骨形态生成蛋白在肿瘤中作用的研究进展

吴娜威 吴发明▲ 刘朝奇 金锦莲

1.三峡大学第三临床医学院 国药葛洲坝中心医院消化内科，湖北宜昌 443002；2.三峡大学肿瘤微环境与免疫治疗湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002

骨形态生成蛋白（bonemorphogeneticproteins，BMPs）在胚胎发育、细胞分化、增殖和体内各类细胞凋亡等过程中发挥着重要作用。BMPs是一种由原结构域、信号肽和含有高度保守的半胱氨酸残基末端的结构域组成的分泌蛋白，其主要通过形成胱氨酸结而参与蛋白质的三级和四级折叠[1]。在脊椎动物和无脊椎动物中都发现了BMPs，但其最初是作为诱导异位骨形成的蛋白质被发现的[2]。目前，研究发现BMPs 的作用不仅局限于胚胎发育，而且更重要的是参与了肿瘤的发生、发展及肿瘤的转移。

1 BMPs 的生物学特性

BMPs 细胞膜上的BMPs 受体（BMPR）是一类丝氨酸/苏氨酸激酶受体，可分为Ⅰ型受体和Ⅱ型受体。BMPs 有三种Ⅱ型受体，包括哺乳动物的BMP Ⅱ型受体（BMPR Ⅱ）、激活素ⅡA型受体（ActR Ⅱ）和激活素ⅡB型受体（ActR ⅡB）；BMP-s 的Ⅰ型受体有7种，大多数是激活素受体样激酶（activin receptor-like kinase，ALK），其中ALK-1、ALK-2、ALK-3 和ALK-6在BMP信号传导通路中起主要作用[3]。BMPs 至少包括20 多个成员，根据其结构的同源性，BMPs 配体可进一步分为几个亚群，如BMP-2/-4 亚群、BMP-5/-6/-7/-8 亚群、BMP-9/-10 亚群和BMP-12/-13/-14 亚群。BMPs家族成员中，只有BMP-1 具有金属蛋白酶结构[4]。

BMPs 主要通过Smad 依赖的和非Smad 依赖的信号通路发挥生物学作用。BMP信号通路的经典途径是Ⅰ型受体激活后可使受体调节的Smads（RSmads）磷酸化，其中Smad 1、Smad 5 和Smad 8 被归类为BMP 途径特异性的R-Smads。R-Smads 活化后在细胞质内与Smad 4 结合进入到细胞核中，在细胞核内，Smad 复合物在其他DNA 结合蛋白的参与下共同作用于靶基因[5]。BMPs 还可以激活Smad 非依赖的信号通路，如丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MA-PKs）、磷酸肌醇-3 激酶（phosphoinositol-3 kinase，PI3K）、c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、Akt 等[6]。这些非Smad依赖途径与Smad 依赖途径可相互协同以调节各种细胞的反应。

2 BMPs 与肿瘤的关系

2.1 BMPs 与骨肿瘤的关系

骨肉瘤（osteosarcoma，OS）是骨组织中最常见的原发性恶性肿瘤之一，恶性程度高，预后差，多见于青少年。目前，本病主要以手术截肢和辅助化疗为主，其5年生存率仅为60%～70%[7]。近年来，BMPs 在骨肉瘤中的作用引起了研究者的密切关注。最近的一项实验发现BMP-2 具有增强肿瘤细胞的体外迁移和侵袭力的能力。通过建立动物模型进一步发现BMP-2可显著促进肿瘤生长，并发现其机制可能是通过BMPWnt/β-连环蛋白（β-catenin）信号通路促进骨肉瘤的生长[8]。还有研究报道，BMP-2 在人体骨肉瘤组织中呈高表达，microRNA（miR）-29c 在人体骨肉瘤组织中呈低表达，在细胞水平上干扰BMP-2 的表达和miR-29c 的过表达，可以抑制骨肉瘤细胞的增殖和侵袭。该研究证实，BMP-2 和miR-29c可能参与调控骨肉瘤细胞的增殖和转移[9]。研究发现，变异体1A（variants 1A，Uev1A）与泛素E3 连接酶Smurf 1 共同参与的情况下，以不依赖泛素结合酶13 的方式促进Smad 1的降解及骨肉瘤生长[10]，证明Uev1A是一种新的OS抑制因子，提示Uev1A 能抑制OS 相关癌基因，降低干细胞特性，增强OS 细胞对化疗的敏感性。

