骨形態生成蛋白在腫瘤中作用的研究進展

吳娜威 吳發明▲ 劉朝奇 金錦蓮

1.三峽大學第三臨床醫學院 國藥葛洲壩中心醫院消化內科，湖北宜昌 443002；2.三峽大學腫瘤微環境與免疫治療湖北省重點實驗室，湖北宜昌 443002

骨形態生成蛋白（bonemorphogeneticproteins，BMPs）在胚胎發育、細胞分化、增殖和體內各類細胞凋亡等過程中發揮著重要作用。BMPs是一種由原結構域、信號肽和含有高度保守的半胱氨酸殘基末端的結構域組成的分泌蛋白，其主要通過形成胱氨酸結而參與蛋白質的三級和四級折疊[1]。在脊椎動物和無脊椎動物中都發現了BMPs，但其最初是作為誘導異位骨形成的蛋白質被發現的[2]。目前，研究發現BMPs 的作用不僅局限于胚胎發育，而且更重要的是參與了腫瘤的發生、發展及腫瘤的轉移。

1 BMPs 的生物學特性

BMPs 細胞膜上的BMPs 受體（BMPR）是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，可分為Ⅰ型受體和Ⅱ型受體。BMPs 有三種Ⅱ型受體，包括哺乳動物的BMP Ⅱ型受體（BMPR Ⅱ）、激活素ⅡA型受體（ActR Ⅱ）和激活素ⅡB型受體（ActR ⅡB）；BMP-s 的Ⅰ型受體有7種，大多數是激活素受體樣激酶（activin receptor-like kinase，ALK），其中ALK-1、ALK-2、ALK-3 和ALK-6在BMP信號傳導通路中起主要作用[3]。BMPs 至少包括20 多個成員，根據其結構的同源性，BMPs 配體可進一步分為幾個亞群，如BMP-2/-4 亞群、BMP-5/-6/-7/-8 亞群、BMP-9/-10 亞群和BMP-12/-13/-14 亞群。BMPs家族成員中，只有BMP-1 具有金屬蛋白酶結構[4]。

BMPs 主要通過Smad 依賴的和非Smad 依賴的信號通路發揮生物學作用。BMP信號通路的經典途徑是Ⅰ型受體激活后可使受體調節的Smads（RSmads）磷酸化，其中Smad 1、Smad 5 和Smad 8 被歸類為BMP 途徑特異性的R-Smads。R-Smads 活化后在細胞質內與Smad 4 結合進入到細胞核中，在細胞核內，Smad 復合物在其他DNA 結合蛋白的參與下共同作用于靶基因[5]。BMPs 還可以激活Smad 非依賴的信號通路，如絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MA-PKs）、磷酸肌醇-3 激酶（phosphoinositol-3 kinase，PI3K）、c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、Akt 等[6]。這些非Smad依賴途徑與Smad 依賴途徑可相互協同以調節各種細胞的反應。

2 BMPs 與腫瘤的關系

2.1 BMPs 與骨腫瘤的關系

骨肉瘤（osteosarcoma，OS）是骨組織中最常見的原發性惡性腫瘤之一，惡性程度高，預后差，多見于青少年。目前，本病主要以手術截肢和輔助化療為主，其5年生存率僅為60%～70%[7]。近年來，BMPs 在骨肉瘤中的作用引起了研究者的密切關注。最近的一項實驗發現BMP-2 具有增強腫瘤細胞的體外遷移和侵襲力的能力。通過建立動物模型進一步發現BMP-2可顯著促進腫瘤生長，并發現其機制可能是通過BMPWnt/β-連環蛋白（β-catenin）信號通路促進骨肉瘤的生長[8]。還有研究報道，BMP-2 在人體骨肉瘤組織中呈高表達，microRNA（miR）-29c 在人體骨肉瘤組織中呈低表達，在細胞水平上干擾BMP-2 的表達和miR-29c 的過表達，可以抑制骨肉瘤細胞的增殖和侵襲。該研究證實，BMP-2 和miR-29c可能參與調控骨肉瘤細胞的增殖和轉移[9]。研究發現，變異體1A（variants 1A，Uev1A）與泛素E3 連接酶Smurf 1 共同參與的情況下，以不依賴泛素結合酶13 的方式促進Smad 1的降解及骨肉瘤生長[10]，證明Uev1A是一種新的OS抑制因子，提示Uev1A 能抑制OS 相關癌基因，降低干細胞特性，增強OS 細胞對化療的敏感性。

