間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化過(guò)程中骨形態(tài)發(fā)生蛋白的作用研究

張斌斌，高全文，李 冰，黃 沙

骨形態(tài)蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)是TGF-β超家族的成員，是一種分泌性多功能蛋白，這些信號(hào)蛋白有多種功能，在胚胎發(fā)生、器官形成、細(xì)胞增殖和干細(xì)胞分化方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。迄今為止，人們所鑒定的BMP至少有20種，如BMP-7與肝臟、眼睛、四肢的發(fā)育有關(guān)；BMP-4、BMP-7及BMP-15對(duì)再生組織的發(fā)育很重要；BMP-2、BMP-3及BMP-7有助于軟骨再生；BMP-12及BMP-13與肌腱愈合有關(guān)[3]。BMP在骨形成、骨發(fā)育和間充質(zhì)干細(xì)胞分化中也發(fā)揮著重要的作用[4-5]。

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)最早在骨髓中發(fā)現(xiàn)，是一類具有自我復(fù)制和多分化能力的成體干細(xì)胞，它們可以分化為成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞、成肌細(xì)胞、成脂細(xì)胞、心肌和皮膚等，這些多能干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化取決于包括BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的多條信號(hào)通路。研究者通過(guò)多種基因敲除模型證明BMP信號(hào)通路中斷會(huì)造成骨及骨外組織發(fā)育的異常，并闡明了與此相關(guān)的機(jī)制[6-9]。目前已經(jīng)證實(shí)MSCs在細(xì)胞因子(如BMP、bFGF等)、機(jī)械力學(xué)刺激、特定化學(xué)物質(zhì)(地塞米松、維生素C、β-甘油磷酸鈉)等體外環(huán)境刺激下具有明顯的成骨細(xì)胞分化能力[10]。改變促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的體外環(huán)境能否縮短骨形成的時(shí)間(如BMP和機(jī)械力在促進(jìn)骨形成方面是否具有協(xié)同作用)是目前研究的熱點(diǎn)方向之一。筆者所在團(tuán)隊(duì)也在做相關(guān)研究工作。本文通過(guò)概括目前BMP調(diào)節(jié)成骨的研究進(jìn)展，全面展現(xiàn)BMP在骨形成中的作用機(jī)制，為修復(fù)骨缺損及發(fā)育異常提供理論依據(jù)。

1 MSC成骨分化過(guò)程

骨重建過(guò)程主要是由成骨細(xì)胞所介導(dǎo)，間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞譜系增值和分化的過(guò)程中需要經(jīng)歷幾個(gè)階段的成熟過(guò)程，包括：(1)MSC起初形成骨-軟骨原細(xì)胞(osteochondral progenitor)[表達(dá)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)和膠原蛋白Ⅱ型]；(2)骨-軟骨原細(xì)胞定向?yàn)楣窃?xì)胞(osteoprogenitor)(表達(dá)osterix)；(3)骨原細(xì)胞的擴(kuò)增；(4)成骨細(xì)胞(osteoblasts)的成熟(表達(dá)骨鈣素和膠原蛋白Ⅰ)；(5)骨細(xì)胞的凋亡[11]。這個(gè)過(guò)程由生長(zhǎng)因子、激素、細(xì)胞因子、機(jī)械負(fù)荷和年齡等因素調(diào)節(jié)。MSC向成骨細(xì)胞分化是一個(gè)多重步驟的過(guò)程，該過(guò)程需要譜系特異性的轉(zhuǎn)錄因子如Runx2和Osterix(Osx)以及普遍表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子Atf4和Dlx5等的參與。Runx2、Osterix/Sp7、β-catenin、轉(zhuǎn)錄激活因子4、核轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白 1、Smads 等，它們彼此協(xié)同作用，共同參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化及骨形成。其中，核心結(jié)合因子α1/Runx2(core binding factorα1/Runx2，Cbfα1/Runx2)及Osterix/Sp7作為成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子，在成骨細(xì)胞分化及骨形成過(guò)程中起關(guān)鍵調(diào)控作用[12]。因而，Runx2及Osterix 也被認(rèn)為是成骨分化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，參與組成該網(wǎng)絡(luò)的各條信號(hào)通路都直接或間接作用于該節(jié)點(diǎn)， 并最終調(diào)控其下游靶基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化及骨形成[13]。

