BMP1基因在动物卵泡发生和胚胎发育中的表达规律及调控机制的研究进展
2015-04-09雷小灿李兰玉李志鹏崔奎青刘庆友石德顺
雷小灿 李兰玉 李志鹏 崔奎青 刘庆友 石德顺
(广西大学 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,南宁 530004)
BMP1基因在动物卵泡发生和胚胎发育中的表达规律及调控机制的研究进展
雷小灿 李兰玉 李志鹏 崔奎青 刘庆友 石德顺
(广西大学 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,南宁 530004)
骨形态发生蛋白1(BMP1)是一类属于虾红素家族的金属蛋白酶,它在细胞外基质的形成以及调控TGFβ信号通路的过程中发挥重要作用。BMP1基因在动物卵泡发育过程中具有不同程度表达,并以某种形式参与了动物胚胎的发生和发育过程。开展对BMP1基因的研究将有助于人们从基因角度进一步阐明动物卵泡的形成和胚胎发育的机制,对医学和畜牧业等领域将产生积极的影响。着重从BMP1基因在动物胚胎发育过程中的表达定位、功能及其机制进行综述。
BMP1;卵泡发生;胚胎发育;表达规律;机制
骨形态发生蛋白1(BMP1)最早从牛成骨性浸出物中分离出来一类属于虾红素家族的金属蛋白酶[1],因其与BMPs家族的其他成员一样具有骨诱导活性而得名[2]。与属于TGF-β家族的BMP2-7基因不同,BMP1具有独特的蛋白结构域,包括了一个虾红素家族金属蛋白酶的保守蛋白酶区,BMP-1 类成员主要由BMP1、TLD、mTLD、mTLL-1和mTLL-2 等组成[3]。BMP1基因缺失和突变会造成小鼠、人、斑马鱼等动物骨骼的成骨不全症[4-7],条件性敲除BMP1和TLL1基因小鼠表现出成骨不全症所特有的骨骼显著变弱和变脆的特征,并伴有骨质软化,骨密质疏松,骨细胞成熟缺陷以及骨细胞标志物硬骨素表达的显著下降[4]。在骨质脆弱的人类和斑马鱼中,BMP1信号肽区存在纯合子突变,导致其分泌功能和翻译后修饰的状态被改变,导致机体无法生成成熟的胶原纤维,造成人类和斑马鱼骨密度增高和多发性骨折现象[5]。此外,病人错义突变的BMP1可以造成人类的成骨不全症[6]。
前期研究主要集中于BMP1基因在骨骼发育方面的作用,有报道显示BMP1在没有骨骼的早期胚胎发育过程中有不同程度的表达[8],且在卵泡发生和胚胎发育的过程中亦有表达,这暗示了BMP1基因表达对于调控动物卵泡发生可能具有重要作用[9]。本文将着重从BMP1基因动物卵子发生和胚胎发育中的表达规律、功能及其作用机制进行综述。
1 BMP1基因分子的结构
通过提取NCBI数据库中登记的各种不同物种的BMP1基因的序列,进行序列比对和蛋白质结构域分析,我们得知BMP1在多个物种都具有相似的蛋白质结构域。它们的结构域排列组成为:信号肽(Signal peptide)和前肽(Proregion)后紧接着金属蛋白酶区,以及数量不等的CUB区(Complement-Uegf-BMP-1 domain,CUB domain)和类EGF区(Epidermal growth factor-like domain,EGF-like domain),并且各结构域在氨基酸数量及其相似程度上极其相似或相近。通过序列比对,结果显示,BMP1基因在动物进化过程中保持着很高的保守特性,是一类属于虾红素家族的金属蛋白酶[1]。此外,生物信息学分析结果显示这些蛋白结构域的存在,与BMP1基因参与软骨凝集、细胞分化、脂类代谢、骨化形成和蛋白水解等生物学进程密不可分,并对BMP1基因和钙、锌离子结合及其所具备的细胞因子活性、生长因子活性、金属蛋白酶活性等功能的阐释提供重要理论依据。
2 BMP1基因在动物卵泡发生和胚胎发育中的表达规律和功能
