BMP-9在肝臟疾病中的研究進展

張 娜 張 琦, 張雅娟 劉 靜

1 甘肅中醫藥大學,甘肅省蘭州市 730000; 2 甘肅省人民醫院老年病科

骨形態發生蛋白(Bone morphogenetic proteins, BMP)是轉化生長因子(TGF)-β超家族成員之一,是胚胎發生和出生后人體穩態的重要調節劑,它們的嚴格調控對胚胎發育的成功以及成體組織的內穩態十分重要。目前已經知道的就有18種不同的BMP同源分子,根據序列同源性和功能多樣性,BMP/生長分化因子(GDF)亞家族可進一步細分為BMP2/4、BMP5/6/7/8、BMP9/BMP10、GDF1/3、GDF5/6/7、GDF8/11、GDF9/BMP15和GDF10/BMP3[1]。雖然,它們與TGF-β超家族的其他一些成員有著基本的相似之處,但BMP功能的多樣性導致了它信號功能調節水平的復雜。BMP作為一種分泌蛋白,與多條信號通路有關,BMP通路或其調節出現問題是不同器官許多疾病的基礎。包括肥胖、糖尿病、各種血管疾病、癌癥以及相關的并發癥。它功能的多樣性遠遠超過TGF家族的其他成員[2]。

1 骨形態發生蛋白9 (BMP-9)

BMP-9是BMP家族中的一員,最初從小鼠肝臟cDNA文庫中克隆而來,在大鼠肝臟中主要由非實質細胞表達[3]。它是一種強大的骨形成促進劑。新的證據表明,BMP-9可能在代謝綜合征中發揮關鍵作用[4]。BMP通過與跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體結合來傳遞信號,該受體由兩種亞型組成:亞型Ⅰ(ALK1、ALK2、ALK3或ALK6)和亞型Ⅱ(BMPRⅡ、ActRⅡA或ActRⅡB)[5]。BMP-9與ALK1的結合具有比與ALK2高得多的親和力。這些BMP-9受體復合物激活下游典型信號通路R-Smads(Smad1、5或8)和非典型通路(MAPKs、 Wnt等)來調節BMP -9靶基因的表達[6]。綜上所述,BMP-9通過這些通路調控著機體的許多過程。但是,BMP-9在小鼠肝臟中的總體代謝調節是如何通過這些復雜的信號通路發揮作用的尚不完全清楚。

2 非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪性肝病(Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)是世界上最常見的慢性肝病。隨著糖尿病的流行,其患病率也在逐步上升。流行病學顯示,70%的2型糖尿病患者存在NAFLD。NAFLD和2型糖尿病(T2DM)之間的相互損害關系已經得到了充分的證實[7]。最近的證據表明,T2DM是NAFLD的獨立危險因素[8]。脂肪肝可發展為非酒精性脂肪性肝炎(Non-alcoholic steatohepatitis,NASH),有時可導致肝硬化及其并發癥,包括肝細胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)[9]。這種多因素疾病可由不健康的生活方式、肥胖、血脂異常、2型糖尿病和(或)其他代謝綜合征引起[8]。

BMP-9已經被證明可以改善糖尿病小鼠的葡萄糖穩態[10]。BMP-9可通過抑制肝臟糖異生,增加肌肉組織對葡萄糖的攝取和利用。已經證實BMP-9與胰島素一樣,可以改善糖尿病小鼠的血糖,并調節肝細胞的定向糖代謝[2]。我們推測BMP-9可能對糖脂代謝有有益的影響。

