventralizing factor in early Xenopus development［J］.Development，1992，115（2）：573－585.

［8］Chen HL，Panchision DM.Concise review：bone morphogenetic protein pleiotropism in neural stem cells and their derivatives－alternative pathways，convergent signals［J］.Stem Cells，2007，25（1）：63－68.

［9］Sabo JK，Kilpatrick TJ，Cate HS.Effects of bone morphogenic proteins on neural precursor cells and regulation during central nervous system injury［J］.Neurosignals，2009，17（4）：255－264.

［10］Wang Y，Chang CF，Morales M，et al.Bonemorphogenetic protein－6 reduces ischemia－induced brain damage in rats［J］.Stroke，2001，32（9）：2170－2178.

［11］Matsuura I，Taniguchi J，Hata K.BMP inhibition enhances axonal growth and functional recovery after spinal cord injury［J］.JNeurochem，2008，105（4）：1471－1479.

［12］Ozkaynak E，Rueger DC，Drier EA，et al.OP－1 cDNA encodes an osteogenic protein in the TGF－beta family［J］.EMBO J，1990，9（7）：2085－2093.

［13］Shi Y，MassaguéJ.Mechanisms of TGF－beta signaling from cell membrane to the nucleus［J］.Cell，2003，113（6）：685－700.

［14］刘胜华.BMP2对SVZa神经干细胞向多巴胺能神经元分化及DLX5表达影响的实验研究［D］.重庆：第三军医大学，2010.

［15］叶正旭，罗卓荆，孟晋宏，等.骨形成蛋白－2诱导脊髓神经干细胞分化的实验研究［J］.中国脊柱脊髓杂志，2004，14（5）：295－298.

［16］Sabo JK，Kilpatrick TJ，Cate HS.Effects of bonemorphogenic proteins on neural precursor cells and regulation during central nervous system injury［J］.Neurosignals，2009，17（4）：255－264.

［17］常艳，薛毅龙，罗芸，等.骨形态发生蛋白4对大鼠脑神经干细胞的胆碱能诱导分化效应［J］.标记免疫分析与临床，2004，11（l）：18－21.

［18］Ippel H，Larsson G，Behravan G，et al.The solution structure of the homeodomain of the rat insulin－gene enhancer protein isl－1.Comparison with other homeodomains［J］.JMol Biol，l999，288（4）：689－703.

［19］王丽娜.骨形态发生蛋白4对胆碱能神经元发生关键转录因子表达的调节［D］.吉林：吉林大学，2010.

［20］KrampertM，Chirasani SR，Wachs FP，et al.Smad7 regulates the adultneural stem／progenitor cell pool in a transforming growth factor beta－and bonemorphogenetic protein－independent manner［J］.Mol Cell Biol，2010，30（14）：3685－3694.

［21］Katsuno M，Adachi H，Banno H，et al.Transforming growth factor－βsignaling in motor neuron diseases［J］.Curr Mol Med，2011，11（1）：48－56.

［22］Lein P，Johnson M，Guo X，et al.Osteogenic protein－1 induces dendritic growth in rat sympathetic neurons［J］.Neuron，1995，15（3）：597－605.

［23］Wu G，Ju L，Jin T，etal.Local delivery of recombinanthuman bonemorphogenetic protein－2 increases axonal regeneration and the expression of tau protein after facial nerve injury［J］.J Int Med Res，2010，38（5）：1682－1688.

［24］Moon JI，Birren SJ.Target－dependent inhibition of sympathetic neuron growth viamodulation of a BMP signaling pathway［J］.Dev Biol，2008，315（2）：404－417.

［25］Iwasaki S，IguchiM，Watanabe K，et al.Specific activation of the p38 mitogen－activated protein kinase signaling pathway and induction of neurite outgrowth in PC12 cells by bone morphogenetic protein－2［J］.J Biol Chem，1999，274（37）：26503－26510.

