骨形态发生蛋白-7在糖尿病肾病发生发展中的作用

李晓伟，郭 晖

早在1965年，Urist[1]在脱矿化骨组织的骨基质中提取到一组可以异位诱导软骨及骨形成的细胞因子，该类因子为一组活性蛋白质，遂将其命名为骨形态发生蛋白(bone morphorgenetic protein，BMP)。25年后，Ozkaynak等[2]在牛成骨蛋白中提取出一种新蛋白，即成骨蛋白-1(osteogenetic protein 1，OP-1)，同年Celeste等[3]在实验中也提取出一种蛋白，将其命名为骨形态发生蛋白-7(bone morphorgenetic protein 7，BMP-7)，经过对OP-1与BMP-7氨基酸序列分析后证实二者为同一种蛋白。随着后人逐步对BMP-7认识的深入，发现BMP在胚胎期及成人期都具有重要的作用。它不仅在骨代谢具有极为重要的作用，如诱导成骨作用，促进成骨细胞的增殖分化，也可诱导软骨的分化，对于骨折后骨的再形成、预后、修复等极为关键，而且在肾脏疾病的发生、发展中也扮演重要的角色[4]。大量研究还证明BMP-7能够拮抗转化生长因子β(TGF-β)的促纤维化作用，从而保护脏器功能，如肾脏、肝脏等。本文主要就BMP-7在糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)发生、发展中起的作用综述如下。

1　BMP-7简介

1.1BMP-7的结构BMP-7属于TGF-β超家族中的一员，是一种分泌型多功能蛋白。该蛋白以其前体形式存在体内，即前体BMP。当C端在蛋白水解酶作用下被剪切加工后形成含139个氨基酸残基时称为成熟肽，每个有成熟活性的BMP-7分子都是一个分子量约为35 kDa、由二硫键连接成的同源或异源二聚体[3]。BMP分子羧基端都具有相同的7个半胱氨酸残基组成的特定区域，至今发现的BMP有15种及40种BMP相关蛋白。

1.2BMP-7受体(BMP7R)及种类TGF-β超家族所具有的生物学作用是通过与其相应的受体结合后的信号转导来实现的。BMP7R与机体其他的TGF-β分子受体一样分为2型，即Ⅰ型和Ⅱ型，具有跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶活性。Ⅰ型BMP7R包括ALK-2/ActRⅠ、ALK-3/BMPR-Ⅰa、ALK-6/BMPR-Ⅰb；Ⅱ型BMP7R包括ActRⅡa、ActRⅡb、BMPRⅡ。两种受体的差别在于Ⅰ型受体细胞内区的近膜部分含有高度保守的丝氨酸、甘氨酸(GS框)结构域，是活化的起始部位，而Ⅱ型受体则无此框[5]；另外，Ⅰ型受体决定了信号转导的特异性[6]：在体内，BMP-7与Ⅱ型受体结合后诱导Ⅰ型受体发生磷酸化，此时被激活的Ⅰ型受体作用于细胞内相应的Samds信号传递蛋白启动信号转导，发挥其相应的生物学效应。

1.3依赖Samds的BMP-7信号转导系统Samds是TGF-β家族信号细胞质内的信号转导通路，BMP-7与BMP7R结合后，通过Samds蛋白启动信号转导。Samds是由“Sam”和“Mad”两位科学家同时发现的，并分别将其命名为Sam蛋白和Mad蛋白，后人将2位科学家的名字合称为“Samds蛋白”[7]，现已分离得到Samd 1～8，并且每一种Samd都具有配体特异性。根据其结构和功能，Samds目前分为抑制型Samds(inhibitory samds，I-Samds)、共同调节型Samds(common-mediator Samds，Co-Samds)、受体激活型Smads(receptor-activated Samds，R-samds)[8]。I-Samds包括Samd 6和Samd 7，这两种蛋白与配体激活后的Ⅰ型受体结合，抑制受体对R-Samds的磷酸化，也就抑制了配体活性。Samd 6与Samd 7都可以与TGF-βⅠ型受体结合，二者差别在于Samd 6还可与ALK-6/BMPR-Ⅰb受体结合，I-Samd与R-Samd竞争结合Ⅰ型受体。当I-Samd与Ⅰ型受体结合时，转导抑制性信号，从而阻止受体对R-Samds的磷酸化，也就阻断了受体激活R-Samds，从而阻断了信号的转导，反之亦然。R-Samds包括Samd 1、2、3、5、8，Samd 1、5、8受BMP特异性激活，介导BMP信号转导，Samd 2、3介导TGF-β/苯丙酸诺龙信号转导。Co-Samds是指Samd 4与BMP7R结合后，再与R-Samds形成二聚体进入细胞内部调节目的基因的转录，Samd 4是人体内惟一的Co-Samds，也是TGF-β家族中信号转导共同需要的介质。

