BMP9与非酒精性脂肪性肝病关系的研究进展

牛梦璠，刘睿宸 综述 李丽 审校

哈尔滨体育学院，黑龙江 哈尔滨 150008

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是慢性肝病和肝脏酶学指标异常的首要原因，疾病谱包含单纯肝脂肪变性、非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis，NASH)，随着病程进展，NASH有发展为肝硬化甚至肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)的风险[1-3]。NAFLD的发病和演变机制较复杂，但广为接受的多重打击学说表明，NAFLD 的发生和发展是胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)、脂肪细胞因子、肠道菌群、遗传易感性、氧化应激、细胞凋亡等多种潜在途径、多种损伤之间的相互作用的结果[4]。为此，进一步探索NAFLD的发生机制，寻找新的分子标志物，是降低NAFLD发病率的关键。

骨形态发生蛋白(bone morphorgenetic proteins，BMPs)在体外诱导骨形成、骨折修复以及在调节成骨细胞和软骨细胞的生长和分化方面发挥着信号配体的作用，骨形态发生蛋白9 (bone morphogenetic proteins 9，BMP9)作为BMPs 成员之一，其调控能力可能强于其他BMP[5-8]。近年来，多数学者证实BMP9在调节脂质代谢过程、维持葡萄糖稳态、改善IR 等方面发挥着重要作用[9-11]，逐渐成为一种潜在的代谢调节分子。因此，本文就BMP9与NAFLD相关联的最新研究进展，深入探讨二者之间的作用机制，以期为NAFLD的治疗提供理论依据和治疗方案，延缓NAFLD 发展进程，提高NAFLD患者的生活质量。

1 BMP9概述

BMP9 又称生长分化因子-2 (growth differentiation factor-2，GDF-2)，从胎鼠肝脏cDNA 文库克隆而来，其在肝脏组织中的表达显著高于在其他组织中的表达，分泌入血后作用于组织器官，进而发挥生物学功能[12]。BMP9是一种大前体蛋白，由429个氨基酸构成，包含22个氨基酸的N端信号肽区、33 kD前结构域区和12.5 kD的C端成熟肽区，成熟肽区在内质网或高尔基体内丝氨酸蛋白内切酶作用下，经剪切、重构形成具有生物活性的短二聚体成熟形式，前结构域区与成熟肽区以非共价键结合，形成约100 kD 的成熟BMP9形式，起到保护和稳定BMP9结构的作用[13]。

当BMP9 与Ⅰ型受体(typeⅠbone morphogenetic protein receptor，BMPR Ⅰ)和Ⅱ型 受 体(type Ⅱbone morphogenetic protein receptor，BMPR Ⅱ)结合为异四聚体受体复合物时能够激活下游信号的转导级联，进而调节细胞的形态发生、分化、增殖和凋亡[14]。在BMPRⅠ中，BMP9能与活化素受体样激酶1(activinreceptor-likekinase1，ALK1)和活化素受体样激酶2(activinreceptor-likekinase2，ALK2)结合，且BMP9与前者的亲和力较强。在BMPR Ⅱ中，BMP9 与活化素ⅡA 型受体(ActRⅡA)、活化素ⅡB 型受体(ActRⅡB)和骨形态发生蛋白Ⅱ型受体(BMPR2)3个亚型结合。BMP9与受体结合构成异四聚体受体复合物后，激活Smad 依赖(经典)信号通路和非Smad 依赖(非经典)信号通路，前者信号转导机制为：BMP9 与受体结合，随之BMPRⅠ激活SMAD1/5/8磷酸化，并与SMAD4结合，形成SMAD1/5/8-SMAD4 复合物，转运至细胞核内，调控下游信号传导[15-16]；后者则涉及MAPK、Wnt/β-catenin、Notch 等信号通路[7，17-18]。综上所述，BMP9对机体具有多种生物学功能，但其分子信号网络结构复杂。BMP9 在NAFLD 的过程中如何通过信号转导途径作用于靶分子，目前尚有许多未阐明之处，有待进一步研究。

2 BMP9对肝脏脂肪过量沉积的作用

2.1 增加褐色脂肪细胞的生成 脂肪组织由两部分组成：白色脂肪细胞(white adipose tissue，WAT)和褐色脂肪细胞(brown adipose tissue，BAT)。其中，WAT可以分泌脂肪因子，是肥胖和2型糖尿病相关代谢失调性疾病的关键调节因素[19-20]。BAT 又称为米色或淡褐色脂肪细胞，是一种专门用于体温调节的脂肪细胞[21]，因其对葡萄糖和脂质的代谢吸收及适应性产热的作用，逐渐成为治疗肥胖等代谢性疾病的潜在靶点。

