骨形态发生蛋白与肿瘤发生的关系研究进展

蔡升，周建波

骨形态发生蛋白（BMPs）属于转化生长因子（TGF-）超家族成员，是一类从骨基质中分离提纯并能高效诱导骨、软骨和组织发生的疏水性酸性糖蛋白，是一种多功能的细胞生长因子。随着研究的深入，发现BMPs广泛参与调节多种细胞的生长、增殖、迁移和胚胎干细胞的自我更新[1-2]。BMPs的表达不但涉及到胚胎、器官的形成，更包括肿瘤疾病的形成和发展[3-4]。正是由于BMPs功能的多样化和重要性，对它的研究一直是干细胞、细胞分化、细胞凋亡及肿瘤发病机制等研究领域的重要内容，当前研究主要集中在不同肿瘤细胞内BMPs的表达亚型及其程度以及BMPs与肿瘤发生、发展的分子机制上，对该蛋白能否成为一种新的肿瘤标志物及用于临床治疗目前仍有待进一步研究。本文就其研究现状作一综述。

1　BMPs的种类、结构及生理功能

BMPs是一组多功能的细胞因子，除 BMP-1属于金属蛋白酶的虾红素家族外，均属于TGF-超家族成员。BMPs家族包括20多种蛋白质，根据结构的相似性，分为4个亚家族：BMP-2/BMP-4、BMP-3、OP-1/BMP-7 及 GDF-5，6，7。在BMPs家族中，BMP-2与BMP-4同源性最高，具有相似的生物学活性。BMPs结构包括一个氨基末端的信号序列、一个前域及它们的羧基末端成熟肽。蛋白水解酶将 C-末端从前体蛋白切割下来后即形成有活性的二聚体。BMPs有复杂的生物学功能，是调节不同细胞的多功能蛋白，它可通过诱导间充质干细胞向骨形成细胞分化，还可通过诱导各种血管活性因子或直接作用于内皮细胞上刺激内皮细胞的迁移和血管形成[5]。然而BMPs亦具有双重效应如在肝脏、卵巢中促进增殖，而在B、T淋巴细胞中抑制增殖及促凋亡作用。因此，BMPs在增殖及细胞调亡方面的作用很大程度上与细胞的类型有关[2,5]。

2　BMPs信号传导途径与肿瘤的发生

研究发现BMPs可通过其受体激活Smads、p38MAPK[6]及 Ras/ERK[7]等信号传导途径调节细胞的生物学功能，但Smads通路为其主要的信号传导途径。BMPs受体（BMPR）是跨膜的丝氨酸/苏氨酸受体，包括I型受体（BMPR-IA、BMPR-IB）及 II型受体（BMPR-II）。BMPs与其受体结合后，首先激活的II型受体磷酸化下游的I型受体，被激活的I型受体主要通过磷酸化Smad1、5、8蛋白来启动细胞内信号传导，继而直接或间接通过DNA结合蛋白或重新合成蛋白质来调节靶基因的转录，可见BMPsⅡ型受体（BMPR-II）是 BMPs发挥功能的重要前提[5,8]。近来研究发现BMPs信号传导途径与肿瘤的形成、生长、转移及侵袭关系密切，其中任意环节出现异常均可导致细胞的表型发生改变，而BMPs信号传导途径中的受体及细胞内信号转导分子Smads最易发生突变。BMPRs的突变、失活、下调或丢失等都可导致肿瘤的发生及发展，一方面产生对BMPs的生长抑制效应的抵抗，使细胞在增殖过程中逃避了机体的制约而恶变，如在膀胱移行细胞癌及肾细胞癌中[9]；另一方面增加肿瘤的恶性程度并使肿瘤易于骨转移（尤其是前列腺癌及乳腺癌），因为正常骨组织中高浓度的BMPs抑制细胞的增殖，在正常BMPs信号传导下，癌细胞不能在这种微环境中增殖，而丢失BMPRs的癌细胞将失去机体对它的抑制作用，从而容易在骨中增殖[9-10]，但在某些组织中BMPRs的作用刚好相反，如Durrington等[11]发现破坏BMPR-II介导的信号通道可能在疱疹病毒感染引起的病理变化起重要作用，如疱疹病毒性相关肿瘤及血管疾病。

