骨形态发生蛋白-4与人类生殖的研究

易子琳 马天仲

【摘 要】 ：骨形态发生蛋白4（bone morphogenetic protein 4）是BMP家族的一员。1963年，美国的Marshall R.Urist从脱钙的骨基质提取物中首次分离出BMPs。骨形态发生蛋白能够同胚胎骨骼共同发生作用，从而形成蛋白质，能够在骨形成的多个阶段中产生作用，可贯穿全过程。除此之外，尤其是对中枢神经系统的发生。骨形态发生蛋白最终使骨细胞形成钙化骨组织，因此它被人们称为骨形态发生蛋白[1]。近年来随着研究的进一步深入，结果发现BMP4能调控人睾丸Sertoli细胞和卵巢的生理学功能，而且对于胚胎发育也至关重要。综上所述，BMP-4与人类的生殖能力息息相关，随着生殖医学的快速发展，对于生殖方面而言，BMP-4的研究价值更加受到重视，本文作者对此方面的相关研究进展作一综述。

【关键词】 骨形态发生蛋白4;作用机制;生殖能力;进展

Bone morphogenetic protein-4 and human reproduction

Yi Zilin1， Ma Tianzhong2

1.Guangdong Medical University， Zhanjiang， Guangdong 524000;

2.Guangdong Medical University Hospital， Zhanjiang， Guangdong 524000

[Abstract] Bone morphogenetic protein 4 is a member of the BMP family. In 1963， Marshall r. Urist of the United States separated the BMPs from the calcium extracellular matrix extract for the first time. BMP to proteins associated with embryonic bone formation， bone formation in all play a role in most of the stage， the morphogenesis in the early stages of beginning， until after birth. It also plays a key role in the central nervous system. Bone morphogenetic protein eventually causes the bone cells to form calcified bone tissue， so it is called[1]. In recent years， with the further research， it has been found that bmp-4 can regulate the physiological functions of human testicular Sertoli cells and ovaries， and is also crucial for embryonic development. Above all， BMP-4 is closely related to the human reproductive capacity， with the rapid development of reproductive medicine， BMP-4 in reproductive research value is becoming more and more attention and pay attention to， are in BMP-4 related research progress on human reproduction.

[Key words]Bone morphogenetic protein 4; Mechanism of action; Reproductive ability; Progress

1 骨形態发生蛋白4的基因、蛋白结构和表达

1.1 BMP-4基因结构

人BMP-4基因同苍蝇的dpp（decapentaple）是很相似的，因为都具有3个5′非编码外显子以及2个编码外显子。人BMP-4基因位于14号染色体上，转录单位包括4个外显子和3个内含子，整个基因跨越9.03kb基因组区。结果表明BMP-4基因可通过在转录过程中使用选择性启动子和剪切处理产生各种转录产物。各转录产物的表达水平和比例的变化可能影响细胞生长、分化、凋亡等生命活动。根据细胞类型，BMP4基因可以发挥不同的作用。后来，通过对生物信息学的分析，研究人员发现家畜动物如牛、绵羊和猪的BMP4基因的结构与人类相似，并且还具有多种转录组。一些新的转录形式在人类和小鼠研究中未被提及。这些转录本的出现将产生尚未找到其功能的新表达产物。

1.2 BMP-4蛋白结构

人类BMP-4结构上是一个高度保守的由116残基组成的蛋白质，是从408残基的前原蛋白质中翻译后切下。BMP-4作为BMPs家族的成员，其结构也具有7个保守的Cys。在7个Cys中，6个Cys形成分子内二硫键，另一个Cys形成分子间二硫键。多肽链由此连接形成二聚体结构。这种由3个半胱氨酸组成的分子内二硫键被称为半胱氨酸结（cysteine knot），是蛋白质的核心和主链。BMP4基因总的而言存在两种产物：1）成熟胎盘组织中表达，是402个氨基酸共同构成前体蛋白;2）骨肉瘤表达的BMP4，是408个氨基酸构成前体蛋白，其中氨基酸信号肽19个，每一个又含有273个氨基酸体。另外还有一个成熟片段是由氨基酸116个组成，与信号氨基末端的胎盘中表达的BMP-4比较，多了6个氨基酸。然而，两个活性片段都由116个羧基端氨基酸构成。

2 BMP-4作用机制及调控

2.1 受体

糖基化的BMP4在细胞外空间或细胞外基质中形成同型二聚体后，又会同摩羯和的受体复合物进行结合，复合物中又包括了BMPI型丝氨酸-苏氨酸激酶受体，并且该类型受体包括两种类型：BMP受体（BMPR）IA，又名活化素受体激酶3;BMPRI B又名也称活化素受体激酶6，Ⅱ型受体为BMPR Ⅱ，3种受体中又包括了两个较为典型的跨膜保守功能区：BMP同源性二N端细胞外配体结合结构域和C端细胞内源性激酶结构域，一般而言，BMP4与Ⅰ型受体具有更高的亲和力。

2.2 作用机制

作为分泌性配体，BMP4首先结合其跨膜丝氨酸-苏氨酸激酶II型受体（BMPR Ⅱ），然后与BMP I受体（BMPR I，ALK2，ALK3和ALK6）形成复合物。BMPR Ⅱ会促进BMPR I发生磷酸化。然后下游细胞质信号传导蛋白，包括Smad1，Smad5和Smad8。磷酸化的Smads与共同的效应Smad4形成复合物，Smad4不仅会转入到细胞核，对基因表达还会起到调节作用。BMP4有多个信号传导途径来发挥作用，例如诱导p38途径和细胞外信号传导激酶/丝裂原活化蛋白激酶途径.BMP4和Wnt/β-连环蛋白，Notch，Ca2+/钙调蛋白与激酶/信号转导和转录激活信号通路之间有相互作用。