Maéno[10]克隆了非洲爪蟾早期胚胎的BMP1基因发现,其与人BMP1基因有82%的氨基酸相似性,通过Northern Blot技术在囊胚和原肠胚时期检测到了3种大小不同的mRNA(长度分别为2.9、5.2和6.6 kb),以此推测,BMP1具有不同的选择性剪切体。本课题组的研究结果也表明,BMP1基因同样以不同剪切体的形式存在于胎水牛不同的器官组织中,这也暗示了BMP1基因在不同组织中发挥着不同的功能。之后,不同的研究学者通过各种方法对BMP1基因的表达规律进行了详细研究。BMP1基因在成年爪蟾的卵巢中呈高表达存在,从桑椹胚到蝌蚪时期其表达逐渐增加[10]。我国台湾学者对海胆BMP1基因进行了克隆表达定位研究[11],结果显示BMP1基因 mRNA和蛋白在囊胚期表达量最高,之后会有所下降。在鸡胚胎发育过程中从原肠胚开始有BMP1基因的表达,并持续性地表达于体节的形成过程中[12]。后来,Masafumi[13]克隆得到了小鼠的BMP1 基因的cDNA序列,并对其进行了分析,同样利用Northern Blot和原位杂交技术检测得知在胚胎发育过程中的早期原条时期和原肠胚时期都有表达。通过对绵羊卵泡中的BMP1基因的表达和活性进行研究发现,BMP1在绵羊早期胚胎和成年过程中都有表达,卵巢免疫组化定位结果表明在卵泡发育过程的各级卵泡的颗粒细胞中都有表达,但其活性随着卵泡生长而降低[14]。
在BMP1基因的功能研究方面,Suzuki等[15]通过特异性敲除小鼠BMP1编码虾红素蛋白酶的活性区域,发现在出生的小鼠脐带周围持续性的形成疝气,并造成出生后死亡。电子显微镜观察,在敲除BMP1基因的小鼠羊膜的细胞外基质内可以观察到有异常的胶原纤维。此外,通过构建BMP1和Tll1共同缺失的小鼠模型,结果表明两者缺失会造成胚胎死亡,体外研究表明BMP1基因可以解离键蛋白,参与调控BMP家族的信号通路[16]。有研究称,BMP1基因在促进背腹侧中胚层的分化过程中有重要作用,并首次提出BMP1可能参与调控TGF-β家族分子的作用[8,17]。
近年来,研究者对金属蛋白酶家族其他因子在动物卵子发生和胚胎发育中的表达规律和功能的研究却日益成为热点[18,19]。有研究表明,MMP14和MMP2 在人的卵泡发生的不同阶段卵泡中都有表达,且发现MMP2还存在于卵泡液中[20]。MMP1在鸡排卵后的卵泡中的表达明显高于排卵前,MMP3和MMP9的表达水平随着卵泡的成熟而逐渐增加,暗示了这些因子都是由不同发育阶段中卵泡颗粒细胞合成并分泌的[21]。此外,MMP对猪卵泡发育具有非常重要的作用[19],例如,MMP9在猪不同卵泡发育过程呈现高表达的情况,因此,MMP因子可能对卵泡组织的重组起重要的作用。然而,对于BMP1基因在动物卵子发生和胚胎发育中的表达规律和的研究却比较鲜见。有研究认为TGF-β超家族的BMP2、BMP4、BMP6、BMP7和BMP15等BMP基因都是调控卵泡生长发育的重要因子[22,23],BMP1基因又同与其他骨形态发生蛋白共提取纯化得出[2],那么BMP1是如何影响动物卵泡的发育的,这不得不引起研究学者的注意。
3 BMP1基因参与动物卵泡发生和胚胎发育可能的调控机制
3.1 BMP-1/chordin/BMPs的相互作用机制
在细胞外基质的形成过程中研究发现一些调控BMP-BMPR信号传导的分子,包括chordin、noggin、follistatin和DAN家族分子等。这些分子与BMPs高亲和,它们能与BMPs可逆结合,从而竞争性阻断配体和受体的结合以及后续的信号转导,因而被称为BMPs胞外抑制剂[24,25]。其中,chordin 蛋白,包含4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和CR3)决定着chordin 的功能和与BMPs的结合能力。chordin 作为一种细胞外拮抗剂,与BMPs配体结合,主要是BMP2、BMP4等从而抑制BMPs与受体结合进行信号转导的作用。研究表明,BMP1可以将chordin从CR1和CR2,CR3和CR4之间分别切开,将其从相结合的BMP配体复合物中解离出来,从而促进了BMPs基因的信号转导。在斑马鱼中,通过瞬时转染野生型的BMP1类蛋白TLD到COS细胞中,可以观察到chordin被解离,从而将BMP4从chordin复合物中释放出来[26]。将BMP1同源基因Xolloid转染293T细胞,结果Xolloid可以特异性的通过蛋白水解的方式解离chordin,且解离后的chordin没有活性,之后释放出有活性的BMP4/7[27]。在哺乳动物中,BMP1和mTll1 可以在体内或者体外解离chordin,但mTLDh和mTLL2没有这个功能。此外,研究表明,BMP1前肽而不成熟的BMP1,可以高特异性、高亲和力地结合BMP2/4,从而促进了信号通路的转导[28]和动物胚胎发育过程中的背腹模式的形成[9,28]。
