骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7在糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展中的作用

李曉偉，郭 暉

早在1965年，Urist[1]在脫礦化骨組織的骨基質(zhì)中提取到一組可以異位誘導(dǎo)軟骨及骨形成的細(xì)胞因子，該類因子為一組活性蛋白質(zhì)，遂將其命名為骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphorgenetic protein，BMP)。25年后，Ozkaynak等[2]在牛成骨蛋白中提取出一種新蛋白，即成骨蛋白-1(osteogenetic protein 1，OP-1)，同年Celeste等[3]在實驗中也提取出一種蛋白，將其命名為骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7(bone morphorgenetic protein 7，BMP-7)，經(jīng)過對OP-1與BMP-7氨基酸序列分析后證實二者為同一種蛋白。隨著后人逐步對BMP-7認(rèn)識的深入，發(fā)現(xiàn)BMP在胚胎期及成人期都具有重要的作用。它不僅在骨代謝具有極為重要的作用，如誘導(dǎo)成骨作用，促進成骨細(xì)胞的增殖分化，也可誘導(dǎo)軟骨的分化，對于骨折后骨的再形成、預(yù)后、修復(fù)等極為關(guān)鍵，而且在腎臟疾病的發(fā)生、發(fā)展中也扮演重要的角色[4]。大量研究還證明BMP-7能夠拮抗轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)的促纖維化作用，從而保護臟器功能，如腎臟、肝臟等。本文主要就BMP-7在糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)發(fā)生、發(fā)展中起的作用綜述如下。

1　BMP-7簡介

1.1BMP-7的結(jié)構(gòu)BMP-7屬于TGF-β超家族中的一員，是一種分泌型多功能蛋白。該蛋白以其前體形式存在體內(nèi)，即前體BMP。當(dāng)C端在蛋白水解酶作用下被剪切加工后形成含139個氨基酸殘基時稱為成熟肽，每個有成熟活性的BMP-7分子都是一個分子量約為35 kDa、由二硫鍵連接成的同源或異源二聚體[3]。BMP分子羧基端都具有相同的7個半胱氨酸殘基組成的特定區(qū)域，至今發(fā)現(xiàn)的BMP有15種及40種BMP相關(guān)蛋白。

1.2BMP-7受體(BMP7R)及種類TGF-β超家族所具有的生物學(xué)作用是通過與其相應(yīng)的受體結(jié)合后的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來實現(xiàn)的。BMP7R與機體其他的TGF-β分子受體一樣分為2型，即Ⅰ型和Ⅱ型，具有跨膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。Ⅰ型BMP7R包括ALK-2/ActRⅠ、ALK-3/BMPR-Ⅰa、ALK-6/BMPR-Ⅰb；Ⅱ型BMP7R包括ActRⅡa、ActRⅡb、BMPRⅡ。兩種受體的差別在于Ⅰ型受體細(xì)胞內(nèi)區(qū)的近膜部分含有高度保守的絲氨酸、甘氨酸(GS框)結(jié)構(gòu)域，是活化的起始部位，而Ⅱ型受體則無此框[5]；另外，Ⅰ型受體決定了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的特異性[6]：在體內(nèi)，BMP-7與Ⅱ型受體結(jié)合后誘導(dǎo)Ⅰ型受體發(fā)生磷酸化，此時被激活的Ⅰ型受體作用于細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的Samds信號傳遞蛋白啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮其相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。

1.3依賴Samds的BMP-7信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)Samds是TGF-β家族信號細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，BMP-7與BMP7R結(jié)合后，通過Samds蛋白啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Samds是由“Sam”和“Mad”兩位科學(xué)家同時發(fā)現(xiàn)的，并分別將其命名為Sam蛋白和Mad蛋白，后人將2位科學(xué)家的名字合稱為“Samds蛋白”[7]，現(xiàn)已分離得到Samd 1～8，并且每一種Samd都具有配體特異性。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能，Samds目前分為抑制型Samds(inhibitory samds，I-Samds)、共同調(diào)節(jié)型Samds(common-mediator Samds，Co-Samds)、受體激活型Smads(receptor-activated Samds，R-samds)[8]。I-Samds包括Samd 6和Samd 7，這兩種蛋白與配體激活后的Ⅰ型受體結(jié)合，抑制受體對R-Samds的磷酸化，也就抑制了配體活性。Samd 6與Samd 7都可以與TGF-βⅠ型受體結(jié)合，二者差別在于Samd 6還可與ALK-6/BMPR-Ⅰb受體結(jié)合，I-Samd與R-Samd競爭結(jié)合Ⅰ型受體。當(dāng)I-Samd與Ⅰ型受體結(jié)合時，轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制性信號，從而阻止受體對R-Samds的磷酸化，也就阻斷了受體激活R-Samds，從而阻斷了信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，反之亦然。R-Samds包括Samd 1、2、3、5、8，Samd 1、5、8受BMP特異性激活，介導(dǎo)BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，Samd 2、3介導(dǎo)TGF-β/苯丙酸諾龍信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Co-Samds是指Samd 4與BMP7R結(jié)合后，再與R-Samds形成二聚體進入細(xì)胞內(nèi)部調(diào)節(jié)目的基因的轉(zhuǎn)錄，Samd 4是人體內(nèi)惟一的Co-Samds，也是TGF-β家族中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)共同需要的介質(zhì)。

