骨形态发生蛋白及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生中的作用

1、    骨形态发生蛋白及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生中的作用            作者：张益民，姜鑫，李汉秀时间：2007-11-23 10:09:00                     【摘要】  骨形态发生蛋白（b

2、one morphogenetic proteins，BMPs）是一类生长分化因子家族，作用具有浓度依赖性，与相应感受器结合会产生一系列BMP反应基因的信号表达和转录，诱导间质细胞分化为骨或软骨。而BMP结合蛋白（如noggin， chordin， DAN）和细胞外基质、xTsg（twisted gastrulation）基因，分别作为BMP活性对抗物和增效剂，决定着BMPs与相应感受器结合后引发的生物反应的强度。例如无noggin鼠体内，由于BMPs持续无节制的作用，关节形态发生存在缺陷。因此，在骨与软骨的形态发生过程中，BMPs及其结合蛋白共同有机调节着关节、肌肉、肌腱和韧带等个个动态环节

3、；而且它们对病变（如骨性关节炎）引起的软骨缺损后的软骨再生也具有重要的作用。本文详细阐述BMPs及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生过程中的相互作用。 【关键词】  BMP；BMP感受器；BMP结合蛋白   The interactions between BMPs and their binding proteins in bone and cartilage morphogenesis【Abstract】  This commentary is a concise discussion of the interactions between bone

4、morphogenetic proteins （BMPs） and their binding proteins in bone and cartilage morphogenesis. BMPs are a family of growth and differentiation factors， and they act on mesenchymal cells to induce cartilage and bone differentiation in concentration-dependent thresholds. The BMP-BMP receptor binding le

5、ads to a cascade of signaling and transcription of BMP response genes. BMP binding proteins， noggin， chordin and DAN， act as antagonists and determine the bioavailability of BMPs for binding to cognate receptors to elicit the biological response. Noggin null mice with unrestricted action of BMPs exh

6、ibit defects in joint morphogenesis. BMPs and their binding proteins may reciprocally regulate the dynamic topography of joints， muscle， tendons and ligaments during morphogenesis of the skeleton. In addition， BMP actions may be potentiated by twisted gastrulation. BMPs and their binding proteins ma

7、y play a critical role in regeneration of cartilage in osteoarthritis.【Key words】  BMP； BMP receptors； BMP binding proteins    关节软骨损伤和退变，最终都会导致骨性关节炎的发生。当前，对于累及软骨下骨和全层软骨损伤的病变，已有较为完善的动物实验研究和探索性临床治疗办法；而对于非全层软骨损伤，病变仅涉及部分软骨，虽然诸如软骨下骨钻孔造成创面渗血等方法也是很可行，但形成的纤维软骨覆盖缺陷较多，仍需进一步探讨。由于骨与软骨在再生能力方面

8、先天就存在巨大差别，而这种差别可能就在于一些内源性生长和形态发生因子及其对抗物的差异。例如，脱钙骨基质中存在大量BMPs，这至少可以部分解释全层软骨缺损后的纤维软骨再生修复。在骨性关节炎，关节软骨受到破坏，软骨形态发生信号表达紊乱，因此有必要利用当代发生生物学在形态发生素方面的研究结果，设想胚胎时期器官的形态发生过程，用以后天病变修复，重新部署排列紊乱的形态发生素，探寻软骨再生的有效方法。本文重点详述BMPs及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生过程中的相互作用。1  骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）是一类生长和分化因子家族，首次在脱钙骨

9、基质中发现14，是多效性的形态发生素，具有趋化性、浓度依赖性、促有似分裂和分化诱导的特性，目前已有超过15种BMP被克隆并在人和鼠体内表达。在结构方面，BMPs是以二硫键相连的二聚体，这种结构决定着BMPs的生物学活性。象胚胎时期肢体形态发生一样，BMPs也可在异位诱导骨与软骨形成，调节骨与软骨的排列、分化模式和方向；同样，遗传学显示BMPs还在除骨之外的其他组织内发挥作用。例如，BMP4能够促进胚胎肢芽间质细胞的软骨形态发生，并保持关节软骨的表型；BMP2和BMP4缺乏会导致中胚层缺陷；BMP5突变会引发鼠短耳畸形；BMP7缺乏引起鼠眼、肾脏和骨骼的发育障碍。2  软骨源性形态发生

10、蛋白（cartilage-derived morphogenetic proteins， CDMPs）Luyten等5首次在关节软骨中发现CDMP1，而且性质与生长分化因子5相同；Lee等通过更加深入的研究，克隆出了生长分化因子5，6，7，并发现短足畸形鼠体内生长分化因子5的变异6；进一步证实，Hunter-Thompson型软骨发育不良、C型短趾（短指）畸形、Grebe型软骨发育不良伴有严重的肢体短小和形态发生障碍的患者体内，CDMP1发生突变7，8。因此，BMPs和CDMPs对骨与软骨以及其他组织的形态发生起关键性作用，而BMPs最早诱导软骨形成，进而产生骨。因此，所有的BMPs均可看作软

11、骨形态发生素。从上述角度出发，BMPs应当被称作机体形态发生蛋白。3  BMP感受器两类BMP感受器（型和型）均为丝氨酸苏氨酸激酶。成熟BMP单体形成两个手指形投射，含有7个标准半胱氨酸，其中6个涉及链内二硫键，1个参与链间二硫键，家族各成员与特定的感受器发生相互作用，如重组人类BMP4和BMP7与两个型BMP感受器结合，BMPR-A和BMP-B；BMP7和型activin感受器结合； BMPs和型BMP感受器也结合；秀丽隐杆线虫 （Caenorhabditis elegans）体内的基因daf4与重组人类BMP4结合，抑制幼虫成形；同时，daf4信号表达时发现了秀丽隐杆线虫体内Sm

