骨形态发生蛋白-1的研究进展

邹 聪 综述，常 新 审校

(大连医科大学 附属第二医院 口腔科，辽宁 大连 116027)

骨形态发生蛋白-1(BMP-1)，最初是从牛骨的成骨性浸出物中分离出来的，当时认为它与BMPs家族的其它成员一样具有骨诱导的活性，因此而得名。然而后来，对于它的大部分研究却显示BMP-1本身并没有诱导骨及软骨形成的能力。有关BMP-1的研究近年来受到许多专家和学者的关注，有了许多新的发现和进展。

1 BMP-1类家族及结构

BMP-1是一类金属蛋白酶，属于虾红素家族(astacin family)的成员。尽管它被命名为BMP-1，但它却是一个特例。它并不是TGF-β相关蛋白，从结构组成上来看，这类金属蛋白酶都由一个NH2-终末前区、一个类虾红素金属蛋白酶区域、几个数目不等的CUB(Complement-Uegf- BMP1 domain，CUB domain)区域和类EGF(epitheloid growth factor-like domain，EGF-like domain)区域组成[1]。

目前发现，BMP-1类成员主要由BMP1、TLD、mTLD、mTLL-1、mTLL-2等组成。BMP1是最先发现的一个，它由一个类虾红素金属蛋白酶区、三个CUB区、一个类EGF区域组成。不久之后，一种与果蝇胚胎背腹图示形成相关的基因产物Drosophila tolloid (TLD)被科学家所发现，TLD 与人的BMP-1有41%的结构和序列相似性。mTLD (mammalian tolloid)即哺乳动物tolloid 是这几种分子中蛋白序列最长的一种，它包含5个CUB区域和2个类EGF区。mTLL-1,mTLL-2(mammalian tolloid like-1,2)是两种BMP-1相关分子，它们并不是BMP-1基因编码，由于其在结构和功能上与BMP-1有很高的同源性，所以被归为BMP-1一类 。

前区(prodomains)必须经过SPCs(subtilisinlike proprotein convertases)的蛋白水解去除后，BMP-1才能充分发挥活性[2],可见前区并不是mTLD和TLD蛋白正确折叠、分泌及行使酶活性的必要结构[3]。

CUB区域具有调控蛋白与蛋白之间相互作用的功能。类EGF区域也被证明有类似作用。研究显示：CUB1区域与BMP1蛋白的分泌相关；CUB2区域与保护pCP(前胶原C端肽酶，procollagen C-proteinase)的活性相关[4]。然而并不是所有BMP-1类蛋白都依赖于这两个结构。Ge等[5]发现，mTLL1蛋白的分泌及pCP的活性就并不依赖于CUB和类EGF区域。

2 BMP-1类分子的生物学作用

许多蛋白首先以前体形式表达，然后通过蛋白酶解加工方式变为成熟的蛋白。BMP-1作为金属蛋白酶，便参与这一加工过程：其主要作用是对细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中的一些蛋白进行肽链的切割。这些蛋白包括：多种胶原、SLRPs(small leucine-rich proteoglycans)、SIBLING蛋白、赖氨酸氧化酶(the enzyme lysyl oxidase)等。

2.1 参与胶原的成熟

I～III型胶原是脊椎动物ECM的主要纤维组成部分。这三种胶原都首先以前胶原形式存在(具有NH2及COOH末端肽)。只有去除这些N端与C端的前肽，前胶原才能变成原胶原，后者再通过共价交联(covalent cross-links)方式成为稳定的成熟胶原。水解N端前肽的是ADAMTS-2(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs)及相关蛋白水解酶[6，7]。C端前肽则由BMP-1金属蛋白酶来切割，故BMP-1是一种前胶原C端肽酶(PCP)。BMP-1的切割位点在特定的丙氨酸或甘氨酸残基和一个天冬氨酸残基之间，是丙氨酸还是甘氨酸取决于前胶原链，而天冬氨酸是固定不变的[8]。

V 和XI型前胶原也可由BMP-1来加工处理。V 和XI型胶原与Ⅰ、Ⅱ型胶原共同合成生长纤维，前者还可调控此合成纤维的形状和直径。BMP-1加工V、XI型前胶原的过程比较复杂。V型胶原在组织中大都以α1(V)2α2(V) 的形式存在,但在少数细胞和组织中也可以α1(V)α2(V)α3(V)[9]及α1(V)3的形式存在。BMP-1并不切割前α1(V)链和前α3(V)链的C端前肽，但却对N端前肽有蛋白水解切割作用。SPCs则主要负责加工前α1(V)链和前α3(V)链的C端前肽[10,11]，而前α2(V)链的C端前肽还是由BMP-1来切割。Medeck和Pappano等[12，13]观察发现对于前α1(XI)链的加工也是这种方式。