BMP-9在多種組織中均有表達,但主要在肝臟中表達。因此,筆者首先檢測了胰島素抵抗(Insulin resistance,IR)小鼠和人的肝臟中BMP-9的表達,發現在IR小鼠和T2DM患者的肝臟中BMP-9的表達明顯降低。與之前的報道一致,T2DM患者的循環BMP-9水平及其在肌肉和脂肪組織中的表達明顯降低[11]。筆者推測BMP-9可能參與糖脂代謝,以及IR。然而,BMP-9在IR中的作用仍不清楚。一項研究表明[10],用抗BMP-9抗體治療空腹大鼠可誘導葡萄糖耐受不良和IR。研究人員還發現,在喂食高脂肪飲食(HFD)的小鼠中,肝臟BMP-9的過表達改善了葡萄糖耐量和IR。腺病毒BMP-9處理的小鼠肝臟和葡萄糖胺處理的肝細胞中,糖異生基因表達下調,而胰島素信號分子磷酸化水平升高。BMP-9除抑制糖異生外,有研究[12]還通過改變關鍵酶——蘋果酸酶(ME)和脂肪酸合酶(FAS)的表達,證實BMP-9對脂類代謝有影響。動物研究表明[2],BMP-9通過增加成纖維細胞生長因子21 (FGF21)的表達降低血清中谷丙轉氨酶(ALT)和膽固醇水平。FGF21主要由肝細胞釋放,可誘導白色脂肪組織中的脂肪酸氧化,抑制肝臟中的成脂基因,減少甘油三酯的積累。總的來說,研究已經證明了BMP-9在葡萄糖穩態中的積極的作用,有望成為治療NAFLD的新靶點。

3 肝臟纖維化

肝纖維化是指各種致病因素引起的肝臟炎癥和損傷的代償性反應,與肝臟疾病的進展有關[14]。在世界范圍內,肝纖維化的發病率和死亡率較高,其特點是細胞外基質(Extracellular matrix,ECM)的漸進性積累,破壞了肝臟的生理結構。在肝纖維化過程中肝星狀細胞(Hepatic stellate cells, HSCs)的活化起著至關重要的作用[14]。病理情況下,被激活的肝星狀細胞向著肌成纖維細胞轉分化,肌成纖維細胞生成大量的膠原導致纖維化形成。嚴重的纖維化可導致肝硬化、門脈高壓,甚至癌變。迄今為止,多項研究證明肝纖維化的進展受多種信號通路的調節,包括TGFβ、BMP和Smad[15]。

BMP-9是肝纖維化發生過程中重要的細胞因子,肝纖維形成過程中的第一個事件是LSECs失去其特定的表型。它們關閉細胞間隙,失去窗口進而導致肝竇毛細管化。研究發現,人LSECs中BMP-9通過下調lyve-1和上調基膜蛋白誘導肝竇毛細血管化[6]。研究小組還發現,健康的大鼠LSECs能保持星狀細胞靜止表型,而毛細血管化的LSECs失去了這種作用。與這發現一致的是,有學者對肝纖維化患者的活檢進行分析,結果顯示,較高的BMP-9水平伴隨著晚期肝纖維化。同樣,在小鼠模型中,重組BMP-9過表達加速了肝纖維化,腺病毒介導的BMP-9敲除減弱了肝纖維化[16]。ALK1是肝臟非實質細胞中主要的BMP-9受體,配體激活的ALK1通過Smad1通路激活靶基因Id1,從而誘導造血干細胞分化為成纖維細胞,成纖維細胞產生ECM蛋白。ECM的過度產生沉積導致肝臟纖維化[17]。抗菌肽(hepcidin),BMP-9肝臟中另一個重要的靶基因,是一種富含半胱氨酸的抗菌多肽。hepcidin的一個顯著作用是抑制鐵的吸收和循環。在臨床中,鐵沉積伴隨著各種晚期疾病引起的肝纖維化和肝硬化。一項研究[18]采用血卟啉Hjv- /-小鼠模型研究鐵超載對肝纖維化的影響,發現Hjv基因的缺失會導致鐵離子沉積,從而促進肝纖維化。我們推測,肝臟中的鐵沉積可能是由于hepcidin的減少而發生的,而BMP9可上調hepcidin表達。這與BMP-9在肝纖維化中的作用相反。此外,有研究表明[19],BMP-9不能直接激活星狀細胞。BMP-9介導的星狀細胞活化可能是不同非實質肝細胞類型(LSEC、KC、星狀細胞和其他成纖維細胞亞型)之間相互作用的結果。綜上所述,BMP-9既可以是促纖維生成因子,也可以是抗纖維生成因子。筆者推測,肝臟微環境的不同可能導致BMP-9所發揮的功能不同。BMP-9可以作為一個有效的生物標志物和潛在治療肝細胞纖維化藥物的靶點。