2　BMP-7/BMP7R/Samds信號傳導(dǎo)在腎臟的表達變化

2.1BMP-7存在部位及其在腎臟發(fā)育中的作用DN是糖尿病微血管并發(fā)癥之一，也是致死性腎病的第一或第二位原因，其發(fā)病率隨著糖尿病發(fā)病率的增高而增高。2003年世界衛(wèi)生組織(WHO)報道，DN在1型糖尿病患者中占30%～40%，2型糖尿病患者中約占25%。WHO預(yù)計，到2030年全世界糖尿病患者將達3.7億，1/3的患者進展為DN。DN的病變特點是腎小球及腎間質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的過度增多和異常沉積、腎小球硬化及進展性腎小管間質(zhì)纖維化。BMP-7在腎臟是一種內(nèi)源性抗纖維化蛋白，在腎病發(fā)展過程中有著極為重要的保護作用，可以降低慢性腎臟疾病如DN TGF-β的表達[9]。敲除BMP-7相關(guān)基因的小鼠死于腎功能不全[10]，在Li等[11]構(gòu)建的BMP-7缺乏的小鼠模型中，因腎臟發(fā)育障礙小鼠在1周內(nèi)也都死于尿毒癥。劉紅等[12]應(yīng)用山羊抗大鼠BMP-7抗體及兔抗大鼠TGF-β1抗體在應(yīng)用鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的DN大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，BMP-7主要表達于腎小管上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，以遠曲小管和集合管明顯，而腎小球則無BMP-7表達；TGF-β1在腎小球及腎小管均有表達(P<0.05)。國外研究報道，應(yīng)用免疫組織化學(xué)染色顯示BMP-7主要表達于皮質(zhì)區(qū)和髓質(zhì)區(qū)腎小管，并且后者高于前者表達，在皮質(zhì)區(qū)BMP-7主要在遠曲小管細(xì)胞質(zhì)中表達，腎小球足細(xì)胞偶有表達，在腎動脈外膜也呈陽性表達[13]。BMP-7在腎臟發(fā)育過程中發(fā)生間充質(zhì)細(xì)胞-上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化(mesenchymal-to-epithelial，MET)，即誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向正常腎臟組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，最終分化形成腎小球和腎小管[14]。

2.2BMP-7/TGF-β1及BMP7R在DN中數(shù)量的變化國內(nèi)外大量的實驗研究證實在DN中BMP-7與TGF-β1都有數(shù)量上的變化，而也正是這種變化導(dǎo)致了ECM堆積、腎小球硬化、進展性腎小管間質(zhì)纖維化等病理特征。文獻報道，與正常大鼠的腎臟相比，DN動物模型中早期腎臟病變?yōu)镋CM積聚，24周時腎小球系膜細(xì)胞也開始明顯增生，并且隨著ECM的逐漸增多，系膜區(qū)增寬，系膜基質(zhì)進一步增多，使腎小球毛細(xì)血管基底膜彌漫增厚，血管腔逐漸閉合，最終出現(xiàn)腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化的典型病變；同時，TGF-β mRNA在糖尿病大鼠中隨著腎間質(zhì)纖維化的加重，其表達明顯增多[15]；另外，STZ誘導(dǎo)的DN大鼠腎臟從15周開始BMP-7及BMP7R表達量較正常大鼠減少，隨著腎間質(zhì)纖維化程度加重，BMP-7及其受體呈進行性下降，在第30周時BMP-7無陽性表達，BMP7R mRNA減少以Ⅰ型受體ALK-2/ActRⅠ和Ⅱ型受體BMPR Ⅱ為主，而BMP-7抑制物Gremlin的陽性表達卻升高[13]。Zhang等[16]研究發(fā)現(xiàn)在STZ模型小鼠中，從第12周開始，DN小鼠腎臟Gremlin表達量是正常小鼠的1.5倍，同時伴有蛋白尿、血肌酐升高/腎臟肥大等DN典型病變，因此認(rèn)為DN發(fā)生與BMP-7、BMP7R表達下降及Gremlin表達升高有關(guān)。Klahr[17]應(yīng)用BMP-7治療STZ誘導(dǎo)DN大鼠，發(fā)現(xiàn)接受BMP-7治療的大鼠腎臟早期病變可逆轉(zhuǎn)，如腎臟肥大部分逆轉(zhuǎn)、腎小球濾過率(GFR)恢復(fù)、尿蛋白量減少，這也證明了BMP-7在腎臟病發(fā)展過程中的作用。

