BMP信号通路在肺器官发育和肺疾病中的作用进展

陈利丹，张 超

骨形态发生蛋白质 （Bone Morphogenetic Proteins，BMPs）是一组生长因子，属于转化生长因子β（Transforming Growth Factorβ，TGF-B）超家族的一个大亚类［1］。BMP最初是通过诱导骨和软骨的形成而被发现的一组关键形态发生信号。到目前为止，已经在哺乳动物中鉴定出超过15个BMP。根据氨基酸序列的相似性可将BMPs分为包括BMP2/4、BMP5/6/7/8a/8b、BMP9/10 和 BMP12/13/14家族在内的四种亚类［2］。BMP信号通路的调控主要包括依赖Smad介导的经典BMP信号通路和不依赖Smad介导的非经典BMP信号通路。

1 BMP信号通路

在典型信号通路中，BMP受体可分为Ⅰ型和Ⅱ型受体。每种类型受体都具有亚型：Ⅰ型受体包括活化素受体样激酶（ALK-2）、BMPR-ⅠA（ALK-3）和BMPR-IB（ALK-6），Ⅱ型受体包括BMPⅡ型受体（Bmpr2）、A激活素Ⅱ型受体（ACTR Ⅱ）和激活素ⅡB型受体（ACTRⅡB）。在BMP信号转导过程中，Ⅰ型或Ⅱ型受体两者的传导功能是相辅相成的。只有当两种受体的二聚体结合形成异源四聚体复合物时，才与BMPs有较高的结合力。BMPs与细胞表面的Ⅱ型受体结合，激活其丝氨酸/苏氨酸激酶域的组成性活性，从而介导Ⅰ型受体胞内结构域的磷酸化，进而活化Ⅰ型受体激酶。被活化的Ⅰ型受体激酶促使下游底物蛋白即受体调节Smads（RSmads）磷酸化。参与BMP信号传导的R-Smads包括 Smad1、Smad5 和 Smad8（Smad1/5/8）。 磷酸化的R-Smads与共介体 Smad （co-smad）、smad4 结合形成复合物。其后，该复合物转移入细胞核，激活特异基因的转录。抑制性Smads（Ⅰ-Smads）包括Smad6和Smad7（Smad6/7），其作为自分泌关闭信号，参与信号通路的负向反馈。在正常生理条件下BMP分布在许多组织中，并通过与细胞外BMP拮抗剂（包括 Noggin、Chordin、Follistatin 和 Gremlin）的可逆相互作用调控多种生命活动［3-5］。

不依赖Smad介导的非经典BMP信号通路：即丝裂原激活蛋白激酶 （Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信号通路［6，7］。 该信号通路通过高度保守的三级激酶级联反应传递信号，MAPK激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK 激 酶（MAP kinase kinase，MKK）和 MAPK 均被包括在其中［8］。MAPK信号通路在细胞增殖、分化和应激等多种重要的生命活动中扮演着不可缺少的角色［9］。

图1 BMP信号通路示意图

2 BMP信号通路在肺器官发育过程中的作用

肺是陆生脊椎动物唯一的气体交换器官，与气管及相关的脉管系统组成的呼吸系统，对陆地生物是必不可少的。肺起源于前肠内胚层。小鼠的肺部发育从胚胎 9 d（E9.0）左右开始到产后14 d（P14）后结束。在E9.0时，甲状腺特异增强子结合蛋白（Nkx2.1）开始在前肠腹侧的内胚层细胞中表达。到E9.5时，这些上皮细胞的外翻形成了气管和两个肺芽。在E9.5-E12.5，气管与食管完成了分离。在E12.5-E16.5，两个肺芽经历一个高度调控的分支过程，形成一个有数千个末端分支的树状气道网络。在E16.5-E18.5，这些终末分支变窄并形成成簇的上皮囊状物，随后发育为肺泡，为出生时的呼吸做准备。在P0-P14时，肺泡逐渐完全成熟［10］。

目前已有不少证据表明肺的正常发育依赖于BMP浓度精确的动态变化。例如在小鼠的远端肺上皮细胞外，特异地表达BMP拮抗剂，如Gremlin或Noggin，抑制BMP的传导，导致转基因小鼠远端肺上皮细胞标志物，如SP-C，分布的区域较野生型小鼠缩小，近端标志物分布的区域扩大，如肝细胞核因子/叉头同源物 4（Hepatocyte Nuclear Factor/ForkheadHomologue 4，HFH-4）或克拉拉细胞标志物（Clara Cell10-kDa protein，CC10）［11，12］。 同时在小鼠的远端肺上皮细胞特异地失活BMPR-ⅠA（Alk3）导致小鼠肺的上皮细胞增殖降低、凋亡增加。到E18.5，其肺Ⅱ型上皮细胞较野生型小鼠的少，肺部分布大量充满液体，肺远端发育异常［13］。可见靶向抑制或中断肺远端上皮的BMP信号会导致远端芽的肺上皮细胞获得近端表型，远端上皮的发育受到严重损害，导致肺功能异常。然而，BMP信号的过度激活也会导致肺发育异常。在肺的远端上皮中特异性过表达Bmp4基因，导致转基因小鼠肺组织缩小，末端芽明显膨胀，出生时含有不支持正常肺功能的大充气囊，上皮细胞增殖受到抑制［14］，而靶向敲除BMP拮抗剂Follistatin，导致转基因小鼠肺发育出现多种异常，如气管松弛，囊状间隔增生，呼气末膨胀不全。添加的外源性BMP拮抗剂NOGGIN降低转基因小鼠的BMP信号传导活性，并在一定程度上改善由Follistatin缺失造成肺发育缺陷［15］。由此可知精确调控BMP浓度在肺发育过程中扮演着至关重要的角色。纤维母细胞生长因子10（Fibroblast growth factor10，FGF10） 可以促进肺的分支，在E11.5天的全肺离体培养实验中，邻近含有FGF10珠子区域的远端上皮细胞Bmp4活性最高。由此推测远端上皮芽中的Bmp4受邻近细胞FGF10浓度诱导和激活，拮抗FGF10的促芽作用，以确保肺发育的正常，维持肺正常功能的运转［16］。