已有研究发现，在人体软骨肉瘤组织中发现转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）和BMPs信号呈高度活跃状态，并且首次揭示了父系表达基因10（paternally expressed gene 10，PEG 10）在软骨肉瘤细胞系中和人体标本中表达增加的情况，并进一步发现PEG 10 受TGF-β信号的下调，而PEG 10反过来干扰TGF-β/BMP-Smad 通路，其之间是相互作用的。另外一项体外实验再次证明了PEG 10 在软骨肉瘤细胞中具有促进细胞生长和阻止细胞迁移和侵袭的双重作用，其机制是通过TGF-β-AKT 和BMP-p38-AKT信号通路抑制细胞迁移和侵袭，更进一步表明PEG 10可能是控制软骨肉瘤进展中的更特异的分子靶点[11-12]。

2.2 BMPs 与上皮性肿瘤的关系

上皮性肿瘤称为“癌”。有些研究者认为上皮-间充质转化（epithelial mesenchymal transformation，EMT）是上皮细胞恶变的早期阶段[13]。EMT的定义是上皮细胞失去细胞极性及细胞间黏附的能力，从而获得了间充质细胞的特性，增强其细胞迁徙及侵袭的能力。EMT 现象的主要特征是上皮标志物E-钙粘蛋白的丢失和不同的间质标志物，如N-钙粘蛋白、波形蛋白、Slug 和Snail 等的增加。

此前已有多项研究表明，BMP 不仅参与器官和组织的发育，甚至是肿瘤过程中的分化、细胞增殖和上皮-间充质的转化。在口腔癌中发现BMP-2可使EMT 标志物N-钙粘蛋白、Snail 的表达发生变化，从而增强肿瘤的迁徙及侵袭[14]。另外，Martínez 等[15]的实验显示BMP-4 在膀胱癌晚期和未分化肿瘤中的表达增加，且EMT 激活剂锌指蛋白结合同源盒家族（Zinc-finger E-box binding homeobox ZEB；ZEB 1 和ZEB 2）也随之升高。同样在甲状腺癌中观察到BMP-4 呈高表达，且BMP-4 表达量越高及肿瘤的侵袭性越强，说明EMT可能与BMP-4 共同作用下促进肿瘤的侵袭及转移[15-16]。

2.3 BMPs 与肿瘤性骨转移的关系

骨是乳腺癌、前列腺癌、小细胞肺癌等最常见的转移部位之一。研究报道，骨转移的发生主要是微环境中的癌细胞和各种成骨细胞、破骨细胞和基质细胞等相互作用的结果[17]。到目前为止，复杂的潜在转移机制仍不清楚。因此，发现导致肿瘤侵袭及转移的途径和转移的关键因素可能有助于研发新的治疗方法，从而减少与骨转移相关癌症的死亡率。

近期Liu 等[18]利用RNA 干扰技术等实验方法证实了乳腺癌细胞中BMPR1A基因敲除后可通过p38途径抑制核因子-κB（cyclophosphamide-κB，NF-κB）受体激活剂的产生，从而抑制肿瘤诱导的破骨细胞生成，证实BMPR1A可能是乳腺癌溶骨转移的靶点。一项研究发现，锌指蛋白217（Zinc-finger protein 217，ZNF 217）与乳腺癌骨转移有关，其是BMP 途径上游发现的一种新的功能性激活诱导物。该研究验证了BMP 通路是依赖ZNF 217 细胞向骨环境迁移、侵袭，这对ZNF 217 阳性乳腺癌患者的治疗具有潜在的价值[19]。

已有研究证实BMP-2 在体外可以刺激前列腺癌细胞的增殖，在体内可以刺激肿瘤生长和肿瘤的骨转移。在此研究基础上引入分泌型磷蛋白24 kD（se creted phosphoprotein 24 kD，Spp 24）后，发现Spp 24对BMP2 诱导的骨破坏有抑制作用，表明Spp 24 在前列腺癌及其骨转移的治疗方面可能有很大的潜力[20]。为研究BMP-7 在小细胞肺癌中的表达情况，通过建立肺癌动物模型检测了正常骨组织和转移瘤小鼠骨组织中BMP-7 的表达，结果显示BMP-7 在骨病变中的表达明显下降，说明BMP-7 能抑制小细胞肺癌细胞的增殖、迁移和侵袭，这为肺癌骨转移的治疗提供了研究方向[21]。