2.2 加工处理小型富含亮氨酸蛋白聚糖 (small leucine-rich proteoglycans,SLRPs)

SLRPs具有可与Ⅰ型胶原纤维结合并调控该纤维的生成的作用。SLRPs根据序列同源性和蛋白结构不同可分为4类：①第1类包括decorin 和 biglycan；②第2类包括fibromodulin,lumican,keratocan,PRELP和osteoadherin；③第3类包括chondroadherin；④第4类包括epiphycan和osteoglycin[14]。经研究，SLRPs家族的第2、3类成员并不需要加工，只有第1和第4类成员是先以前体形式合成，随后在体内经过生物加工后变为成熟的蛋白聚糖的。biglycan,decorin和osteoglycin的N端前肽的切割位点在P1’区的天冬氨酸残基；epiphycan的生物活性加工位点在P1’区的谷氨酸[15]。研究显示，在体外BMP-1可有效的加工前体biglycan和osteoglycin;然而对于BMP-1能否加工decorin及其他SLRPs成员还有待进一步研究。但已能推断的是如果前体decorin和前体biglycan均由同一种蛋白水解酶(比如BMP-1)加工的话,那方式一定是不同的。Biglycan和Decorin都广泛存在于骨组织的ECMs和结缔组织中，Decorin基因Dcn的靶向断裂可导致皮肤的脆弱和松弛。Biglycan基因Bgn断裂会造成骨骼生长速度和骨量的减少，继而导致泛发型的骨质疏松[16]。Bgn的缺失可影响到富含Ⅰ型胶原纤维的组织，如在骨、骨腱、真皮等富含Ⅰ型胶原纤维的组织中可发现有杂乱变形的胶原纤维存在[17]。提示Biglycan有促进胶原纤维生成的作用。而有报道称，decorin 和osteoglycin有明显降低微纤维生成的作用。因此，作为加工前体SLRPs的BMP-1对这些蛋白聚糖的功能有精确的调控作用[18]。

2.3 加工处理前体赖氨酸氧化酶(pro-Lysyl Oxidases)

赖氨酸氧化酶(LOXs)由成纤维细胞和平滑肌细胞等纤维生成细胞所分泌。LOXs可催化共价交联这一醛醇或醛胺缩合反应，使被BMP-1加工的前胶原成为稳定的成熟的纤维性胶原。赖氨酸氧化酶是先以酶原形式存在，只有去除其NH2-终末区域,它才能具有酶的活性、行使氧化酶的功能。许多实验都已证实：BMP-1可加工LOX原酶使之成为有活性的LOX[19]。在哺乳动物中LOX家族的成员包括：LOX酶、类LOX蛋白1-4(LOXL1-4)[20]。LOX和LOXL1在很多组织中都有表达且二者的表达有重叠性。相比较而言，LOXL2-4的表达就很局限，表达水平也很低。敲除LOX基因的小鼠在围产期即死亡，且伴有突发性血管动脉瘤破裂、隔膜断裂、弹性纤维断裂、胶原及弹性纤维交联减少等症状[21，22]。敲除LOXL1基因的小鼠虽然可以存活，但却伴有肺泡扩张、皮肤冗余、血管异常、弹性纤维(不包括胶原纤维)变形等症状[23]。可见，LOXL1的主要功能是引导弹力蛋白在特定区域沉积而LOX的主要作用是促进胶原及弹性蛋白的交联反应，从而使它们发挥正常的生物学作用。

2.4 对于SIBLING蛋白的加工

SIBLING(small integrinbinding ligand,N-linked glycoprotein)是一类ECM中非胶原类蛋白，包括骨桥蛋白(osteopontin，OPN),骨唾液蛋白(bone sialoprotein，BSP),牙本质基质蛋白1(dentin matrix protein 1，DMP1),基质细胞外磷蛋白(matrix extracellular phosphoprotein，MEPE),牙本质涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein，DSPP)等[24]。SIBLING类蛋白主要分布于骨和牙本质中。近年来，各国学者对于该家族的DMP1及DSPP的研究较多。Sreenath等[25]人研究发现，敲除DMP1及DSPP基因的小鼠会导致牙齿发育异常。 DSPP已被证实与人的牙本质II型发生不全症有关[26]。DMP1及DSPP也是需要被加工处理后才可以发挥活性的。现已证实BMP-1可切割DMP1，其切割位点位于Ser196和Asp197[27]。但对于BMP-1能否以相似方式加工DSPP还有待于进一步研究。