12、a2、Sma3和Sma4三种基因；通过对果蝇体内系统的基因检测，发现了MAD（mother against decapentaplegic）基因。进一步实验发现秀丽隐杆线虫体内Sma2、Sma3和Sma4三种基因，和果蝇体内的MAD基因具有序列同源性，因此，将哺乳动物体内Sma和MAD基因的名称合二为一，称作Smad基因。通过X线衍射晶体分析法揭示了该基因的三聚体结构，共有三大类，其中感受器调节型R-Smad1、R-Smad5、R-Smad8均被BMP感受器受体激酶磷酸化9。R-Smads基因和共同的信号表达伙伴Smad4（Co-Smad）发生相互作用，而Smad1、Smad5、Smad8的多

13、聚体蛋白复合物可易位至胞核内，启动BMP反应基因的转录，而存在于胞核内的抑制性Smads基因Smad6、Smad7充当平衡因素，受到刺激时转移至胞质溶胶内抑制型BMP感受器受体激酶催化Smad1、Smad5磷酸化。这种复杂的信号表达依赖于在稳定状态下BMPs对于相关感受器的生物药效率，即BMP水平及其与感受器的相互作用，依赖于与细胞外基质和BMP结合蛋白间的结合，因为BMPs与胞外基质成分结合后，其与BMP结合蛋白的结合就受到限制，因此，细胞外基质可加强BMPs的生物学活性10。4  BMP结合蛋白BMP活性对抗物4.1  Noggin基因  是BMPs活性的对抗

14、物，从非洲蟾蜍体内分离11，由Spemann组织原产生，能诱导神经组织发生和腹侧中胚层背侧化。与BMP2和BMP4具有高度亲和力，从而阻止它们与BMP感受器间的相互作用12。因此，依赖生物药效率的感受器活性受到BMP对抗物noggin基因的抑制性调节。Noggin基因与关节软骨以及骨性关节炎关系密切。因为在关节形态发生过程中，形态发生素的作用需要准确的调节限制，以界定肌肉、软骨和肌腱韧带，防止发生不良或过度发生。这一点，已被应用同源重组所产生的无noggin基因鼠实验证实13，即在关节发生部位，由于CDMP-1的过度作用，被正常调节的细胞死亡、关节空泡形成、间质细胞浓集13。由此可见：BMP/

15、CDMP无节    制的作用会引发关节正常发生障碍。已发现，同型结合的突变体导致脊柱、肋骨和肢体发生缺陷，肢体短小，关节界定不清，易出现关节融合，而杂合鼠却表现正常。由此可见，最佳的BMP/CDMP表达是正常关节发生的基础。实验证实，BMP2能诱导成骨细胞14和骨髓细胞中15noggin基因的表达，从而下调BMP2活性，达到平衡状态。针对noggin基因在关节形态发生中的作用，还值得进一步探讨。4.2  Chordin基因  是BMPs活性的对抗物，作为BMP4的结合蛋白在非洲蟾蜍体内被发现16。在果蝇体内，有chordin基因的同系

16、物sog （short gastrulation）基因，能够和BMP2/4的同系物decapentaplegic基因结合。由此推断，这类BMP对抗物已存在了几百万年。Chordin基因主要与BMP2、BMP4结合，并进一步被金属蛋白酶BMP1、tolloid和非洲蟾蜍xolloid调节1719。需要说明的是，作为起蛋白水解作用的金属蛋白酶BMP1（在牛骨中提纯BMP2/7时同时被提取，与虾红素家族密切相关），能抑制性调节chordin基因活性，还具有溶胶原蛋白酶C的作用，但不具备诱导骨形态发生的作用，并非真正的骨形态发生蛋白。4.3  DAN基因  是作为抑癌基因，通过差示

17、杂交检测分离出来20，能抑制变异细胞DNA合成。在诱导非洲蟾蜍胚胎头颅发生时，头颅诱导基因Cerebrus编码分泌性蛋白，这一过程与半胱氨酸丰富区的DAN基因相关21。Gremlin基因是非洲蟾蜍属DAN基因的同系物，在检测卵巢互补DNA文库（cDNA library），观察诱导副轴出现时被发现22，可抑制BMP2活性。虽然目前还尚未明确DAN对关节软骨和在骨性关节炎中的具体作用，但DAN家族成员成为新的BMP对抗物2325。5  BMP活性增效剂xTsg （twisted gastrulation）基因通过动物实验研究，在非洲蟾蜍体内发现了一种新基因xTsg （twisted ga

18、strulation），是BMP活性的增效剂26，它与BMP的结合存在着短暂时续、极小范围的分离，微量注射就可引起BMP信号表达的增强，导致非洲蟾蜍胚胎的腹侧化。6  结论当代发生生物学有一个主流思想，就是生物在发生模式形成和形态发生过程中，受到基因的调节。例如，身体前后轴的出现受到同源盒基因（box gene）的调控；脊椎动物形态发生是BMPs及其对抗物chordin基因，和金属蛋白酶xolloid的表达模式和活动结果。因此，BMPs、BMP感受器、细胞外基质、BMP对抗物BMP结合蛋白、BMP活性增效剂之间复杂的相互作用，是软骨形态发生的关键性因素，另外，由于BMP还与细胞外基质

19、成分10，27，如硫酸乙酰肝素、肝磷脂等结合，所以必定还有许多调控因素不为人知，尚需进一步探索，为后天关节软骨破坏的再生修复提供了发生生物学实验依据。【参考文献】1  Reddi AH. Bone morphogenetic proteins： an unconventional approach to isolation of first mammalian morphogens. Cytokine Growth Factor Rev，1997，8：11-20.2  Reddi AH. Role of morphogenetic proteins in skeletal

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