2.3 BMP4信号转导的调控

BMP信号转导途径在细胞外以及细胞内的水平均会被调节。细胞外水平：BMP-4会受到chordin、noggin类的受结合蛋白调节，会抑制细胞活性，并阻碍形成功能性受体复合物;当受到蛋白酶tolloid调控之后，对活性BMP-4能够起到分解以及释放活性的作用，BMP-4也与细胞表面硫磺相关;钙调素对Smads而言，是一种抑制剂，TAK1则是BMP的信号诱导剂，受体酪氨酸激酶则能够抑制BMP信号。

在细胞内水平：BMP信号传导会由Smad6、Smad7进行负调控，影响细胞膜想细胞核传递信号;BAMBI也可调节BMP信号，因为其属于跨膜蛋白（能够与TGF-β家族受体产生作用），影响功能性受体复合物的形成，从而达到影响BMP转到的目的。BMP信号也受到泛肽-蛋白连接酶中Smurf家族成员的调节。靶蛋白又属于BMP受体，和细胞内信号转导级联的其他元素降解蛋白体或溶酶体。在细胞核水平，类似于Sno和Ski的转录抑制因子抑制，可以终止某些BMP靶基因的转录激活。另外，BMP信号级联也会被不相关配体和受体结合引起的细胞内分支位点和信号影响。钙调素对Smads而言，是一种抑制剂，TAK1则是BMP的信号诱导剂，受体酪氨酸激酶则能够抑制BMP信号。

3 BMP4对生殖的影响

3.1 BMP4与卵泡发育的关系

当体外加入BMP-4时，BMP-4有助于冷冻保存后人卵巢组织原始卵泡向初级卵泡的转化，能降低体外颗粒细胞孕酮的基础分泌，促进卵泡体外存活。原始卵泡的形成和发育直接影响雌性哺乳动物整个繁殖阶段可用卵泡的数量，是影响雌性生殖性能的重要方面。BMP-4可以提高卵泡刺激素诱导的雌二醇产生并抑制黄体酮的产生，BMP-4可能是卵泡生长和发育的重要因素[2]。

3.2 BMP4在胚胎发育中的作用

在胚胎发育中，BMP-4对胚胎干细胞具有调节作用，能够向内皮细胞进行分化，通过对内皮细胞管腔形成等进行刺激，达到稳定血管腔以及改善内皮细胞功能的目的[3]。从背主动脉壁及周围的间质BMP-4可诱导嵴细胞成为交感神经和肾上腺嗜铬细胞前体，肾上腺BMP4能够促进肾上腺嗜铬细胞成熟。BMP4对于胚胎发育的早期阶段而言，具有非常关键的作用，还可以调节内皮因子对卵黄囊造血发育过程。BMP4对胚胎发育的多个方面都会起到作用，例如：抑制肿瘤血管生长以及抑制肿瘤生长体积等。目前，在大鼠等實验中，已经证实BMP可促进中胚层造血组织进行分化。

3.3 BMP-4与干细胞分化

BMP-4可诱导BMSCs分化成生殖细胞。有学者用全骨髓培养获得小鼠BMCS（骨髓间充质干细胞），用不同浓度的BMP-4可以促进骨髓间充质干细胞来源生殖细胞表达不同发育阶段特异性基因，证实BMSCs可以在BMP-4的作用下诱导分化成生殖细胞[4]。

4 BMP4的临床应用前景和展望

BMP4对男性和女性的生殖功能有重要影响，它的表达影响卵细胞的活力和功能，精子的健康以及胚胎的正常发育。临床上，它可以用来评估个体生殖功能的浓度。制定个性化治疗计划以提供参考数据。其深入研究也可为不孕病因提供理论依据。这将有助于为辅助生殖医学领域的体外培养和生殖储存提供新思路[5]。

5 总结

原始卵泡的形成和发育直接影响雌性哺乳动物在整个生殖期的可用卵泡数目，并且是影响人类繁殖性能的重要方面[6]。随着人们对该领域的不断研究，骨形态发生蛋白在调节卵细胞发育中越来越重要。本文作者总结探讨了骨形态发生蛋白4和人类生殖的发展。随着现代科学的不断实践，人们会更加深入理解这种BMP4在未来医学科学的发展中具有的巨大作用和非常广阔的应用前景。

参考文献

[1] 张驰，周建设，秦楠，等.骨形态发生蛋白4与哺乳动物卵泡发育的研究进展[J].中国畜牧兽医，2010，37（03）：141-144.

[2] 叶娜，戚基萍，吴鹤.骨形态发生蛋白4的相关研究进展[J].医学综述，2017，03（23）：872-876.

[3] 张虎林，陈玉琴，愈诗源.骨形态蛋白4研究进展[J].解剖学杂志，2007，30（06）：810-813.

[4] Unsicker K，Huber K，Schober A，et al.Resolved and open issues in chromaffin cell development[J].Mech Dev，2013，130（6-8）：324-329.

[5] 杨辉，刘柏炎，蔡光先.BMP-4对神经系统发育和分化影响研究进展[J].医学研究杂志，2006，11（35）：11.

[6] 苏宁，李予，王文军，等.骨形态发生蛋白-4对人始基卵泡的作用[J].中山大学学报，2008，29（06）：676-679.