解偶联蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)作为线粒体载体蛋白，在BAT中高度表达，同时也是WAT棕色化激活的表现，通过非颤抖性产热方式将能量转化为热量，从而诱导线粒体呼吸，提高BAT 代谢活性，在维持糖代谢稳态中起重要作用。KUO 等[22]对高脂饮食(HFD)小鼠注射MB109(BMP9 的重组衍生物)，发现MB109 可使WAT 变小、诱导皮下WAT 的褐变，提高BAT 标记基因UCP1 和DNA 断裂因子45 样效应因子α(cell death-inducing DNA fragmentation factor 45-like effector-α，Cidea)基因的表达量，进而增加BAT 生成。KIM 等[23]对HFD 小鼠注射MB109，发现MB109 能增加WAT 向棕色分化的关键调节因子成纤维细胞生长因子-21(fibroblast growth factor 21，FGF21)的基因表达，调控UCP1 的表达量，促进产热，参与糖脂代谢的调控。以上研究表明BMP9作为诱导干细胞从脂肪组织中分化为BAT的有效因子，可以有效增强UCP1 的表达。瘦素主要在WAT 中表达，有助于改善葡萄糖和脂质的稳态，促进3T3-L1 前脂肪细胞的增殖，减少摄食，增加能量消耗，而BMP9 可以正向调节3T3-L1 的增殖[24]，类似于瘦素抑制极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)的生成和脂肪沉积的作用。综上所述，BMP9能够促进BAT产热，调控产热基因UCP1 的表达，增加FGF21 的基因表达，促进3T3-L1增殖，为BMP9在脂质代谢领域的研究提供更多理论依据，对进一步研究和探讨BMP9 的作用通路及机制等问题提供更多思路。

2.2 改善糖耐量和胰岛素敏感性 持续的游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)浓度增高会影响胰岛素作用和葡萄糖代谢，当外周脂肪组织动员增加，FFA大量转运入肝，削弱了肝细胞的胰岛素敏感性并超过肝脏的代偿能力，使肝细胞的线粒体中脂肪酸氧化代谢能力下降，引起肝脏脂肪变性，随之脂毒性代谢产物在细胞内堆积，诱导IR，增加糖异生[25]，而BMP9 可作为调节葡萄糖代谢的药理学和生理学靶点。

为解释BMP9 与糖代谢和IR 的关系，XU 等[11]在控制年龄和性别的差异因素下，通过分析MetS受试者BMP9 水平与代谢参数的相关性发现，MetS 受试者BMP9水平与肥胖标记物(WHR)、IR指数(HOMA-IR)、葡萄糖代谢参数(FBG、2 hPBG 和HbA1c)和血脂参数(TG)呈负相关。CAPERUTO 等[9]研究长期禁食、地塞米松治疗以及松果体切除术三种经典IR 模型对BMP9 表达的影响，发现三种不同IR 模型的肝脏中，BMP9 的转录和加工显著减少，为进一步研究糖稳态生理调节中BMP9 的作用以及二者的相关性，又用BMP9 抗体中和了禁食12 h 大鼠血清中的BMP9，观察到大鼠出现葡萄糖不耐受和胰岛素敏感性降低的现象。BMP9 在血液中循环可激活Smad5，使胰岛素信号分子丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2 (serine-threonine kinase，Akt2)的表达量增加，从而增加骨骼肌肌肉细胞的葡萄糖吸收[26]。SUN等[27]对比BMP9治疗组与HFD小鼠发现，前者FBG 水平显著降低，同时，磷酸化的丝/苏氨酸激酶(phosphorylated serine-threonine kinase，p-Akt)水平升高，进而p-Akt可调控包含胰岛素敏感性在内的多种细胞生物功能。上述研究表明，BMP9 作为肝脏胰岛素增敏剂的候选物，可促进胰岛素分泌，提高胰岛素敏感性，改善葡萄糖稳态，因此BMP9在控制血糖稳定和调控生理性胰岛素敏感性方面为NAFLD治疗提供新途径。

