骨形態發生蛋白-4與人類生殖的研究

易子琳 馬天仲

【摘 要】 ：骨形態發生蛋白4（bone morphogenetic protein 4）是BMP家族的一員。1963年，美國的Marshall R.Urist從脫鈣的骨基質提取物中首次分離出BMPs。骨形態發生蛋白能夠同胚胎骨骼共同發生作用，從而形成蛋白質，能夠在骨形成的多個階段中產生作用，可貫穿全過程。除此之外，尤其是對中樞神經系統的發生。骨形態發生蛋白最終使骨細胞形成鈣化骨組織，因此它被人們稱為骨形態發生蛋白[1]。近年來隨著研究的進一步深入，結果發現BMP4能調控人睪丸Sertoli細胞和卵巢的生理學功能，而且對于胚胎發育也至關重要。綜上所述，BMP-4與人類的生殖能力息息相關，隨著生殖醫學的快速發展，對于生殖方面而言，BMP-4的研究價值更加受到重視，本文作者對此方面的相關研究進展作一綜述。

【關鍵詞】 骨形態發生蛋白4;作用機制;生殖能力;進展

Bone morphogenetic protein-4 and human reproduction

Yi Zilin1， Ma Tianzhong2

1.Guangdong Medical University， Zhanjiang， Guangdong 524000;

2.Guangdong Medical University Hospital， Zhanjiang， Guangdong 524000

[Abstract] Bone morphogenetic protein 4 is a member of the BMP family. In 1963， Marshall r. Urist of the United States separated the BMPs from the calcium extracellular matrix extract for the first time. BMP to proteins associated with embryonic bone formation， bone formation in all play a role in most of the stage， the morphogenesis in the early stages of beginning， until after birth. It also plays a key role in the central nervous system. Bone morphogenetic protein eventually causes the bone cells to form calcified bone tissue， so it is called[1]. In recent years， with the further research， it has been found that bmp-4 can regulate the physiological functions of human testicular Sertoli cells and ovaries， and is also crucial for embryonic development. Above all， BMP-4 is closely related to the human reproductive capacity， with the rapid development of reproductive medicine， BMP-4 in reproductive research value is becoming more and more attention and pay attention to， are in BMP-4 related research progress on human reproduction.

[Key words]Bone morphogenetic protein 4; Mechanism of action; Reproductive ability; Progress

1 骨形態發生蛋白4的基因、蛋白結構和表達

1.1 BMP-4基因結構

人BMP-4基因同蒼蠅的dpp（decapentaple）是很相似的，因為都具有3個5′非編碼外顯子以及2個編碼外顯子。人BMP-4基因位于14號染色體上，轉錄單位包括4個外顯子和3個內含子，整個基因跨越9.03kb基因組區。結果表明BMP-4基因可通過在轉錄過程中使用選擇性啟動子和剪切處理產生各種轉錄產物。各轉錄產物的表達水平和比例的變化可能影響細胞生長、分化、凋亡等生命活動。根據細胞類型，BMP4基因可以發揮不同的作用。后來，通過對生物信息學的分析，研究人員發現家畜動物如牛、綿羊和豬的BMP4基因的結構與人類相似，并且還具有多種轉錄組。一些新的轉錄形式在人類和小鼠研究中未被提及。這些轉錄本的出現將產生尚未找到其功能的新表達產物。

1.2 BMP-4蛋白結構

人類BMP-4結構上是一個高度保守的由116殘基組成的蛋白質，是從408殘基的前原蛋白質中翻譯后切下。BMP-4作為BMPs家族的成員，其結構也具有7個保守的Cys。在7個Cys中，6個Cys形成分子內二硫鍵，另一個Cys形成分子間二硫鍵。多肽鏈由此連接形成二聚體結構。這種由3個半胱氨酸組成的分子內二硫鍵被稱為半胱氨酸結（cysteine knot），是蛋白質的核心和主鏈。BMP4基因總的而言存在兩種產物：1）成熟胎盤組織中表達，是402個氨基酸共同構成前體蛋白;2）骨肉瘤表達的BMP4，是408個氨基酸構成前體蛋白，其中氨基酸信號肽19個，每一個又含有273個氨基酸體。另外還有一個成熟片段是由氨基酸116個組成，與信號氨基末端的胎盤中表達的BMP-4比較，多了6個氨基酸。然而，兩個活性片段都由116個羧基端氨基酸構成。

2 BMP-4作用機制及調控

2.1 受體

糖基化的BMP4在細胞外空間或細胞外基質中形成同型二聚體后，又會同摩羯和的受體復合物進行結合，復合物中又包括了BMPI型絲氨酸-蘇氨酸激酶受體，并且該類型受體包括兩種類型：BMP受體（BMPR）IA，又名活化素受體激酶3;BMPRI B又名也稱活化素受體激酶6，Ⅱ型受體為BMPR Ⅱ，3種受體中又包括了兩個較為典型的跨膜保守功能區：BMP同源性二N端細胞外配體結合結構域和C端細胞內源性激酶結構域，一般而言，BMP4與Ⅰ型受體具有更高的親和力。

2.2 作用機制

作為分泌性配體，BMP4首先結合其跨膜絲氨酸-蘇氨酸激酶II型受體（BMPR Ⅱ），然后與BMP I受體（BMPR I，ALK2，ALK3和ALK6）形成復合物。BMPR Ⅱ會促進BMPR I發生磷酸化。然后下游細胞質信號傳導蛋白，包括Smad1，Smad5和Smad8。磷酸化的Smads與共同的效應Smad4形成復合物，Smad4不僅會轉入到細胞核，對基因表達還會起到調節作用。BMP4有多個信號傳導途徑來發揮作用，例如誘導p38途徑和細胞外信號傳導激酶/絲裂原活化蛋白激酶途徑.BMP4和Wnt/β-連環蛋白，Notch，Ca2+/鈣調蛋白與激酶/信號轉導和轉錄激活信號通路之間有相互作用。