3　BMP-7及TGF-β1在DN發(fā)展中的作用

3.1BMP-7抗纖維化作用大量研究證明在腎臟表達的BMP-7與TGF-β1呈負(fù)相關(guān)，提示腎組織中BMP-7具有與TGF-β1相反的作用。有研究認(rèn)為，BMP-7可以使腎小管的Erk1和Erk2迅速發(fā)生磷酸化，通過抑制Samd 2和Samd 3在細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)移阻斷TGF-β的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，使ECM合成減少降解增多，從而發(fā)揮抗纖維化作用[18]。另外，Wang等[19]也發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性BMP-7可通過抑制性Samds途徑來抑制信號傳遞蛋白Samds的轉(zhuǎn)導(dǎo)，阻斷TGF-β的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而抵消TGF-β的活性。Belecky-Adams等[20]證實了BMP-7與其受體結(jié)合可使Samd 6表達增加。不論是內(nèi)源性還是外源性BMP-7，都可以通過各自途徑發(fā)揮抗纖維化作用，這一點毋庸置疑。

3.2BMP-7逆轉(zhuǎn)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)EMT即腎臟上皮細(xì)胞受損后，受損的腎小管上皮細(xì)胞經(jīng)EMT作用轉(zhuǎn)化為成纖維細(xì)胞，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榧〕衫w維細(xì)胞，過度產(chǎn)生ECM，導(dǎo)致腎臟纖維化。故EMT在腎纖維化發(fā)生、發(fā)展中起著重要的角色。研究顯示，TGF-β1是誘導(dǎo)EMT的重要因子，在病理條件下可觸發(fā)和完成EMT的全過程[21]。BMP-7可以逆轉(zhuǎn)TGF-β1誘導(dǎo)的EMT，避免產(chǎn)生大量ECM，阻斷腎組織纖維化的發(fā)生；另外，BMP-7還有誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞-上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化(mesenchymal-to-epithelial transition，MET)的作用[4，14]，與EMT作用相反，可以重建腎小管上皮細(xì)胞，修復(fù)纖維化的腎臟，已經(jīng)證實對實驗動物的腎臟有保護作用。

3.3BMP-7抗炎、抗凋亡作用BMP-7可以抑制腎臟近曲小管促炎癥因子的釋放，如白介素(IL)-1、IL-6、IL-8、內(nèi)皮縮血管肽 2(ET-2)、單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)、結(jié)締組織生長因子等的表達，減少炎癥細(xì)胞的浸潤，使間質(zhì)纖維化減輕，起到抗炎、保護腎組織的作用[22]。另外，在DN發(fā)展過程中，病理顯示腎小球細(xì)胞凋亡與壞死并存，導(dǎo)致腎功能不全的發(fā)生。動物實驗研究顯示，BMP-7可以降低腎小球細(xì)胞的凋亡，從而在一定程度上逆轉(zhuǎn)腎功能不全的發(fā)生[23]。

3.4BMP-7保護腎小球足突細(xì)胞Li等[24]研究發(fā)現(xiàn)DN小鼠不但出現(xiàn)腎小球肥大、系膜細(xì)胞及細(xì)胞基質(zhì)增生，而且足突細(xì)胞的TGF-β1受體、基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinases，MMP-9)表達也升高，而足突細(xì)胞裂孔膜蛋白nephrin表達下降，提示足突細(xì)胞發(fā)生EMT，最終導(dǎo)致腎小球硬化、間質(zhì)纖維化。另外，在高糖環(huán)境下，DN大鼠足突細(xì)胞的Notch-1蛋白的表達上調(diào)，也使裂孔膜蛋白nephrin表達降低，導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡[25]。BMP-7是足突細(xì)胞的分化和生存因子，可減少高糖誘導(dǎo)的足突細(xì)胞損害[26]，BMP-7轉(zhuǎn)基因的DN小鼠模型中，BMP-7可以防止足突細(xì)胞脫落，并恢復(fù)nephrin表達濃度；另外，BMP-7還可以通過Samd 1、5、8信號通路抑制系膜細(xì)胞的有絲分裂，改善由系膜增生引起的腎臟損害，從而抑制腎小球纖維化的發(fā)生，延緩DN的發(fā)展[27-28]。

4　小結(jié)

DN是多種因素共同作用的結(jié)果，其具體發(fā)病機制尚未完全闡明；但是，當(dāng)BMP-7與TGF-β1的動態(tài)平衡打亂時，則加速了DN的發(fā)展速度；BMP-7減少和TGF-β1增加最終都會引起終末期腎病發(fā)生。研究顯示BMP-7可以逆轉(zhuǎn)腎臟纖維化的作用，這給我們提供了治療DN的新思路。

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