已有研究發現，在人體軟骨肉瘤組織中發現轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）和BMPs信號呈高度活躍狀態，并且首次揭示了父系表達基因10（paternally expressed gene 10，PEG 10）在軟骨肉瘤細胞系中和人體標本中表達增加的情況，并進一步發現PEG 10 受TGF-β信號的下調，而PEG 10反過來干擾TGF-β/BMP-Smad 通路，其之間是相互作用的。另外一項體外實驗再次證明了PEG 10 在軟骨肉瘤細胞中具有促進細胞生長和阻止細胞遷移和侵襲的雙重作用，其機制是通過TGF-β-AKT 和BMP-p38-AKT信號通路抑制細胞遷移和侵襲，更進一步表明PEG 10可能是控制軟骨肉瘤進展中的更特異的分子靶點[11-12]。

2.2 BMPs 與上皮性腫瘤的關系

上皮性腫瘤稱為“癌”。有些研究者認為上皮-間充質轉化（epithelial mesenchymal transformation，EMT）是上皮細胞惡變的早期階段[13]。EMT的定義是上皮細胞失去細胞極性及細胞間黏附的能力，從而獲得了間充質細胞的特性，增強其細胞遷徙及侵襲的能力。EMT 現象的主要特征是上皮標志物E-鈣粘蛋白的丟失和不同的間質標志物，如N-鈣粘蛋白、波形蛋白、Slug 和Snail 等的增加。

此前已有多項研究表明，BMP 不僅參與器官和組織的發育，甚至是腫瘤過程中的分化、細胞增殖和上皮-間充質的轉化。在口腔癌中發現BMP-2可使EMT 標志物N-鈣粘蛋白、Snail 的表達發生變化，從而增強腫瘤的遷徙及侵襲[14]。另外，Martínez 等[15]的實驗顯示BMP-4 在膀胱癌晚期和未分化腫瘤中的表達增加，且EMT 激活劑鋅指蛋白結合同源盒家族（Zinc-finger E-box binding homeobox ZEB；ZEB 1 和ZEB 2）也隨之升高。同樣在甲狀腺癌中觀察到BMP-4 呈高表達，且BMP-4 表達量越高及腫瘤的侵襲性越強，說明EMT可能與BMP-4 共同作用下促進腫瘤的侵襲及轉移[15-16]。

2.3 BMPs 與腫瘤性骨轉移的關系

骨是乳腺癌、前列腺癌、小細胞肺癌等最常見的轉移部位之一。研究報道，骨轉移的發生主要是微環境中的癌細胞和各種成骨細胞、破骨細胞和基質細胞等相互作用的結果[17]。到目前為止，復雜的潛在轉移機制仍不清楚。因此，發現導致腫瘤侵襲及轉移的途徑和轉移的關鍵因素可能有助于研發新的治療方法，從而減少與骨轉移相關癌癥的死亡率。

近期Liu 等[18]利用RNA 干擾技術等實驗方法證實了乳腺癌細胞中BMPR1A基因敲除后可通過p38途徑抑制核因子-κB（cyclophosphamide-κB，NF-κB）受體激活劑的產生，從而抑制腫瘤誘導的破骨細胞生成，證實BMPR1A可能是乳腺癌溶骨轉移的靶點。一項研究發現，鋅指蛋白217（Zinc-finger protein 217，ZNF 217）與乳腺癌骨轉移有關，其是BMP 途徑上游發現的一種新的功能性激活誘導物。該研究驗證了BMP 通路是依賴ZNF 217 細胞向骨環境遷移、侵襲，這對ZNF 217 陽性乳腺癌患者的治療具有潛在的價值[19]。

已有研究證實BMP-2 在體外可以刺激前列腺癌細胞的增殖，在體內可以刺激腫瘤生長和腫瘤的骨轉移。在此研究基礎上引入分泌型磷蛋白24 kD（se creted phosphoprotein 24 kD，Spp 24）后，發現Spp 24對BMP2 誘導的骨破壞有抑制作用，表明Spp 24 在前列腺癌及其骨轉移的治療方面可能有很大的潛力[20]。為研究BMP-7 在小細胞肺癌中的表達情況，通過建立肺癌動物模型檢測了正常骨組織和轉移瘤小鼠骨組織中BMP-7 的表達，結果顯示BMP-7 在骨病變中的表達明顯下降，說明BMP-7 能抑制小細胞肺癌細胞的增殖、遷移和侵襲，這為肺癌骨轉移的治療提供了研究方向[21]。