分化后期，成骨細(xì)胞需要經(jīng)歷細(xì)胞增殖期(包括骨原細(xì)胞的增殖)，可以增加細(xì)胞數(shù)量，從而形成多層細(xì)胞。成骨細(xì)胞的增殖過(guò)程受多種生長(zhǎng)因子調(diào)控，包括BMP、TGFβ、Wnt、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、血小板源性生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor, PDGF)以及胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor，ILGF)[14]；隨后是細(xì)胞外基質(zhì)成熟期，細(xì)胞開(kāi)始分化而表達(dá)成骨細(xì)胞特異的指標(biāo)蛋白，包括Osx、Ⅰ型膠原酶(TypeⅠCollagen ，Col1)、骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)、骨鈣蛋白(Osteocalcin，OCN)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、骨粘連蛋白(osteonectin，ON)和骨橋蛋白(osteopontin，OPN)。ALP是鈣和磷形成沉淀的中心，是細(xì)胞外基質(zhì)成熟的早期標(biāo)志。在細(xì)胞外基質(zhì)成熟期，成熟的骨細(xì)胞合成并分泌Ⅰ型膠原。在礦化期，ALP活性下降，與基質(zhì)中經(jīng)磷灰石沉積相關(guān)的基因表達(dá)增加，骨鈣素等非膠原蛋白分泌至細(xì)胞外基質(zhì)中，與鈣、磷結(jié)合，然后沿膠原分子的長(zhǎng)軸形成羥磷灰石結(jié)晶。最后成骨細(xì)胞開(kāi)始凋亡。

2 BMP和骨形成

盡管BMP介導(dǎo)骨形成的具體分子機(jī)制尚有待明確，但已有研究均表明其在成骨分化中起著至關(guān)重要的作用。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為 BMPs是骨形態(tài)發(fā)生最早期的信號(hào)分子，對(duì)成骨細(xì)胞分化及骨形成具有特異性誘導(dǎo)作用[15-16]。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)腺病毒、逆轉(zhuǎn)錄酶病毒和重組體等介導(dǎo)BMP過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)骨形成。BMP轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細(xì)胞可使成骨細(xì)胞特異性標(biāo)記物表達(dá)增加，包括早期成骨標(biāo)記物堿性磷酸酶(ALP)、晚期成骨標(biāo)記物骨鈣素和骨調(diào)素、結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)、DNA結(jié)合物抑制劑(ID)和Cbfa1/Runx2[3]。在脊椎動(dòng)物中，骨形成通過(guò)膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨兩種方式完成，這兩種方式都由BMP直接介導(dǎo)完成，其中，BMP-2和BMP-4在骨形成過(guò)程中對(duì)間充質(zhì)細(xì)胞的分化起著至關(guān)重要的作用[16]。

最早研究的BMP家族成員是BMP-2和BMP-7。腺病毒介導(dǎo)BMP-2體外轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細(xì)胞，使其成骨活性增加，表明BMP-2在成骨細(xì)胞分化方面有作用[17-18]。Ad-BMP-2在C3H10T1/2細(xì)胞中過(guò)表達(dá)后，ALP活性、礦化程度及骨特異性蛋白(Ⅰ型膠原、骨調(diào)素和骨鈣素)mRNA的表達(dá)都增高[17]。Partridge等[18]將Ad-BMP-2轉(zhuǎn)染的骨髓骨原細(xì)胞植入生物降解高分子支架中，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)ALP活性、Ⅰ型膠原形成及礦化程度均增加。Ishikawa等[19]體外培養(yǎng)BMSCs過(guò)程中給予rhBMP-2干預(yù)，細(xì)胞增殖能力增強(qiáng)，同時(shí)在傳代過(guò)程中仍保持成骨分化能力。BMP-7也有誘導(dǎo)成骨的能力。Franceschi等[20]通過(guò)檢測(cè)ALP活性和基質(zhì)礦化程度發(fā)現(xiàn)Ad-BMP-7轉(zhuǎn)染C2C12成肌細(xì)胞和肌源祖細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞，最終形成骨。