4 肝細胞癌

肝細胞癌,是最常見的肝臟癌癥,侵襲性強,是一種高血管性的實體腫瘤,慢性肝病或肝硬化的患者是肝癌的高發人群[20]。在世界范圍內,HCC發病率較高,是癌癥死亡的第三大原因。目前的治療方法包括化療、射頻消融和手術切除,栓塞僅在肝癌的早期應用,療效有限[21]。盡管有大量的科學研究,但肝癌的復發率仍然很高,經常規治療后還是有大約70%的患者會復發[22]。肝癌除了可以在肝臟外轉移它還能夠在肝內轉移,導致肝癌的預后較差。上皮—間充質轉化(Epithelial-mesenchymal transition, EMT)的特征是上皮細胞的分化特征消失,在疾病進展的不同階段發揮著核心作用[23]。TGF-β被認為是癌細胞中EMT表型的關鍵誘導因子,在癌癥發生過程中有著雙重作用:一方面,在正常和惡性前細胞中,TGF-β是一種細胞抑制因子、促凋亡因子。另一方面,在癌細胞中,TGF-β導致細胞去分化,EMT和轉移[24]。

BMP-9在不同腫瘤的進展中發揮著不同的作用,但其在HCC中的作用尚不清楚。研究人員對人HCC組織樣本的表達進行分析,結果顯示,BMP-9表達水平與腫瘤分期呈正相關;此外,體外實驗證明,在HCC細胞中BMP-9可以增強細胞遷移并誘導上皮間質轉化[25]。因此,筆者確定BMP-9是HCC中一個新的EMT誘導因子。與之相反的是,有研究表明[26],從正常肝臟到各種癌前病變和在HCC中BMP-9的表達呈線性下降趨勢,其主要下游靶點ID1的表達也減少,因此研究人員推測,BMP-9在HCC中可能具有腫瘤抑制作用。因為HCC是典型的高血管性惡性腫瘤,血管新生被認為是HCC發展過程中腫瘤微環境形成的關鍵因素。在血管生成刺激因子中,VEGFA是中心,而VEGFA是HIF-1α的直接靶點。Chen H等[27]發現,在肝細胞癌組織標本的分析中,HIF-1α表達與BMP-9表達呈正相關。此外,他們還證實了重組BMP-9過表達,誘導了肝癌細胞ID1和HIF-1α/VEGFA的表達。這些結果提示BMP-9參與了HCC血管生成。靶向BMP-9信號的治療或許可以為HCC提供一種新的治療選擇。盡管關于BMP與腫瘤的科學研究數不勝數,但我們目前對BMP在癌癥中的作用機制了解還遠遠不清楚。還沒有足夠的體外和體內數據來得出確切的結論[28]。

5 小結

BMP-9是一個多功能調節因子,迄今已被證明可以控制鐵穩態,調節內皮細胞血管生成。BMP-9主要在肝臟中表達,因此,BMP-9可能參與肝臟疾病的發生發展,本文中筆者總結了BMP-9及其信號通路在非酒精性脂肪肝、肝纖維化和肝細胞癌中的作用,發現BMP-9在不同條件下發揮著不同的作用,推測BMP-9的作用可能跟微環境有關。但目前對BMP在肝臟疾病中的作用機制了解還不夠清楚,沒有足夠數據來得出準確的結論,需要進一步的實驗來研究BMP-9在肝臟疾病中的作用。