3　BMPs与肿瘤的形成及发展

3.1BMP-2 BMP-2对肿瘤细胞的影响可以随着肿瘤细胞的类型、生活环境而显示出促进或抑制肿瘤细胞的生长。Pouliot等[12]发现BMP-2 通过BMPR-II抑制乳腺癌细胞的生长；Busch等[13]研究显示BMP-2可增加恶性黑色素瘤B16-F1细胞的侵袭性；Langenfeld等[14]发现BMP-2对肺癌A549细胞增殖和分化的影响在体内外完全不同：在体内用BMP-2预处理的肺癌A549细胞皮下注射裸鼠中明显加快肺癌瘤体形成，且BMP-2抗体可以显著抑制肿瘤生长，但在体外高浓度的BMP-2抑制肿瘤细胞的生长。

3.2BMP-4 近期研究发现BMP-4对肿瘤细胞的作用可通过直接刺激细胞增殖c-Myc的表达而促进肿瘤的生长如在垂体泌乳素瘤中[15]；还可通过与细胞因子相互作用抑制肿瘤生长如通过下调白介素-6（IL-6）诱导的Stat3的酪氨酸磷酸化而抑制依赖 IL-6的多发性骨髓瘤细胞株的DNA合成，但在不依赖IL-6的多发性骨髓瘤细胞株中无此作用[16]。而Fukuda等[17]发现 BMP-4可通过调节MAPK途径抑制热疗诱导的结肠癌HCT116细胞的凋亡；Laatio等[18]报道BMP-4对浆液性卵巢癌的预后有重要相关性；Lee等[19]发现BMP-4可促进前列腺癌的增殖和侵袭。

3.3BMP-6 BMP-6近期研究显示在肿瘤细胞增殖及凋亡方面也扮演了重要角色，如Du等[20]研究报道BMP-6可以抑制乳腺癌 MDA-MB-231细胞株的增殖，其主要将乳腺MDA-MB-231细胞分裂阻滞在 G0/G1期，并抑制 MDAMB-231细胞株的凋亡；Darby等[21]报道BMP-6显著增加了前列腺癌 PC3M 和DU145细胞的迁移和侵袭性。

3.4BMP-7 BMP-7在肿瘤中也起了相当的作用，如 Aoki等[22]研究显示BMP-7与胃癌的复发有显著的相关性；Megumi等[23]发现BMP-7可促进食管鳞状细胞癌的侵袭作用；Yang[24]等报道BMP-7通过Smad和c-Jun氨基末端激酶双重通路诱导前列腺癌细胞凋亡。

4　BMPs与肿瘤的侵袭及转移

在肿瘤的侵袭及转移中，BMPs扮演了十分重要的角色。Lee等[19]发现BMP-4可促进前列腺癌的增殖和侵袭；Kang等[25]发现 BMP-2可通过 P13K/AKT或 MAPK通道激活 NF-KB和MMP-9从而促进胃癌的转移；Virtanen等[26]发现BMP-4，BMP-5促进胰腺癌的迁移和侵袭；Aoki等[22]发现BMP-7与胃癌的复发有显著的相关性；Megumi等[23]发现 BMP-7可促进食管鳞状细胞癌的侵袭作用；Darby等[21]报道BMP-6显著增加了前列腺癌PC3M和DU145细胞的迁移和侵袭性，但对前列腺癌PC3M和DU145细胞的增殖无明显的增殖作用，同时也观察到BMP-6可诱导金属蛋白酶MMP-1及MMP-9mRNA及MAPK磷酸化水平的升高；BMPs可通 BMPs-Ras/ERK信号传导途径来调节血管内皮细胞的增殖及血管的结构，直接促进肿瘤的新生血管形成从而加速肿瘤的进展。BMPs可通过诱导ERK-1/2磷酸化调节血管内皮细胞的增殖，直接促进肿瘤的新血管形成，同时各种血管活性因子，如血管内皮生长因子（VEGF）也可通过活化的ERK-1/2调节内皮细胞的应答。但不同的内皮细胞对不同的BMPs的应答是不同的，如BMP-2在肺癌中是侵袭和转移的促进因素；而在乳腺癌中，却是肿瘤侵袭及转移的抑制因素[5,14]；在对肿瘤细胞侵袭及转移中，BMPs主要还是通过多种血管活性因子和 Id1的表达或经由单核细胞趋化因子促进新生血管形成[5,27]。