2.3 BMP4信號轉導的調控

BMP信號轉導途徑在細胞外以及細胞內的水平均會被調節。細胞外水平：BMP-4會受到chordin、noggin類的受結合蛋白調節，會抑制細胞活性，并阻礙形成功能性受體復合物;當受到蛋白酶tolloid調控之后，對活性BMP-4能夠起到分解以及釋放活性的作用，BMP-4也與細胞表面硫磺相關;鈣調素對Smads而言，是一種抑制劑，TAK1則是BMP的信號誘導劑，受體酪氨酸激酶則能夠抑制BMP信號。

在細胞內水平：BMP信號傳導會由Smad6、Smad7進行負調控，影響細胞膜想細胞核傳遞信號;BAMBI也可調節BMP信號，因為其屬于跨膜蛋白（能夠與TGF-β家族受體產生作用），影響功能性受體復合物的形成，從而達到影響BMP轉到的目的。BMP信號也受到泛肽-蛋白連接酶中Smurf家族成員的調節。靶蛋白又屬于BMP受體，和細胞內信號轉導級聯的其他元素降解蛋白體或溶酶體。在細胞核水平，類似于Sno和Ski的轉錄抑制因子抑制，可以終止某些BMP靶基因的轉錄激活。另外，BMP信號級聯也會被不相關配體和受體結合引起的細胞內分支位點和信號影響。鈣調素對Smads而言，是一種抑制劑，TAK1則是BMP的信號誘導劑，受體酪氨酸激酶則能夠抑制BMP信號。

3 BMP4對生殖的影響

3.1 BMP4與卵泡發育的關系

當體外加入BMP-4時，BMP-4有助于冷凍保存后人卵巢組織原始卵泡向初級卵泡的轉化，能降低體外顆粒細胞孕酮的基礎分泌，促進卵泡體外存活。原始卵泡的形成和發育直接影響雌性哺乳動物整個繁殖階段可用卵泡的數量，是影響雌性生殖性能的重要方面。BMP-4可以提高卵泡刺激素誘導的雌二醇產生并抑制黃體酮的產生，BMP-4可能是卵泡生長和發育的重要因素[2]。

3.2 BMP4在胚胎發育中的作用

在胚胎發育中，BMP-4對胚胎干細胞具有調節作用，能夠向內皮細胞進行分化，通過對內皮細胞管腔形成等進行刺激，達到穩定血管腔以及改善內皮細胞功能的目的[3]。從背主動脈壁及周圍的間質BMP-4可誘導嵴細胞成為交感神經和腎上腺嗜鉻細胞前體，腎上腺BMP4能夠促進腎上腺嗜鉻細胞成熟。BMP4對于胚胎發育的早期階段而言，具有非常關鍵的作用，還可以調節內皮因子對卵黃囊造血發育過程。BMP4對胚胎發育的多個方面都會起到作用，例如：抑制腫瘤血管生長以及抑制腫瘤生長體積等。目前，在大鼠等實驗中，已經證實BMP可促進中胚層造血組織進行分化。

3.3 BMP-4與干細胞分化

BMP-4可誘導BMSCs分化成生殖細胞。有學者用全骨髓培養獲得小鼠BMCS（骨髓間充質干細胞），用不同濃度的BMP-4可以促進骨髓間充質干細胞來源生殖細胞表達不同發育階段特異性基因，證實BMSCs可以在BMP-4的作用下誘導分化成生殖細胞[4]。

4 BMP4的臨床應用前景和展望

BMP4對男性和女性的生殖功能有重要影響，它的表達影響卵細胞的活力和功能，精子的健康以及胚胎的正常發育。臨床上，它可以用來評估個體生殖功能的濃度。制定個性化治療計劃以提供參考數據。其深入研究也可為不孕病因提供理論依據。這將有助于為輔助生殖醫學領域的體外培養和生殖儲存提供新思路[5]。

5 總結

原始卵泡的形成和發育直接影響雌性哺乳動物在整個生殖期的可用卵泡數目，并且是影響人類繁殖性能的重要方面[6]。隨著人們對該領域的不斷研究，骨形態發生蛋白在調節卵細胞發育中越來越重要。本文作者總結探討了骨形態發生蛋白4和人類生殖的發展。隨著現代科學的不斷實踐，人們會更加深入理解這種BMP4在未來醫學科學的發展中具有的巨大作用和非常廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張馳，周建設，秦楠，等.骨形態發生蛋白4與哺乳動物卵泡發育的研究進展[J].中國畜牧獸醫，2010，37（03）：141-144.

[2] 葉娜，戚基萍，吳鶴.骨形態發生蛋白4的相關研究進展[J].醫學綜述，2017，03（23）：872-876.

[3] 張虎林，陳玉琴，愈詩源.骨形態蛋白4研究進展[J].解剖學雜志，2007，30（06）：810-813.

[4] Unsicker K，Huber K，Schober A，et al.Resolved and open issues in chromaffin cell development[J].Mech Dev，2013，130（6-8）：324-329.

[5] 楊輝，劉柏炎，蔡光先.BMP-4對神經系統發育和分化影響研究進展[J].醫學研究雜志，2006，11（35）：11.

[6] 蘇寧，李予，王文軍，等.骨形態發生蛋白-4對人始基卵泡的作用[J].中山大學學報，2008，29（06）：676-679.