［26］Hayashi H，Ishisaki A，SuzukiM，et al.BMP－2 augments FGF－induced differentiation of PC12 cells through upregulation of FGF receptor－1 expression［J］.JCell Sci，2001，114（Pt7）：1387－1395.

［27］Choe Y，Kozlova A，Graf D，et al.Bonemorphogenic protein signaling is a major determinant of dentate development［J］.JNeurosci，2013，33（16）：6766－6775.

［28］Xiao L，Michalski N，Kronander E，et al.BMP？signaling specifies the development of a large and fast CNS synapse［J］.Nat Neurosci，2013，16（7）：856－864.

［29］Zhang Z，Trautmann K，ArteltM，etal.Bonemorphogenetic protein－6 is expressed early by activated astrocytes in lesions of rat traumatic brain injury［J］.Neuroscience，2006，138（1）：47－53.

［30］Xiao Q，Du Y，Wu W，et al.Bone morphogenetic proteins mediate cellular response and，together with Noggin，regulate astrocyte differentiation after spinal cord injury［J］.Exp Neurol，2010，221（2）：353－366.

［31］Johnson MD，O′Connell MJ，Vito F，et al.Bonemorphogenetic protein 4 and its receptors are expressed in the leptomeninges and meningiomas and signal via the Smad pathway［J］.J Neuropathol Exp Neurol，2009，68（11）：1177－1183.

［32］郭为.骨形成蛋白－4在大脑皮质发育障碍中的作用及机制研究［D］.重庆：第三军医大学，2011.

［33］Chou J，Harvey BK，Chang CF，et al.Neuroregenerative effects of BMP7 after stroke in rats［J］.J Neurol Sci，2006，240（1－2）：21－29.

［34］Chang CF，Lin SZ，Chiang YH，etal.Intravenous administration of bone morphogenetic protein－7 after ischemia improvesmotor function in stroke rats［J］.Stroke，2003，34（2）：558－564.

［35］于竹芹，鲁成龙，李红云，等.BMP－7对大鼠脑缺血损伤后神经细胞凋亡的影响［J］.临床医学工程，2013，20（2）：156－158.

［36］谢逸群.BMP－7和noggin基因对成年大鼠脑出血神经修复的影响［D］.长沙：中南大学，2004.

［37］Sabbagh MN，Galasko D，Koo E，et al.Amyliod－beta and treatment opportunities for Alzheimer′s disease［J］.J Alzheimers Dis，2000，2（3－4）：231－259.

［38］孙琳，赵永波.骨形态发生蛋白在β淀粉蛋白致大鼠神经元损害中保护作用和机制的研究［C］.全国老年痴呆与衰老相关疾病学术会议暨第三届山东省神经内科医师（学术）论坛［A］.2011：121－122.

The role of BMPs in the central nervous system development and neuroprotection

ZHOU Xin1，GUAN Tang-ming2，HUANG Ren3，LIWen-de1，4
（1.Department of Pharmacology，Guangdong Medical College，Zhanjiang 524023，China；2.The Affiliated Hospital of Guangdong Medical College，Zhanjiang 524001，China；3.Guangdong Laboratory Animal Monitoring Institute，Guangzhou 510260，China；4.Guangdong Key Laboratory for Research and Development of Natural Drugs，Guangdong Medical College，Zhanjiang 524023，China）

BMPs is amember of the transforming growth factor－βsuperfamily，Now found thatmany subtypes BMP of BMPs sustained expression in different areas of the nervous system，but its expression in space and time are different，suggesting that different subtypes of BMPs are also differences in the function of the nervous system.This review focused on the role of BMPs in the central nervous system development and neuroprotection.

BMPs；Central nervous system development；Neural stem cells；Neuroprotection

R33

A

2095－5375（2014）05－0282－004

广东省自然科学基金（No.S2011010005597）.

周心，女，研究方向：神经药理，E－mail：18820648019＠163.com

李文德，男，博士研究生，副教授，研究方向：神经药理学，Tel：0769－2388405，E－mail：gdmcli＠qq.com