2.3 调节肝脏中脂质代谢相关蛋白 YANG 等[10]发现HFD小鼠与正常饮食小鼠相比，BMP9 mRNA和蛋白质表达减少，同时BMP9 基因敲除小鼠的肝脏增大，并伴有明显的肝脏脂肪变性和乳糜微粒，深入研究发现，由于BMP9缺乏使Smad通路对过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptorα，PPARα)的启动子活性以及PPARα表达产生抑制作用，使脂肪酸氧化基因表达减少，引起TG功能障碍，因此BMP9-smad-PPARα轴可能在肝脏脂质代谢中发挥重要作用。对HFD诱导的C57BL/6J小鼠尾静脉注射腺病毒(Ad-BMP9)后，发现Ad 治疗组BMP9的蛋白质水平显著增加，TG含量降低，固醇调节元件结合蛋白1c (sterol regulatory element binding protein1c，SREBP1c)、硬脂酰辅酶A 去饱和酶1 (stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1)和脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FAS)等脂肪生成中枢调节因子的mRNA 和蛋白质表达水平显著下降，而腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)和乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)的磷酸化水平显著增加[28]。但KUO 等[22]对HFD 诱导的C57BL/6 小鼠注射MB109发现MB109可以增强葡萄糖异化脂肪酸的能力，提高FAS mRNA 的表达水平，进而间接降低血糖水平；两者有关FAS 水平的分歧，有研究认为主要由于高脂喂养方式和干预方式的不同[8]。另外，SUN 等[27]研究发现，BMP9 治疗组的其他脂类和葡萄糖代谢基因，如神经酰胺合成酶6 (ceramide synthase 6，CerS6)、Cidea 和脂肪酸结合蛋白4 (fatty acid binding protein 4，Fabp4)的下调显著。因而BMP9 在调控肝脏脂质代谢中尚无统一机制，未来研究仍需进一步关注BMP9 与脂质代谢相关蛋白之间的相互作用，以及BMP9调控的具体分子机制。

3 BMP9在肝纤维化的作用

肝纤维化是一复杂、多因素参与的过程，以细胞外基质(extracelluar matrix，ECM)堆积为主要病理现象，是NASH与单纯脂肪变性相区别的关键。肝星状细胞(hepatie stellate cells，HSC)的激活与分化调控引起ECM 沉积，进而肝脏的正常生理结构遭到破坏，该过程是肝纤维化发生的关键病理特征，而转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)是激活HSC 的关键细胞因子[29-30]。在病理性纤维化过程中，骨形态发生蛋白7 (bone morphogenetic proteins7，BMP7)作为一种纤维化负性调节因素，可抑制TGF-β1的表达和Smad2/3的核转录，并且与TGF-β1存在互逆作用，可抵消TGF-β1参与的促纤维化过程[31-32]。

相比于BMP7，BMP9 参与到肝纤维化的过程最近被提出，其过度表达可能会引起巨噬细胞募集和极化，进而影响肝损伤和纤维化的进程。抗纤维化酶基质金属蛋白酶2 (matrix metalloproteinase 2，MMP2)是降解ECM的级联蛋白水解过程中的关键酶，LI等[33]在蛋氨酸胆碱缺乏饮食(MCD)诱导的NASH模型中发现，BMP9 过度表达可以显著抑制MMP2，导致其降解ECM的能力下降，进而加剧肝纤维化的发展。BREITKOPF等[34]通过急慢性肝损伤模型发现，肝脏持续低水平表达BMP9，可以稳定健康肝脏的肝细胞功能，而一旦内源性BMP9水平过度升高，使纤维化调节因子分化抑制蛋白1 (inhibitor of differeniiation1，ID1)表达量显著上调，而阻断BMP9/ALK1 通路后可减轻肝脏纤维化，表明在肝脏损伤时BMP9下调可缓解肝脏损伤。

4 结语

综上所述，越来越多的研究证实BMP9 影响肝脏脂肪沉积的机制可能与诱导WAT的褐变、增强胰岛素信号分子的表达、调节脂质代谢相关蛋白等作用有关，因而BMP9及其信号转导在NAFLD的发生发展中产生一定影响，为NAFLD 治疗提供了新的思路。此外，BMP9 在脂肪变性和纤维化中表现出双重甚至矛盾的功能，其可能与BMP9 作用于不同的靶细胞和生物过程有关，因此BMP9对NAFLD病理过程的作用机制仍有许多问题还未明确，今后需要进一步研究，以期BMP9可以为NAFLD的治疗提供有效的干预措施，成为新的治疗靶点。