雖然BMP-2和BMP-7是最早被人鑒定出具有誘導(dǎo)成骨能力的骨形成蛋白，但它們的成骨能力在BMPs中是否最強(qiáng)尚未知曉。隨后研究又發(fā)現(xiàn)了BMP-4、BMP-6及BMP-9等。Kang等[4]通過(guò)重組腺病毒AdEasy系統(tǒng)介導(dǎo)的方法，成功構(gòu)建了Ad-BMP-2到Ad-BMP-15等14種腺病毒，轉(zhuǎn)染C2C12細(xì)胞后結(jié)果顯示出BMP-2、BMP-6、BMP-7及BMP-9均能在體內(nèi)誘導(dǎo)骨形成。

研究發(fā)現(xiàn)BMP-6在體內(nèi)外有成骨潛能。Zachos等[21]將Ad-BMP-6導(dǎo)入馬BMSCs中發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的ALP活性、基質(zhì)礦化能力及成骨標(biāo)記物基因的表達(dá)增加。Valdes等[22]進(jìn)行兔動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)重組人BMP-6蛋白質(zhì)能促進(jìn)兔骨髓骨原細(xì)胞的成骨能力。

Aslan等[23]利用電穿孔技術(shù)將BMP-9 轉(zhuǎn)染到人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)中，4周后可觀察到骨組織形成，可見(jiàn)BMP-9是一種強(qiáng)有力的骨形成誘導(dǎo)因子。Kimelman-Bleich等[24]通過(guò)建立小鼠的骨不連模型，明膠海綿填充骨缺損處，10d后利用BMP-9治療，可在骨缺損處形成骨橋并修復(fù)骨不連。

筆者對(duì)面中部牽引的骨縫進(jìn)行組織學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)在牽引和固定過(guò)程中，骨縫寬度逐漸增大，骨縫中出現(xiàn)大量新生血管，骨縫重新進(jìn)行改建，形成新的骨縫。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在牽張期，BMP-2表達(dá)明顯增加，在固定期，BMP-2表達(dá)逐漸減少[25]。Liu等[26]將基因重組BMP-2與膠原膜復(fù)合后覆蓋于受擴(kuò)張力作用下的頂骨矢狀縫上方，可以增強(qiáng)受擴(kuò)張力作用后頂骨矢狀縫組織的成骨作用。Yao等[27]應(yīng)用緩釋技術(shù)將BMP-2注射到骨縫牽引區(qū)域，骨縫新骨形成加快，骨密度增加。Ashinoff等[28]將攜帶BMP-2基因的腺病毒注射至切骨牽引骨痂中，經(jīng)X線、組織學(xué)及骨組織量學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)該方法可以加速切骨牽引骨痂新骨形成的速度和質(zhì)量。筆者目前正在進(jìn)行BMP-2與機(jī)械力是否可以協(xié)同促進(jìn)骨縫成骨的相關(guān)研究。

3 經(jīng)典的BMP信號(hào)通路

3.1BMP信號(hào)通路中的BMP配體、BMPⅠ型和Ⅱ型受體 TGF-β家族通常有兩種不同的受體蛋白，稱之為Ⅰ型和Ⅱ型受體。在哺乳動(dòng)物中Ⅰ型受體包括7種：ALK1、ALK2/ACTRⅠA、ALK3/BMPRⅠA、ALK4/ACTRⅠB、ALK5/TβR1、ALK6/BMPRⅠB、ALK7，而Ⅱ型受體則包含5種：TβRⅡ、ACTRⅡA、ACTRⅡB、BMPRⅡ、AMHRⅡ。目前認(rèn)為其中只有ALK1、ALK2/ACTRⅠA、ALK3/BMPRⅠA、ALK6/BMPRⅠB、ACTRⅡA、ACTRⅡB和BMPRⅡ可以作為BMP家族的受體[29]。

