骨形态发生蛋白-4促进骨组织再生的研究进展

迟 爽，袁 瑞，刘欣彤，兰传健，李 江

(吉林大学口腔医院 修复科，吉林 长春130000)

骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMPs)是转化生长因子β(TGF-β)超家族中的一员，继1965年Urist等学者首次从脱钙骨中提取出一类有助于成骨的蛋白成分之后[1]，又陆续发现了多种骨形态发生蛋白，并发现了其促进成骨的作用[2]，其中，BMP4在促进骨组织再生修复方面发挥着重要作用。此外，BMP4也与诱导胚胎分化、指导神经干细胞分化、调节肿瘤生长侵袭以及一些心脑血管疾病密切相关[3-7]。

1 BMP4的结构特点

BMP4前蛋白原由400-500个氨基酸组成，包括3个部分：N-末端信号肽、前蛋白折叠区和C-末端成熟肽。羧基末端成熟的BMP4蛋白可在Furin，PC6和PC7的作用下，从前蛋白原上切割下来，成为由116个氨基酸组成的具有高度保守性的BMP4分子。它的C-末端含有7个半光氨酸残基，其中6个形成3个分子内二硫键，称为半胱氨酸结，第7个半胱氨酸可发生糖基化，借此形成共价二硫键用于与另一个单体二聚化，从而形成生物活性信号分子。

2 BMP4的信号通路

2.1 BMP4受体

BMPs家族在细胞膜表面的受体主要分为BMPRI型受体和BMPⅡ型受体，其中，Ⅰ型受体主要包括：ALK1、ALK2、ALK3和ALK6，Ⅱ型受体主要包括ActRIIa、ActRIIb和BMPRII。BMP4主要的受体为ALK3(又称BMPRIA)、ALK6(又称BMPRIB)和BMPRII这3种，一般来说BMPRI型受体较BMPRII型受体的亲和力更好。

游离BMP4二聚体可由两个单体分别结合一个Ⅰ型受体和一个Ⅱ型受体形成复合物，可也由其中的一个单体先结合I型受体，另一个再和由Ⅰ型受体招募到的Ⅱ型受体结合形成复合物。至此完成了细胞膜上BMP4受体的激活。

在这一过程中，一些游离于细胞外的分子可以起到BMP4抑制剂的作用。它们有的可以与BMP4分子粘附，与其活性位点相结合，将BMP4分子与其受体隔离开；还有一些抑制剂具有和BMP4相似的分子结构，与BMP4竞争结合其受体。常见的BMP4抑制剂有：Noggin、chordin、Tsg、Gremlin 1、Sclerostin、Dan等[8-11]。一些存在于细胞膜表面的与BMP4受体结构相似的伪受体，比如缺乏胞内激酶域BAMBI等，可与BMP受体竞争结合BMP4同源二聚体，导致二聚体无法与本应结合的受体相结合[12]。还有一些分子可以增强BMP4二聚体与Ⅰ型受体的结合，例如DRAGON等。还有研究表明，BMP4的异源二聚体(BMP4-BMP7)也可促进信号转导。

2.2 BMP4与Smad通路

Smad家族主要可以分为以下3类：(1)受体型Smad(R-Smad)：Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8和Smad9；(2)通用型Smad(Co- Smad)：Smad4；(3)抑制型Smad(I- Smad)：Smad 6、Smad7[13]。

BMP4二聚体与BMPRI和BMPRII结合后，II型受体激酶结构域可使I型受体上一段富含甘氨酸-丝氨酸的“GS盒”被磷酸化激活，激活的Ⅰ型受体进而使被SMAD1，SMAD5和SMAD8磷酸化。这些与受体相关的Smad与co-Smad4形成复合物进入细胞核，作用于靶基因调控转录。在这一过程中，SMAD7可竞争结合BMPI，阻止SMAD1、5、8的磷酸化；SMAD6可竞争结合SMAD4，阻止SMAD复合体入核，进而起到负向调节的作用。

2.3 BMP4与MAPK通路

丝裂原激活蛋白激酶(mitogen activated proteinkinase，MAPK)存在于真核细胞的胞浆内，具有具有丝氨酸和酪氨酸二重磷酸化能力。MAPK通路是真核细胞特有的、重要的信号转导系统，在细胞生长、增殖、分化、凋亡等过程中都发挥着重要作用[14]。

MAPK信号通路家族主要包括：细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase，ERK)、P38、JNK和大丝裂原激活蛋白激酶ERK5/BMK1，以上5个亚族均通过典型的三级酶促级联反应发挥作用，就是MAPKKK被磷酸化激活，进而磷酸化激活MAPKK，最后磷酸化丝氨酸和酪氨酸两个位点激活MAPK。

在这一途径中，BMP4与受体结合后可使TAB1被激活，激活的TAB1可在XIAP的作用下形成TAB1-TAK1复合物，而TAK1(是一种MAPKKK)下游的p38，JNK也被激活。至此MAPK通路被激活[15]。