5　BMPs与肿瘤的治疗及预后

由于BMPs在肿瘤的发生、发展及侵袭转移中的效应与BMPs亚型、浓度、所作用的细胞类型及参与的细胞因子等密切相关，因此很难将某一种BMPs或其抑制剂用于所有肿瘤的治疗。但以下研究可能对临床治疗肿瘤有一定的启发，如BMP-BMPR信号途径在一些肿瘤形成初期起关键的抑制作用：重组体BMP-2能诱导骨肉瘤细胞的分化并增加化疗的效能；抑制Ras/ERK信号传导途径可以间接的影响肿瘤新生血管的形成；BMPS的对抗物Noggin在某些BMPs高表达的肿瘤中可能具有治疗作用[28]。BMPs在许多肿瘤中都有高表达，某些肿瘤细胞表达的BMPs抑制肿瘤细胞的生长，而对另外的肿瘤细胞则相反，这说明BMPs作为肿瘤预后的指标存在肿瘤特异性。

6　结语

目前，BMPs的研究主要集中在肿瘤细胞中的表达、与肿瘤发生和发展的关系上，但其在肿瘤中的具体作用机制还没有完全被阐明。肿瘤的发生及发展是一个多基因参与、多细胞因子介导的复杂过程，BMPs及其信号通路在肿瘤发生发展中也是与别的基因或因子协同发挥作用的，因此很难将某一种BMPs或其抑制剂用于所有肿瘤的治疗，然而随着分子靶向药物研究的进展以及在肿瘤治疗方面的广泛应用，寻找肿瘤治疗的新靶点成为目前研究的新趋势，BMPs及其受体有可能成为肿瘤治疗的新靶点。

参考文献：

[1] ten Dijke P,Fu J,Schaap P,et al.Signal transduction of bone morphogenetic proteins in osteoblast differentiation[J].Bone Joint Surg Am,2003,85-A(Suppl 3):34-38.

[2] Kersten C,Sivertsen EA,Hystad ME,et al.BMP-6 inhibits growth of mature human B cells,induction of Smad phosphorylation and upregulation of Id1[J].BMC Immunol,2005,6:9.

[3] Gautschi O,Tepper CG,Purnell PR,etal.Regulation of Id1 expression by SRC:implications for targeting of the bone morphogenetic protein pathway in cancer[J].Cancer Res,2008,68(7):2250-2258.

[4] Shepherd TG,Thériault BL,Nachtigal MW.Autocrine BMP4 signalling regulates ID3 proto-oncogene expression in hu-man ovarian cancer cells[J].Gene,2008,414(1-2):95-105.

[5] Langenfeld EM,Langenfeld J.Bone Morphogenetic Protein-2 Stimulates Angiogenesisin Developing Tumors[J].Molecular Cancer Research,2004,2(3):141-149.

[6] Iwasaki S,Iguchi M,Watanabe K,et al.Specific activation of thep38 mitogen-activated protein kinase signaling pathway and induction of neurite outgrowth in PC12 cells by bone morphogenetic protein-2[J].Biol Chem,1999,274(37):26503-26510.

[7] Beck SE,Carethers JM.BMPsuppresses PTENexpressionvia RAS/ERK signaling[J].Cancer Biol Ther,2007,6(8):1313-1317.

[8] Duke PT,FU JY,Schaap P,et al.Signal transduction of bone morphogenetic protein in osteoblast differentiation[J].The Joumal Of Bone&Joint Surgery,2003,85-A(Supplement 3):34-38.

[9]Kim IY,Lee DH,Lee DK,et al.Decreased expressionof bonemorphogenetic protein receptor typeⅡcorrelates with insensitivity to BMP-6 in human renal cell carcinomacells[J].Clinical Cancer Research,2003,9:6046-6051.

[10]Bobinac D,Mari I,Zori S,etal.Expression of bonemorphogenetic proteinsin human metastatic prostate and breast cancer[J].Croat Med J,2005,46(3):389-396.