BMPⅠ型和Ⅱ型受體都是以異二聚體形式存在的跨膜蘇氨酸-絲氨酸激酶受體。所有的受體都包括一個(gè)位于細(xì)胞膜外N末端的配體結(jié)合域、一個(gè)跨膜區(qū)域和一個(gè)位于細(xì)胞膜內(nèi)的含絲/蘇氨酸激酶的C末端三部分。細(xì)胞外配體-受體結(jié)合后，信號(hào)通路被啟動(dòng)。BMP首先與BMPⅡ型受體結(jié)合，Ⅱ型受體細(xì)胞內(nèi)的活性激酶區(qū)通過(guò)磷酸化Ⅰ型受體的GS區(qū)域(Ⅰ型受體細(xì)胞內(nèi)特征性的高度保守的TTSGSGSG序列[2])，隨后磷酸化的BMPⅠ型受體再進(jìn)一步磷酸化Smads蛋白，最終使細(xì)胞內(nèi)Smad(Sma-Mad)等蛋白磷酸化來(lái)完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[30](圖1)，繼而啟動(dòng)并激活成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(如 Cbfα1/Runx2、Osterix/Sp7 等)，從而誘導(dǎo)MSCs 向成骨細(xì)胞分化及骨形成。

圖1 BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖。BMP配體與BMPⅡ型受體結(jié)合，導(dǎo)致BMPⅠ型受體磷酸化，后者趨化R-Smads (Smads 1/5/8)到BMPⅠ型受體周圍，激活R-Smads。活化的R-Smads與Co-Smads (Smad 4)形成異聚復(fù)合體，進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。抑制型Smads(Smads 6/7)從細(xì)胞核移出，通過(guò)抑制通路上的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)BMP信號(hào)通路

3.2BMP-Smad信號(hào)通路調(diào)節(jié)骨再生 BMP與受體結(jié)合后會(huì)激活Smad依賴型和Smad非依賴型兩條信號(hào)通路中的一條。為了更好的地理解BMP在骨形成中的作用，筆者在此主要探討Smad依賴型信號(hào)通路。Smads蛋白家族是細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，由Mad以及Sma兩個(gè)相關(guān)等位基因編碼，目前發(fā)現(xiàn)有9個(gè)亞型，即Smad1-9[31]。包括3種類型：受體調(diào)節(jié)型Smad(R-Smad)、共同介質(zhì)型Smad(Co-Smad)、抑制型Smad(I-Smad)。每一種Smad蛋白對(duì)BMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)都很重要。活化的I型受體直接與R-Smads作用，而Co-Smads與活化的R-Smads形成復(fù)合物共同轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄。抑制型Smads(I-Smads)通過(guò)抑制信號(hào)通路的幾個(gè)位點(diǎn)對(duì)信號(hào)通路發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。

R-Smad蛋白(Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8、Smad9，其中Smad1、Smad5和Smad8與BMP-2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān))C端功能域末端含有絲氨酸-絲氨酸-任意氨基酸-絲氨酸(Ser-Ser-X-Ser，SSXS)保守序列，沿著該序列，R-Smads在氨基端(N端)和羧基端(C端)末尾有兩個(gè)同源區(qū)域：MH1區(qū)和MH2區(qū)，這兩個(gè)區(qū)對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)都很重要[2]。MH1區(qū)直接與DNA序列結(jié)合，而MH2與BMPⅠ型受體結(jié)合。此外，MH2區(qū)也可以與其他的Smads結(jié)合形成聚合體，在轉(zhuǎn)錄激活方面發(fā)揮作用[3]。一經(jīng)激活，磷酸化的R-Smad就會(huì)脫離BMPⅠ型受體，與Smad4形成復(fù)合體。Smad 4是哺乳動(dòng)物中唯一的Co-Smad，存在于所有的BMP信號(hào)通路。R-Smad/Co-Smad異二聚體復(fù)合物在細(xì)胞核中與各種轉(zhuǎn)錄因子、共激活劑和共抑制劑共同調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

I-Smads包括Smad6和Smad7，對(duì)BMP信號(hào)通路發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用。這些I-Smads通常位于細(xì)胞核內(nèi)，經(jīng)BMP活化后移向細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜，在BMP信號(hào)通路的多個(gè)位點(diǎn)上抑制信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[1]。Smad7與活化的BMPⅠ型受體結(jié)合阻止R-Smads被活化。Smad7也可與E3泛素連接酶蛋白、Smurf1和Smurf2發(fā)生作用，促進(jìn)BMP受體降解。Smad 6發(fā)揮作用不同于Smad7,主要與Smad4競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合R-Smads來(lái)阻止R-Smad/Co-Smad異二聚體復(fù)合物形成，從而產(chǎn)生負(fù)性調(diào)節(jié)作用[3]。