2.4 BMP4与其他通路

除了上述提到的信号通路，BMP4还可能受到其他一些信号的调节，例如：TGF-β/activin、Wnt/β-catenin、Wnt/Ca+、Wnt/PCP、Wnt/ROR2等等。也有研究显示，Bcl-2在成年大鼠的缺血脑组织中对BMP4的表达有下调作用[16]。软骨细胞中成纤维细胞生长因子受体3(FGFR3)缺陷可以上调Bmp4的表达[17]。成骨细胞中的α1-AR信号传导可负调节骨形态发生蛋白-4(Bmp4)的表达，转录因子CCAAT /增强子结合蛋白δ(C/EBPδ)参与MC3T3-E1细胞中的Bmp4表达[18]。

3 BMP4与骨组织密切相关

3.1 BMP4与成骨的关系

我们知道，体内的成骨方式主要有两种：膜内成骨和软骨内成骨。膜内成骨是指在原始结缔组织内直接成骨，即原始结缔组织膜出聚集间充质细胞，进而分化为骨祖细胞、成骨细胞；软骨内成骨则是体内更为常见的成骨方式，(1)软骨雏形形成：间充质细胞聚集，依次分化为骨祖细胞、软骨细胞；(2)骨领形成：在软骨雏形内，骨祖细胞分化为成骨细胞，并贴在软骨雏形内表面；(3)骨化中心形成：软骨雏形中央的软骨细胞死亡，周围的基质钙化；伴随着破骨细胞、成骨细胞和间充质细胞进入软骨雏形内，过渡性骨小梁形成，即成为骨化中心。可见，成骨的过程与细胞的增殖、分化密不可分，而BMP4在成骨相关的细胞调控过程中也发挥着重要的作用。

在胚胎发育时期，骨祖细胞对BMP信号具有高度的敏感性，有研究表明，BMP4信号是胚芽发育以及软骨分化过程中至关重要的影响因子[19,20]，骨形成的启动需要一定阈值水平的BMP4信号传导才能完成，在缺乏BMP4信号的情况下，软骨细胞无法凝聚，最终导致胚芽形成的失败和骨骼发育的异常，造成严重的发育性的成骨异常[21-23]。出生后，BMP4信号通路在软骨内成骨过程中起到至关重要的作用，在BMP4受体被敲出的鼠中观察到，长骨生长的标记物例如SOX9，IHH几乎无表达，生长板无法被骨样组织取代。说明BMP4信号具有促进成骨细胞有生长板向骨化中心的转移，相当于骨生长的持续动力[24]。

3.2 BMP4在临床上的应用具有远大前景

由于肿瘤切除、外伤、拔牙创等原因而造成的骨组织缺损在临床上尤为常见，修复骨缺损也是骨科的一个重大难题。如今，骨移植在临床上的常见程度仅次于血液移植，自体骨移植和同中方异体骨移植带来的手术创伤和高昂的费用，使得骨替代材料的研究成为一大热点[25]。BMP4作为促进骨组织再生修复的重要因素，在组织工程学和基因治疗的应用得到越来越多的关注。

有学者通过对骨髓间充质干细胞(BMSCs)和小鼠卵巢切除模型研究发现，BMP4信号传导活化被抑制后，出现了明显的骨质疏松现象，揭示BMP4信号是骨组织再生和促成骨治疗方面的重要靶点[26]。

在细胞水平上，有学者制作了以藻酸盐为支架、涂覆了带有BMP4的FVC/TiO2纳米颗粒的新型材料，发现该材料可粘附于小鼠前成骨细胞MC3T3-E1细胞，并通过碱性磷酸酶的测定证明了其促进成骨分化的能力[27]。Lox/CHOP-10等通过对BMP4信号的调控，均可促进成骨作用[28]。

有研究表明，通过体外实验和大鼠颅骨缺损模型的实验发现，富含hPDLSCs和PEI-EVs的Evo能够通过上调BMP4的表达促进骨再生过程[29]。以壳聚糖作为基因载体携带BMP4质粒，借助明胶海绵置于新西兰大白兔骨缺损中，可显著提高其成骨能力，新生骨与正常骨组织无生物力学差异，且具有良好的生物安全性[30]。

4 展望

BMP4作为成骨相关的细胞因子，在成骨方面发挥着重要作用，其在临床上促进成骨修复的应用也具有远大前景。利用可载药的各种类型载体将BMP4置于骨缺损处，可以缩短骨修复的周期，免去自体骨移植的创伤和高昂费用，具有其他的骨缺损修复方式无法替代的优点。

此外，与骨缺损修复类似的，骨质疏松也是临床上常见的一类增龄性疾病，BMP4作为已知的可促成骨的细胞因子，也可以作为抗骨质疏松的作用靶点，即当药物可调控BMP4的转录表达过程，则可促进成骨作用[31]。从中医学的角度来说，“肾藏精主骨生髓”，许多中药例如淫羊藿[32]、杜仲[33]、骨碎补[34]、葛根[35]等，都具有促进成骨的功效。但中药引起成分复杂，缺乏分子靶向等缺点，在临床应用方便受到限制。BMP4作为成骨相关的重要分子靶点，可以作为筛选成骨中药单体成分的指标。例如,小檗碱因其抗氧化性和成骨特性，具有防治骨质疏松的作用，但其低效力和低生物利用度限制了药物的临床开发。有学者合成小檗碱的结构同系物Q8，并发现Q8增强BMP4诱导的碱性磷酸酶(ALP)活性和ALP启动子的转录，具有增强成骨细胞功能可能有助于预防骨质疏松症[36]。这也为临床上骨质疏松的预防和治疗提供了新思路。