2　BMP-7/BMP7R/Samds信号传导在肾脏的表达变化

2.1BMP-7存在部位及其在肾脏发育中的作用DN是糖尿病微血管并发症之一，也是致死性肾病的第一或第二位原因，其发病率随着糖尿病发病率的增高而增高。2003年世界卫生组织(WHO)报道，DN在1型糖尿病患者中占30%～40%，2型糖尿病患者中约占25%。WHO预计，到2030年全世界糖尿病患者将达3.7亿，1/3的患者进展为DN。DN的病变特点是肾小球及肾间质细胞外基质(ECM)的过度增多和异常沉积、肾小球硬化及进展性肾小管间质纤维化。BMP-7在肾脏是一种内源性抗纤维化蛋白，在肾病发展过程中有着极为重要的保护作用，可以降低慢性肾脏疾病如DN TGF-β的表达[9]。敲除BMP-7相关基因的小鼠死于肾功能不全[10]，在Li等[11]构建的BMP-7缺乏的小鼠模型中，因肾脏发育障碍小鼠在1周内也都死于尿毒症。刘红等[12]应用山羊抗大鼠BMP-7抗体及兔抗大鼠TGF-β1抗体在应用链脲佐菌素(STZ)诱导的DN大鼠模型中发现，与对照组相比，BMP-7主要表达于肾小管上皮细胞的细胞质中，以远曲小管和集合管明显，而肾小球则无BMP-7表达；TGF-β1在肾小球及肾小管均有表达(P<0.05)。国外研究报道，应用免疫组织化学染色显示BMP-7主要表达于皮质区和髓质区肾小管，并且后者高于前者表达，在皮质区BMP-7主要在远曲小管细胞质中表达，肾小球足细胞偶有表达，在肾动脉外膜也呈阳性表达[13]。BMP-7在肾脏发育过程中发生间充质细胞-上皮细胞转化(mesenchymal-to-epithelial，MET)，即诱导间充质细胞向正常肾脏组织结构转化，最终分化形成肾小球和肾小管[14]。

2.2BMP-7/TGF-β1及BMP7R在DN中数量的变化国内外大量的实验研究证实在DN中BMP-7与TGF-β1都有数量上的变化，而也正是这种变化导致了ECM堆积、肾小球硬化、进展性肾小管间质纤维化等病理特征。文献报道，与正常大鼠的肾脏相比，DN动物模型中早期肾脏病变为ECM积聚，24周时肾小球系膜细胞也开始明显增生，并且随着ECM的逐渐增多，系膜区增宽，系膜基质进一步增多，使肾小球毛细血管基底膜弥漫增厚，血管腔逐渐闭合，最终出现肾小球硬化、肾小管间质纤维化的典型病变；同时，TGF-β mRNA在糖尿病大鼠中随着肾间质纤维化的加重，其表达明显增多[15]；另外，STZ诱导的DN大鼠肾脏从15周开始BMP-7及BMP7R表达量较正常大鼠减少，随着肾间质纤维化程度加重，BMP-7及其受体呈进行性下降，在第30周时BMP-7无阳性表达，BMP7R mRNA减少以Ⅰ型受体ALK-2/ActRⅠ和Ⅱ型受体BMPR Ⅱ为主，而BMP-7抑制物Gremlin的阳性表达却升高[13]。Zhang等[16]研究发现在STZ模型小鼠中，从第12周开始，DN小鼠肾脏Gremlin表达量是正常小鼠的1.5倍，同时伴有蛋白尿、血肌酐升高/肾脏肥大等DN典型病变，因此认为DN发生与BMP-7、BMP7R表达下降及Gremlin表达升高有关。Klahr[17]应用BMP-7治疗STZ诱导DN大鼠，发现接受BMP-7治疗的大鼠肾脏早期病变可逆转，如肾脏肥大部分逆转、肾小球滤过率(GFR)恢复、尿蛋白量减少，这也证明了BMP-7在肾脏病发展过程中的作用。