4 MSC成骨分化BMP信號(hào)通路的調(diào)控

分子遺傳學(xué)研究表明，內(nèi)源性或外源性BMPs通過(guò)結(jié)合細(xì)胞膜上特異性受體BMP 受體Ⅰ及BMPR-Ⅱ，使 BMPR-Ⅰ磷酸化，再與BMPs特異作用的Smads蛋白(如 Smad1、5、8)結(jié)合并使其也發(fā)生磷酸化，然后進(jìn)入細(xì)胞核，Smad蛋白的磷酸化導(dǎo)致Runx2和Osterix的上調(diào)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子是控制成骨發(fā)生過(guò)程的關(guān)鍵因子，從而誘導(dǎo)MSCs向成骨細(xì)胞分化及骨形成[32]。BMP信號(hào)通路受到廣泛的多層次調(diào)控，以確保其和一些特定的下游反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)空被激活。BMP基因調(diào)控已受到越來(lái)越多的關(guān)注，主要有細(xì)胞外調(diào)控、膜調(diào)控、細(xì)胞內(nèi)調(diào)控。細(xì)胞外可以受到BMP蛋白受體激動(dòng)劑、BMP蛋白拮抗劑以及細(xì)胞外基質(zhì)成分的調(diào)節(jié)；細(xì)胞膜上可以受到仿真受體或BMP共受體(如RGMs)的調(diào)控；而在細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控就相對(duì)復(fù)雜，可以受DNA結(jié)合蛋白、R-Smad/Co-Smad轉(zhuǎn)錄的共激活劑和共抑制劑、抑制性Smads(Smad6和Smad7)和其他調(diào)控配體蛋白、MicroRNAs調(diào)控以及與其他信號(hào)通路的交叉調(diào)控[33]。

5 MSC成骨分化其他通路的調(diào)控

5.1Wnts信號(hào)通路 Wnt蛋白通過(guò)自分泌或旁分泌方式與位于細(xì)胞膜上的Frizzled蛋白和共同受體(LRP5/ LRP5)相結(jié)合，將信號(hào)傳導(dǎo)至細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞質(zhì)中的β-Catenin轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核，和轉(zhuǎn)錄因子LEF/TCF蛋白通過(guò)經(jīng)典的Wnt/β-Catenin信號(hào)通路調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)骨的形成[34-35]，與BMP-Smads信號(hào)通路類似，經(jīng)典Wnt信號(hào)通路在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化及骨形成方面最終也是通過(guò)作用于Runx2 起作用,但其分子機(jī)制還不是很明確。

5.2FGFs信號(hào)通路 在成骨細(xì)胞中，F(xiàn)GFs信號(hào)通過(guò)一組高親和力的有內(nèi)在酪氨酸激酶活性的跨膜受體(FGFR1、FGFR4)激活MAPK信號(hào)通路。這些生長(zhǎng)因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)果會(huì)引起Runx2和/或Osterix的激活。在成骨細(xì)胞中，F(xiàn)GFR2和其受體之間的相互作用使受體發(fā)生二聚化和自身磷酸化，反過(guò)來(lái)又激活p42/43 MAPK和蛋白激酶C(PKC)。PKC的激活促進(jìn)Runx2轉(zhuǎn)錄的增加，而磷酸化和激活的p42/43 MAPK則促進(jìn)Runx2蛋白的磷酸化和激活進(jìn)而引起成骨細(xì)胞特異性基因，如堿性磷酸化和骨鈣蛋白表達(dá)的增加，引起骨形成的增加[36-37]。

5.3IGF1/ET1信號(hào)通路 胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factors 1，IGF1)和內(nèi)皮素-1(endothelin 1,ET1)分別結(jié)合到受體酪氨酸激酶受體IGF1R和G-蛋白偶聯(lián)受體ETA上，激活MAPK信號(hào)通路進(jìn)而調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化。