3.2 BMP1基因激活GDF8和GDF11
所有的TGF-β超家族成员都是以一个前体蛋白的形式合成,必须在体内经过蛋白水解才能产生N端前肽和具备生物活性的与二硫键结合的C端二聚体。因此,没有经过水解的TGF-β超家族成员就无法发挥C端二聚体的生物活性。GDF8又名肌肉生长抑制素(Myostatin),属于TGF-β超家族,体外试验研究表明,将提纯的GDF8潜在复合体与纯化的BMP1共孵育,GDF8被裂解为两部分,并释放出有活性的C端二聚体,经过序列分析,裂解的位置处于75位精氨酸和76位天冬氨酸之间,显示了这些氨基酸残基对于蛋白水解起着关键作用[29]。GDF11是骨形态发生蛋白(BMPs)亚家族中的一种分泌型蛋白,在胚胎发育过程中起重要作用。另外,GDF11和GDF8在结构和功能上具有相似的生物学特征。GDF11参与诱导背侧轴中胚层组织,并以剂量依赖型在骨骼模式的建立与形成中具有重要作用,小鼠缺失GDF11表现为胸腰椎数目的增加。GDF11像GDF8一样,GDF11和原结构域形成一个非共价结合的潜在复合体,这种复合体亦是通过BMP1/TLD类金属蛋白酶裂解原结构域而被激活从而发挥相应的功能[30]。
3.3 BMP1基因与TGFβs
TGFβ1-3在调控细胞分化、凋亡、免疫应答、组织修复和细胞外基质形成过程中具有重要作用,尤其在动物卵泡发育的过程中起着重要的作用[31]。然而多数TGFβ以大型潜在复合体分泌,处于这种复合体中的TGFβs无活性。BMP1基因在体内外于两个特异性的位点处解离与TGFβ1潜在结合的蛋白(LTBP1),将大型潜在复合体(LLC)从细胞外基质中释放出来,并通过非BMP1类蛋白酶解离潜在关联肽(LAP),从而激活TGFβ1[32]。另外,有研究报道,外源性的TGFβ2可以促进人类小梁细胞BMP1的表达,并且可以诱导BMP1的分泌,且分泌的BMP1具有活性,可以有效地将LOX(赖氨酰氧化酶)的前体剪切成具有生物活性形式的LOX[33]。
3.4 BMP1基因和IGF-1
除了上述BMP1参与调控的机制外,BMP1还可以在一个单独的保守位点解离人和小鼠的胰岛素生长因子结合蛋白-3(IGFBP-3),IGFBP-3起着延长IGF-1半衰期的作用,并阻止IGF与受体的结合,可调整IGF对细胞的增殖、代谢和有丝分裂的作用[34]。有研究称IGF可以促进卵泡的生长[35]。BMP1可以在一个典型的金属蛋白酶底物位点上将催乳激素和生长激素加工成一个17 kD的具有血管生成活性的因子[36]。
3.5 BMP1基因参与调控颗粒细胞的增殖与凋亡
最近研究表明,基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinase,MMP)可以明显促进肺泡上皮细胞、血管平滑肌细胞的增殖[37,38]。我们研究发现通过体外培养水牛颗粒细胞,在培养基中分别添加适量的BMP1基因重组蛋白和抗体,通过在mRNA水平和蛋白水平检测细胞凋亡的线粒体凋亡通路、死亡受体通路和内质网应激通路中的关键作用分子的表达变化水平,因而得知,通过添加BMP1重组蛋白,可以明显抑制促凋亡基因的表达并有效提高抗凋亡基因的表达水平,且有效促进颗粒细胞的增殖。然而通过添加抗体,得出了相反的作用效果。且添加BMP1基因重组蛋白可以明显促进颗粒细胞体外增殖。因此,BMP1基因能很好的调控颗粒细胞的增殖与凋亡,在动物的卵泡发生和后续胚胎发育过程中具有重要的作用。
4 结语
BMP1基因是一类具有多种功能的金属蛋白酶。其主要通过对ECM中的一些蛋白分子进行肽链的切割和加工而发挥作用,从而调控了细胞的生命活动。BMP1基因的前期研究主要集中在动物的骨骼发育,近期研究只对金属蛋白酶家族其他成员[20,21]如MMP2、MMP3和MMP9等因子在卵泡发生和胚胎发育过程中的表达规律进行了研究,推测BMP1基因亦可能通过调控BMPs信号通路、IGF等生长因子以及相关内分泌因子的途径参与了动物的卵泡发生过程,但究竟其功能如何、细胞转导信号机制如何,至今还不得而知,需进一步探索和研究。