3　BMP-7及TGF-β1在DN发展中的作用

3.1BMP-7抗纤维化作用大量研究证明在肾脏表达的BMP-7与TGF-β1呈负相关，提示肾组织中BMP-7具有与TGF-β1相反的作用。有研究认为，BMP-7可以使肾小管的Erk1和Erk2迅速发生磷酸化，通过抑制Samd 2和Samd 3在细胞核内的转移阻断TGF-β的信号转导，使ECM合成减少降解增多，从而发挥抗纤维化作用[18]。另外，Wang等[19]也发现内源性BMP-7可通过抑制性Samds途径来抑制信号传递蛋白Samds的转导，阻断TGF-β的信号转导，从而抵消TGF-β的活性。Belecky-Adams等[20]证实了BMP-7与其受体结合可使Samd 6表达增加。不论是内源性还是外源性BMP-7，都可以通过各自途径发挥抗纤维化作用，这一点毋庸置疑。

3.2BMP-7逆转上皮细胞-间充质细胞转化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)EMT即肾脏上皮细胞受损后，受损的肾小管上皮细胞经EMT作用转化为成纤维细胞，进一步转变为肌成纤维细胞，过度产生ECM，导致肾脏纤维化。故EMT在肾纤维化发生、发展中起着重要的角色。研究显示，TGF-β1是诱导EMT的重要因子，在病理条件下可触发和完成EMT的全过程[21]。BMP-7可以逆转TGF-β1诱导的EMT，避免产生大量ECM，阻断肾组织纤维化的发生；另外，BMP-7还有诱导间充质细胞-上皮细胞转化(mesenchymal-to-epithelial transition，MET)的作用[4，14]，与EMT作用相反，可以重建肾小管上皮细胞，修复纤维化的肾脏，已经证实对实验动物的肾脏有保护作用。

3.3BMP-7抗炎、抗凋亡作用BMP-7可以抑制肾脏近曲小管促炎症因子的释放，如白介素(IL)-1、IL-6、IL-8、内皮缩血管肽 2(ET-2)、单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)、结缔组织生长因子等的表达，减少炎症细胞的浸润，使间质纤维化减轻，起到抗炎、保护肾组织的作用[22]。另外，在DN发展过程中，病理显示肾小球细胞凋亡与坏死并存，导致肾功能不全的发生。动物实验研究显示，BMP-7可以降低肾小球细胞的凋亡，从而在一定程度上逆转肾功能不全的发生[23]。

3.4BMP-7保护肾小球足突细胞Li等[24]研究发现DN小鼠不但出现肾小球肥大、系膜细胞及细胞基质增生，而且足突细胞的TGF-β1受体、基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinases，MMP-9)表达也升高，而足突细胞裂孔膜蛋白nephrin表达下降，提示足突细胞发生EMT，最终导致肾小球硬化、间质纤维化。另外，在高糖环境下，DN大鼠足突细胞的Notch-1蛋白的表达上调，也使裂孔膜蛋白nephrin表达降低，导致足细胞凋亡[25]。BMP-7是足突细胞的分化和生存因子，可减少高糖诱导的足突细胞损害[26]，BMP-7转基因的DN小鼠模型中，BMP-7可以防止足突细胞脱落，并恢复nephrin表达浓度；另外，BMP-7还可以通过Samd 1、5、8信号通路抑制系膜细胞的有丝分裂，改善由系膜增生引起的肾脏损害，从而抑制肾小球纤维化的发生，延缓DN的发展[27-28]。

4　小结

DN是多种因素共同作用的结果，其具体发病机制尚未完全阐明；但是，当BMP-7与TGF-β1的动态平衡打乱时，则加速了DN的发展速度；BMP-7减少和TGF-β1增加最终都会引起终末期肾病发生。研究显示BMP-7可以逆转肾脏纤维化的作用，这给我们提供了治疗DN的新思路。

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