骨形态发生蛋白9促成骨的分子机制

罗进勇

(重庆医科大学临床检验诊断学教育部重点实验室，重庆 400016)



罗进勇

骨形态发生蛋白9促成骨的分子机制

罗进勇

(重庆医科大学临床检验诊断学教育部重点实验室，重庆 400016)

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)属于转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的成员，因其具有诱导骨形成的能力而得名。在人类中，BMPs家族至少包括15个以上的成员，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已经在临床用于促进脊柱融合。近年发现，BMPs中的成员BMP9又称生长分化因子2(growth differentiation factor 2，GDF2)也具有诱导成骨分化和骨形成的能力，而BMP9促成骨的相关分子机制也得到了一定的解析。

1BMP9具有强效促成骨作用

BMP9主要存在于肝脏，其具有诱导和维持胚胎神经元的类胆碱分化、调节葡萄糖和脂肪酸代谢、调节体内铁的动态平衡、参与肿瘤发生及血管生成等多种重要功能。但是对BMP9在骨形成及骨再生中的作用，长期以来都缺乏研究和了解。基于此，Kang等[1]利用重组腺病毒介导的方法，系统研究了BMP2～BMP15共14种BMPs在骨形成中的作用，结果发现BMP9也具有诱导成骨活性，且其促成骨能力远强于已在临床应用的BMP2和BMP7。在体外细胞实验中，BMP9可以促进多种细胞如间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)、小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts，MEFs)、成骨前体细胞、牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells，PDLSCs)和肌源干细胞(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的促成骨作用很难被BMP3和Noggin抑制[1,6]。在动物实验中，BMP9也显示出较强的促成骨作用，BMP9对小鼠骨缺损愈合及大鼠腰椎脊柱融合均有明显的促进作用[7-8]。因此，BMP9是一种强效的促成骨因子。

2BMP9促成骨的信号转导途径

2.1BMP9促成骨相关受体BMPs均可与具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的跨膜TGF-βⅠ型和Ⅱ型受体结合，启动信号转导。因此TGF-β受体作为BMPs早期信号转导的最重要的分子之一，是BMPs信号转导的关键起始点，与其诱导成骨活性关系密切。为鉴定与BMP9促成骨相关的受体，Luo等[2]构建了一系列TGF-βⅠ型和Ⅱ型受体的突变体，并利用其进行系统，结果分析发现BMP9促成骨相关的Ⅰ型受体是ALK1和ALK2；而与BMP9促成骨相关的Ⅱ型受体为BMPRⅡ、ActRⅡ[3]。当抑制BMP9促成骨相关受体的表达后，BMP9下游的信号转导和BMP9的促成骨作用均受到抑制。从受体的角度看，BMP9与其他成骨性BMPs既有相同的促成骨受体，同时BMP9也有其独特的促成骨受体如ALK1，见表1。

表1　成骨性BMPs促成骨相关的TGF-β受体

2.2Smad信号途径BMP9与相应受体结合后，可激活下游的信号途径。与其他BMPs一样，BMP9与相应受体结合后，可以促进经典的Smad信号活化，导致Smad1、Smad5、Smad8磷酸化和核内转移，并使Smad1、Smad5、Smad8的转录调控活性增强[2,3,9]。当抑制Smad信号后，BMP9诱导骨形成的能力减弱，因此，经典的Smad信号在BMP9的促成骨作用中发挥重要作用。值得注意的是，虽然BMP3和Noggin可以抑制BMP2等成骨性BMPs的经典Smad信号的活化，其对于BMP9所活化的Smad信号的抑制作用很弱[1,6]，提示了BMP9促成骨作用的独特性。