综上所述，BMPs 及配体和受体可参与多种肿瘤的发展及转移，在不同肿瘤中其表达的升高、减少及缺失对肿瘤的侵袭及转移可起到抑制或者促进作用。

3 BMPs 与肿瘤的治疗

BMPs 在肿瘤发生和发展中起关键作用，也日益成为肿瘤治疗的热点研究对象。BMP信号传导是通过BMPs 与其受体结合而触发，细胞外BMPs 拮抗剂的分泌及其与BMP 受体结合后可对BMP信号通路的传导进行紧密的调控。BMPs 拮抗剂包括Noggin、Gremlin、Chordin-1、Chordin-2、Sostdc-1[22]。研究发现，沉默Sostdc-1可促进肿瘤生长，其可能是通过失活c-JNK信号抑制胃癌的进展[23]。研究报道发现Gremlin 1是间皮瘤潜在的治疗靶点，其作用方式是Gremlin1 通过诱导间充质侵袭细胞表型的形成和增强的肿瘤血管形成，从而驱动间皮瘤的侵袭和转移[24]。

多项研究表明，BMPs 在肿瘤中的高表达既有促进作用又有抑制作用，在一定条件下也可成为肿瘤治疗的靶点。研究发现，低表达BMP-10 在肝癌中更具有侵袭性，该研究证实了高表达的BMP-10 在肝癌中的抑瘤作用，其途径可能是BMP-10 通过受体蛋白酪氨酸磷酸酶sigma（receptor protein tyrosine phosphatase sigma，PTPRS）与STAT3 轴抑制肝癌进展[25]。在一项数据库中发现，高表达的BMP-1 与肾脏透明细胞癌的进展有关，下调BMP-1可能为肾细胞癌患者提供一种新的治疗方向[26]。

综上所述，BMPs 及BMPs 的拮抗剂可参与肿瘤的形成，在不同肿瘤中作用特点及机制可能不同，并在一定程度上可为肿瘤的治疗方面提供重要的治疗靶点。

4 BMPs 与肿瘤的早期诊断及预后

从目前肿瘤发病学来看，肿瘤呈高发病率，且发病人群逐渐年轻化，多数患者发现肿瘤时已发生远处转移，临床治愈率低，预后差。因此，发现一种肿瘤特异性标志物对肿瘤的早期诊断及进行有效的预防性干预而言有重要临床意义。

已有研究报道BMPs 在许多肿瘤中存在高表达，有可能成为部分肿瘤诊断及预后的一个新标志物。一项实验通过对数据库中256例膀胱黏膜标本的序列比较分析，发现BMP-9 在浅表性和浸润性膀胱癌细胞中的表达均高于正常膀胱黏膜；进一步在细胞水平中上调BMP-9 的表达可以促进膀胱癌细胞的增殖和迁移，下调BMP-9 的表达可以抑制细胞增殖和迁移，提示BMP-9可能成为膀胱癌早期诊断的标志物[27]。另一项研究还发现BMP-2 和BMP-7 在人体正常膀胱组织中高表达，而在肿瘤组织中表达显著下调。BMP-2 和BMP-7 表达减少促使肿瘤更易复发，提示BMP-2 和BMP-7是肿瘤复发的潜在预后因子[28]。在一项肝癌生存分析中发现BMP-7 在肝癌中高表达，抑制BMP-7 的表达或可改善肝癌患者的术后生存状况，提示BMP-7可成为肝癌患者预后的预测指标之一[29]。综上所述，BMPs可成为肿瘤早期诊断的特异性标志物，其在肿瘤中的表达水平可能与肿瘤的预后相关。

5 展望

BMPs 与各种肿瘤的发生、发展及转移有着密切的联系，因其各种配体、信号分子、拮抗剂的结合使得BMP信号通路变得错综复杂。BMP 配体不同，其表达谱及生物活性也不同。因此，BMPs 对肿瘤形成与转移的作用机制也不完全相同。到目前为止，研究者仍然没有完全了解BMP信号是如何调节肿瘤的侵袭及转移，其作用特点及机制仍有待进一步研究。从目前研究来看，BMPs 已为肿瘤的靶向治疗提供了潜在研究方向，并且可成为部分肿瘤的早期诊断及预后的特异性标志物，对肿瘤的早期诊断及治疗至关重要。有研究报道BMPs 拮抗剂及抑制剂已用于临床肿瘤的治疗，随着生物分子靶向治疗的发展，相信在不久的将来会研制出更多的新药应用于肿瘤的治疗。