[11]Durrington HJ,Upton PD,Hoer S,et al.Identification of a lysosomal pathway regulating degradation of the bone morphogenetic protein receptor type II[J].J Biol Chem,2010,285(48):37641-37649.

[12]Pouliot F,BlaisA,Labrie C.Overexpression of a dominant negative typeⅡbone morphogenetic protein receptor inhibits the growth of human breast cancer cells[J].Cancer Research,2003,63:277-281.0

[13]Busch C,Drews U,Eisele SR,et al.Noggin blocks invasive growth of murine B16-F1melanomacellsintheoptic cup of the chick embryo[J].Int J Cancer,2008,122(3):526-533.

[14]Langenfield Em,Calvano SE,Abou-Nukta F,et al.The mature bonemorphogenetic protein-2 is aberrantly expressed in nonsmall cell lung carcinomasand stimulates tumor growth of A549 cells[J].Carcino-genesis,2003,24(9):1445-1454.

[15]Paez-Pereda M,Giacomini D,Refojo D,et al.Involvement of bonemorphogenetic protein 4 in pituitary prolactinoma pathogenesisthrough asmad estrogen receptor crosstalk[J].PNAS,2003,100(3):1034-1039.

[16]Deng H,Ravikumar TS,Yang WL.Bone morphogenetic protein-4 inhibits heat-induced apoptosis by modulating MAPK pathwaysin human colon cancer HCT116 cells[J].Cancer Lett,2007,256(2):207-217.

[17]Fukuda N,Saitoh M,Kobayashi N,et al.Executionof BMP-4induced apoptosisby p53-dependent ER dysfunction in myelomaand B-cell hybridomacells[J].Oncogene,2006,25(25):3509-3517.

[18]Laatio L,Myllynen P,Serpi R,etal.BMP-4 expression has prognostic significance in advanced serousovarian carcinomaand is affected by cisplatin in OVCAR-3 cells[J].Tumour Biol,2011,32(5):985-995.

[19]Lee YC,Cheng CJ,Bilen MA,etal.BMP4 promotes prostate tumor growth in bone through osteogenesis[J].Cancer Res,2011,71(15):5194-5203.

[20]Du J,Yang S,Wang Z,et al.Bone morphogenetic protein 6 inhibit stress-inducedbreast cancer cells apoptosis via both Smad and p38 pathways[J].JCell Biochem,2008,103(5):1584-1597.

[21]Darby S,Cross SS,Brown NJ,etal.BMP-6 over-expression inprostatecancer isassociated with increased Id-1 protein and a more invasive phenotype[J].J Pathol,2008,214(3):394-404.

[22]Aoki M,Ishigami S,Uenosono Y,et al.Expression of BMP-7 in human gastric cancer and itsclinical significance[J].Br J Cancer,2011,104(4):714-718.

[23]Megumi K,Ishigami S,Uchikado Y,et al.Clinic opathological significanceof BMP7 expression in esophageal squamous cell carcinoma[J].Ann Surg Oncol,2012,19(6):2066-2071.

[24]Yang S,Lim M,Pham LK,et al.Bone morphogenetic protein 7 protectsprostate cancer cellsfrom stress-induced apoptosis via both Smad and c-Jun NH2-terminal kinase pathways[J].Cancer Res,2006,66(8):4285-4290.

[25]Kang MH,Oh SC,Lee HJ,et al.Metastatic function of BMP-2 in gastric cancer cells:the role of PI3K/AKT,MAPK,the NF-Bpathway,and MMP-9expression[J].Exp Cell Res,2011,317(12):1746-1762.

[26]Virtanen S,Alarmo EL,Sandström S,et al.Bone morphogenetic protein-4 and protein-5 in pancreatic cancer-novel bidirectional players[J].Exp Cell Res,2011,317(15):2136-2146.

[27]Hibbs K,kubitz KM,Pambuccian SE,et al.Differential geneexpression in ovarian identification of potent biomarkers[J].American Journal of Pathology,2004,165(2):397-414.

[28]Busch C,Drews U,Eisele SR,et al.Noggin blocks invasive growth of murine B16-F1 melanoma cells in the optic cup of thechick embryo[J].Int JCancer,2008,122(3):526-533.