5.4Notch信號(hào)通路 Notch信號(hào)通路主要成員包括Notch受體、配體、CSL蛋白以及Notch信號(hào)的效應(yīng)分子。當(dāng)Notch受體與相鄰細(xì)胞表面的配體結(jié)合后，Notch信號(hào)通路即被激活，此時(shí)Notch受體分別在TACE及γ-分泌酶的作用下相繼發(fā)生兩次蛋白水解，釋放出Notch受體胞內(nèi)活性片段 (Notch intracellular domain，NICD)，并轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)與CSL蛋白(一種DNA 結(jié)合蛋白)及其共活化因子MAML結(jié)合，從而啟動(dòng)并激活其下游靶基因(如 HES、HEY等)的表達(dá)[38]。 目前，Notch 信號(hào)通路在調(diào)節(jié)MSCs 向成骨細(xì)胞分化過(guò)程中的重要作用，已在多種體內(nèi)外模型中得到印證[39-40]。此外Notch信號(hào)通路還參與調(diào)節(jié)BMP及Wnt信號(hào)誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化及骨形成。Notch信號(hào)通路可通過(guò)多種途徑直接或間接地參與調(diào)控成骨細(xì)胞分化及骨形成。

5.5Hedgehog信號(hào)通路 Hedgehog蛋白是一類分泌型信號(hào)蛋白，主要包括3種同源蛋白，即Indian hedgehog(Ihh)、Sonic hedgehog(Shh)及 Desert hedgehog(Dhh)。與其他信號(hào)通路類似，Hedgehog 信號(hào)通路也是由Hedgehog相應(yīng)配體(Ihh、Shh、 Dhh)、受體(Patched/Ptc、Smoothened/Smo)及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子(Cos2/Kif7、Fu、Ci/Gli)等組成[41]。當(dāng)Hedgehog蛋白在細(xì)胞膜上與特殊受體Ptc結(jié)合時(shí)，Smo得以活化，活化的Smo與Cos2、Fu結(jié)合形成復(fù)合物，從而啟動(dòng)下游靶基因(如 Cyclin D/ E、HIP、Myc 等)的表達(dá)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[42]，Hedgehog信號(hào)通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化過(guò)程中亦具有十分重要作用。Hedgehog信號(hào)通路也可通過(guò)間接調(diào)控Runx2的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化及骨形成等，因而也被視作調(diào)控成骨細(xì)胞分化及骨形成關(guān)鍵信號(hào)通路之一，但其具體調(diào)節(jié)機(jī)制目前還未完全闡明，仍需進(jìn)一步研究。

以上信號(hào)通路之間存在著一定的聯(lián)系，共同作用從而調(diào)節(jié)成骨的分化，但是大多數(shù)信號(hào)通路的確切機(jī)制還不明了，各通路之間的相互聯(lián)系研究較少，還需要進(jìn)一步深入探討。

6 展望

近年來(lái)，研究者們運(yùn)用BMP或者相關(guān)載體介導(dǎo)BMP基因轉(zhuǎn)導(dǎo)MSCs從而誘導(dǎo)其向成骨分化都取得了進(jìn)步，但也存在一些問(wèn)題。首先，無(wú)論通過(guò)生物材料運(yùn)載BMP或者載體介導(dǎo)BMP基因轉(zhuǎn)染MSCs植入缺損區(qū)域或骨縫區(qū)必然會(huì)帶來(lái)一系列宿主免疫反應(yīng)，目前并未發(fā)現(xiàn)完全不產(chǎn)生免疫反應(yīng)的載體，因此在誘導(dǎo)成骨時(shí)應(yīng)該充分考慮載體選擇問(wèn)題。其次，各種BMP基因和相關(guān)協(xié)助基因轉(zhuǎn)染進(jìn)入宿主體內(nèi)，其造成局部BMP或其他因子蓄積過(guò)高，存在基因組序列突變的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有研究證明BMP誘導(dǎo)成骨存在多條信號(hào)傳導(dǎo)通路，但相關(guān)機(jī)制尚不清楚，是否能通過(guò)直接激活相關(guān)通路上的某些信號(hào)分子激活并調(diào)控成骨，或能否從轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控水平尋找誘導(dǎo)成骨基因治療可能是未來(lái)的研究方向。

綜上所述，BMP在誘導(dǎo)MSCs成骨分化方面作用顯著，但仍存在著許多未知問(wèn)題，需要更深入的探討使其在治療骨缺損及骨發(fā)育異常方面有望展現(xiàn)更好的臨床應(yīng)用前景。

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