綜上所述，BMPs 及配體和受體可參與多種腫瘤的發展及轉移，在不同腫瘤中其表達的升高、減少及缺失對腫瘤的侵襲及轉移可起到抑制或者促進作用。

3 BMPs 與腫瘤的治療

BMPs 在腫瘤發生和發展中起關鍵作用，也日益成為腫瘤治療的熱點研究對象。BMP信號傳導是通過BMPs 與其受體結合而觸發，細胞外BMPs 拮抗劑的分泌及其與BMP 受體結合后可對BMP信號通路的傳導進行緊密的調控。BMPs 拮抗劑包括Noggin、Gremlin、Chordin-1、Chordin-2、Sostdc-1[22]。研究發現，沉默Sostdc-1可促進腫瘤生長，其可能是通過失活c-JNK信號抑制胃癌的進展[23]。研究報道發現Gremlin 1是間皮瘤潛在的治療靶點，其作用方式是Gremlin1 通過誘導間充質侵襲細胞表型的形成和增強的腫瘤血管形成，從而驅動間皮瘤的侵襲和轉移[24]。

多項研究表明，BMPs 在腫瘤中的高表達既有促進作用又有抑制作用，在一定條件下也可成為腫瘤治療的靶點。研究發現，低表達BMP-10 在肝癌中更具有侵襲性，該研究證實了高表達的BMP-10 在肝癌中的抑瘤作用，其途徑可能是BMP-10 通過受體蛋白酪氨酸磷酸酶sigma（receptor protein tyrosine phosphatase sigma，PTPRS）與STAT3 軸抑制肝癌進展[25]。在一項數據庫中發現，高表達的BMP-1 與腎臟透明細胞癌的進展有關，下調BMP-1可能為腎細胞癌患者提供一種新的治療方向[26]。

綜上所述，BMPs 及BMPs 的拮抗劑可參與腫瘤的形成，在不同腫瘤中作用特點及機制可能不同，并在一定程度上可為腫瘤的治療方面提供重要的治療靶點。

4 BMPs 與腫瘤的早期診斷及預后

從目前腫瘤發病學來看，腫瘤呈高發病率，且發病人群逐漸年輕化，多數患者發現腫瘤時已發生遠處轉移，臨床治愈率低，預后差。因此，發現一種腫瘤特異性標志物對腫瘤的早期診斷及進行有效的預防性干預而言有重要臨床意義。

已有研究報道BMPs 在許多腫瘤中存在高表達，有可能成為部分腫瘤診斷及預后的一個新標志物。一項實驗通過對數據庫中256例膀胱黏膜標本的序列比較分析，發現BMP-9 在淺表性和浸潤性膀胱癌細胞中的表達均高于正常膀胱黏膜；進一步在細胞水平中上調BMP-9 的表達可以促進膀胱癌細胞的增殖和遷移，下調BMP-9 的表達可以抑制細胞增殖和遷移，提示BMP-9可能成為膀胱癌早期診斷的標志物[27]。另一項研究還發現BMP-2 和BMP-7 在人體正常膀胱組織中高表達，而在腫瘤組織中表達顯著下調。BMP-2 和BMP-7 表達減少促使腫瘤更易復發，提示BMP-2 和BMP-7是腫瘤復發的潛在預后因子[28]。在一項肝癌生存分析中發現BMP-7 在肝癌中高表達，抑制BMP-7 的表達或可改善肝癌患者的術后生存狀況，提示BMP-7可成為肝癌患者預后的預測指標之一[29]。綜上所述，BMPs可成為腫瘤早期診斷的特異性標志物，其在腫瘤中的表達水平可能與腫瘤的預后相關。

5 展望

BMPs 與各種腫瘤的發生、發展及轉移有著密切的聯系，因其各種配體、信號分子、拮抗劑的結合使得BMP信號通路變得錯綜復雜。BMP 配體不同，其表達譜及生物活性也不同。因此，BMPs 對腫瘤形成與轉移的作用機制也不完全相同。到目前為止，研究者仍然沒有完全了解BMP信號是如何調節腫瘤的侵襲及轉移，其作用特點及機制仍有待進一步研究。從目前研究來看，BMPs 已為腫瘤的靶向治療提供了潛在研究方向，并且可成為部分腫瘤的早期診斷及預后的特異性標志物，對腫瘤的早期診斷及治療至關重要。有研究報道BMPs 拮抗劑及抑制劑已用于臨床腫瘤的治療，隨著生物分子靶向治療的發展，相信在不久的將來會研制出更多的新藥應用于腫瘤的治療。