2.3非Smad信号途径除经典的Smad信号外，BMP9 亦可活化其他非Smad的信号途径如MAPKs、PI3K/AKT和PKA/CREB等[9-12]。BMP9可以激活MAPKs途径的p38、ERK1/2和JNK[9-10]，但是3者对于BMP9促成骨作用的调控效应并不相同，当抑制p38和JNK信号时，BMP9促成骨作用减弱[9-10]；而抑制ERK1/2时，BMP9的促成骨作用反而增强[10]。由此表明，p38和JNK对BMP9的促成骨活性可能是正向调控作用，而ERK1/2则是负向调控作用。此外，BMP9也可活化PI3K/AKT和PKA/CREB信号，当抑制AKTPI3K/AKT及PKA/CREB信号后，BMP9的促成骨作用相应减弱[11-12]。

BMP9所活化的经典Smad信号途径和非Smad途径存在联系，当非Smad信号发生变化时，经典Smad信号也发生相应的改变[9-12]，这表明BMP9的经典Smad信号途径和非Smad途径同时存在，相互补充，互有联系，形成其信号转导和功能发挥的一个全面的信号转导体系，并进而发挥促成骨的功能

3BMP9促成骨信号的下游关键靶分子

BMP9通过上游的信号转导，作用于下游的多种靶分子，这些靶分子对于BMP9的促成骨活性也具有重要的调控作用，Peng等[13]首先利用基因芯片技术系统分析BMP9促成骨过程中的基因表达变化。以此为基础，后续对其中的某些关键靶分子对BMP9的促成骨作用的调控进行了分析和研究，目前发现BMP9促成骨的关键靶分子有Id、CTGF、Crlde2、PPARγ、COX2、HIF1α和Hey1等[14-20]，见表2。

4BMP9促成骨的表观遗传调控

表观遗传指DNA序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。表观遗传包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、非编码RNA、染色质重塑等。表观遗传在骨骼发育中有重要作用。BMP9促成骨的表观遗传调控目前研究较少，主要也仅集中于MicroRNA(miR)和组蛋白乙酰化[21-23]，见表3。因此，BMP9促成骨的表观遗传调控机制可能成为今后一个重要的研究领域。

表2　BMP9促成骨的关键靶分子

表3　BMP9促成骨的表观遗传调控

表4　BMP9促成骨过程中与其他信号途径的交互串话

5BMP9促成骨过程中与其他信号分子的交互串话(crosstalk)

在BMP9促成骨过程中，其他一些关键的信号分子也可与BMP9发生相互串话，这些信号分子包括胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor，IGF)WnT3a、生长激素(growth hormone，GH)、表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)、全反式维甲酸(all-trans retinoic acid，ATRA)、成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor 2，FGF2)、TGF-β1等[11,24-29]。但是这些信号分子对BMP9促成骨作用的影响并不尽相同，有些可以协同增强BMP9的促成骨作用[11,24-27]，有些可抑制BMP9的促成骨作用[28]，另有些则因剂量不同而产生不同的效应[29],见表4。

5结语

BMP9是目前BMPs家族中诱导成骨能力最强的成员因子，有希望作为一种促进成骨的细胞因子候选者，具有潜在的临床应用价值。但由于对BMP9促成骨能力的研究相对较晚，因此对于其促成骨的相关分子机制的解析目前还不完善，还有待深入研究，以期为其将来在临床的实际应用奠定理论和实验基础。

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doi:·专家述评·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.09.001

[中图分类号]R68

[文献标识码]A

[文章编号]1671-8348(2016)09-1153-03

(收稿日期：2015-11-08修回日期：2016-01-15)

罗进勇：(1974-)博士，教授，硕士生导师。主要研究方向为干细胞定向分化与骨再生，对于间充质干细胞定向分化相关信号分子及网络有较深入研究。担任国家自然科学基金委员会生命科学部一审专家、重庆市科委自然科学基金评审专家、广西自然科学基金评审专家、天津市自然科学基金评审专家。为SCI杂志《J Cell Mol Med》、《Curr Pharm Design》、《Archives of Oral Biology》、《Stem Cells International》审稿人，《生物化学与生物物理进展》、《中国生物化学与分子生物学报》、《遗传》、《中国组织工程研究》杂志审稿专家。