2.5 BMP-1对层粘连蛋白5(1aminin-5)的加工

层粘连蛋白5有很强的细胞粘附、迁移和扩散的能力。它由α3、β3、γ2 三条多肽链经过二硫键结合而组成。层粘连蛋白5 作为一个多功能蛋白，既可增加细胞活动性，又可促进细胞的粘附，这不同的功能取决于其不同的分子结构。当层粘连蛋白5的α3 链未经酶切处理时，其能增加细胞的活动性，此时的层粘连蛋白不能引导半粒体的聚集。在α3链经酶切处理后，富含层粘连蛋白5的基质开始促进半粒体的聚集，减少细胞的活动。α3 链经酶切处理前后对层粘连蛋白5功能的调节在伤口愈合和组织改建过程中也起重要作用[28]。层粘连蛋白5的γ2 链被酶裂解后。层粘连蛋白5又会起到增加细胞的活动性，促进细胞的迁移的作用[29]。而科学家们已经证实BMP-1可切割层粘连蛋白5的α3 链和γ2 链[30]，是层粘连蛋白5能正常发挥功能的必不可少的金属蛋白酶。

3 BMP-1/chordin/BMPs机制

如前所述，BMP-1并没有诱导异位成骨的作用，也并不是TGF-β家族的成员，但它却与BMPs的作用相关联。BMPs参与多个组织，如中枢神经系统、骨骼、心脏、肾脏等的形成和发育。BMPs需要通过信号传导系统(主要是smad通路)来发挥这些生物学作用。即:BMP通过先后结合并活化细胞膜表面Ⅱ型受体(BMP-RⅡ)和I型受体(BMP-R1)，进而激活Smad蛋白细胞内信号传导通路，最终诱导细胞核内的靶基因转录及蛋白表达。以BMP-2为例，当BMP-2与BMPR-II和BMPR-I复合物结合后，BMPR-II被激活，激活的BMPR-II使BMPR-I的GS区域磷酸化，从而使BMP-RI活化，活化后的BMP-RI作用于下游的Smad1、5、8。激活后的Smad与Smad4结合并转位至细胞核内与不同的DNA连接蛋白结合，引起下游BMP相关的基因转录，从而调控细胞的分化。Smad6及Smad7对TGF-β及BMP的信息传递有着调控作用，Smad6或Smad7可以与受体直接结合而抑制Smadl、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8的活化[31]。

在BMP的信号传导过程中，存在着一些细胞外抑制剂对BMP的功能起拮抗作用，如noggin、chordin、follistatin和DAN家族等。其中，chordin蛋白，包含四个富含半胱氨酸cysteine-rich (CR)区，每个区域各有70个氨基酸，这些区域(尤其是CR1,CR3 )决定着chordin 的功能和结合BMPs的能力[32]。chordin在果蝇属(drosophila)中的同源体是short gastmlation(Sog)。

chordin作为一种细胞外拮抗剂，通过与BMPs(主要是BMP-2,4)等结合来抑制BMPs与自身受体的作用 。经研究证实，BMP-1金属蛋白酶可把chordin从与BMP相结合的复合物中裂解出来，从而促进了BMP的信号转导[33]。有研究者在对果蝇属的研究中，通过瞬时转染分析技术发现：TLD可切割SOG，而切割过程受DPP(BMP-4的同源体)的刺激；TLD可作用于SOG/DPP复合物，裂解SOG，从而通过把DPP从抑制性的复合物中释放出来，间接性的调控DPP的活动。

BMP-1/chordin/BMPs的这种相互作用机制对于胚胎背腹图式的形成(dorsoventral patterning)有着至关重要的作用。胚胎发育过程中，背腹轴的结构形成和细胞分化是由梯度浓度分布的BMP(dpp)所诱发的。不同浓度的BMP(dpp)诱导分化出不同的细胞类型，因而在同一体轴上形成了背腹两侧的不同结构。而这个BMPs浓度梯度便是由BMP-1/chordin/BMPs的三者相互作用而形成的[34]。

4 展 望

BMP-l类分子是一类不可忽视的，具有多种功能的金属蛋白酶。它们在胚胎的体轴形成，以及胚胎及出生后甚至成年后的骨骼改建过程中都起到非常大的作用并具有很大的研究潜力。它们作用的实质是通过对ECM中的一些蛋白分子进行肽链的切割和加工，从而对一些重要的物质活动进行调控。鉴于BMP-1的作用，将来有望将其运用于促进TGF-β和BMPs等生长因子治疗骨缺损的方面以及对纤维化疾病的治疗。

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