近期研究表明,BMP1基因在胚胎的体轴形成,而且胚胎及在出生后甚至成年后的骨骼改建过程中都起非常大的作用,将来有望通过BMP1基因影响TGFβ和BMPs等生长因子的生物活性的发挥,进而分析BMP1基因调控动物卵母细胞自身和周围细胞(颗粒细胞、卵丘细胞)的生长、发育和分化的机制,以及其对腔前卵泡、小腔卵泡体外成熟的影响,为原始卵泡库的充分开发利用提供理论依据,对阐明大家畜卵泡发生的分子机理有深远意义。
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(责任编辑 狄艳红)
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Advance in the Expression Pattern and Regulatory Mechanism of BMP1 on Animals Folliculogenesis and Embryo Development
Lei Xiaocan Li Lanyu Li Zhipeng Cui Kuiqing Liu Qingyou Shi Deshun
(State Key Laboratory of Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources,Guangxi University,Nanning 530004)
Bone morphogenetic protein 1(BMP1) is a kind of metalloproteinases belongs to the astacin family, its play an important role in the process of the formation of extracellular matrix and regulating TGFβ signaling pathways. BMP1 gene expressed in the follicular development with different expression levels, and involved in the embryogenesis and development of animal embryos in some way. The research on BMP1 gene may help people from genetic point of view to clarify the mechanisms of the formation follicular and embryo development, and then may have a positive impact on animal husbandry and other fields of medicine. This review will focus on BMP1 gene expression in the process of animal embryonic development orientation, function and its mechanism involved.
bone morphogenetic protein 1;folliculogenesis;embryo development;expression;pattern mechanism
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.02.009
2014-06-27
国家转基因重大专项(2011ZX08007-003),国家高技术研究发展计划(863)项目(2011AA100607),广西研究生教育创新项目(YCBZ2014001)
雷小灿,男,博士研究生,研究方向:家畜卵泡发生的分子机制;E-mail:liulincun@163.com
刘庆友,男,研究员,博士生导师,研究方向:动物基因工程;E-mail:qyliu2002@126.com石德顺,男,研究员,博士生导师,研究方向:动物生物技术;E-mail:ardsshi@gxu.edu.cn