3 BMP信号通路在成人肺疾病中的作用

3.1慢性阻塞性肺疾病慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一种包括慢性支气管炎和肺气肿在内的呼吸系统疾病，在全球范围内其发病率和病死率都非常高［17］，目前仍没有根治COPD的特效药面世。COPD特点是气流限制性进行且不完全可逆，与气道和肺部慢性炎症反应增强有关［18］。

气道上皮是一种由基底细胞 （Basal Cells，BCs）、中间柱状细胞、纤毛细胞和分泌细胞组成的假复层柱状上皮［19-21］，其中BCs是人类气道中的干细胞/祖细胞，具有自我增殖并分化为纤毛细胞和分泌细胞的能力。吸烟可以引起气道上皮的结构异常，例如BCs增生、黏液分泌过多和鳞状上皮化生。鳞状上皮化生是一种组织学上的损伤，其特征是由扁平鳞状细胞取代分化细胞群转化为复层上皮［22，23］。与健康非吸烟者相比，无症状吸烟者和慢性阻塞性肺疾病吸烟者的气道上皮细胞中，包括中间柱状细胞和纤毛细胞在内的细胞中BMP4表达显著上调，BC中BMP4受体BMPR-ⅠA增多。将外源性BMP4添加到不吸烟者正常BC细胞中培养，导致BCs数量显著减少，分化为正常黏液纤毛上皮的能力下降，并向鳞状上皮间充质转换。由此，可推测气道上皮中的中间柱状细胞和纤毛细胞中BMP4信号的过度表达可以造成BC的增殖和分化能力异常，进而促进由吸烟引起的气道上皮重塑［24］。

BMP6作为铁调素表达的内源性调节因子，能控制铁离子的输出，对铁离子稳态至关重要［25，26］。在COPD患者的巨噬细胞中铁离子吸收量越多，肺气肿的情况越严重，铁离子浓度的失调导致氧化应激，加剧患者的炎症程度［27］。在香烟暴露小鼠中，COPD程度越严重，BMP6的表达越低。在亚急性香烟暴露4周后，在野生型小鼠相比，Bmp6敲除小鼠肺组织的铁离子沉积量显著上升，肺部炎症情况更加严重［28］。香烟暴露引起的COPD原因之一可能是内源性BMP6表达的降低致使肺组织中的铁离子沉积，进而引起氧化应激，加剧组织损伤，增加香烟暴露小鼠的炎症反应。

3.2肺动脉高压肺动脉高压（Pulmonary Arterial Hypertension，PAH）是一种以平均肺动脉压逐渐升高，小的外周肺血管系统的异常重塑导致动脉腔逐渐闭塞，最终导致患者右心力衰竭和死亡的疾病［29］。

内皮型一氧化氮合酶（endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS）具有维持低肺血管阻力的作用。eNOS杂合子或纯合子敲除的小鼠由于缺氧而提高PAH［30-32］。在低氧诱导情况下，Bmp2杂合敲除（Bmp2+/-）小鼠的肺血管系统中eNOS表达与野生型小鼠相比明显下降，并出现更严重的PAH。此外，添加的外源性BMP2能有效地增加肺内动脉和肺内皮细胞中eNOS表达，表明eNOS是肺血管系统中BMP2信号传导的靶标。体内外实验均证实BMP2表达水平的降低，会导致肺血管系统中eNOS的下降，从而诱发 PAH［33］。

肺动脉高压原因有很多，由编码BMPII型受体（Bmpr2）基因失活突变引起的［34］是其中之一。在Bmpr2杂合敲除小鼠（Bmpr2+/R899X）引起的PAH模型中，添加外源性的BMP9不仅能减少转基因小鼠肺动脉内皮细胞的凋亡，促进血管的稳定，而且能增加Bmpr2基因的表达，使BMP2信号进一步增强，从而逆转已发生的PAH。此外，野百合碱或低氧引起的肺动脉高压也能被添加的外源性BMP9有效地挽救，这些结果提示了直接提高内皮细胞的BMP信号有望成为治疗PAH的新手段［35］。

肺动脉重塑被确认是PAH病理过程中导致肺动脉压力增加的重要原因［36］。内皮细胞向间充质或肌成纤维细胞转化的生物学过程称为内皮间充质转化（Endothelial-Mesenchymal Transition，EndMT）。在这个过程中，内皮细胞从血管内腔表面紧密结合的单层细胞中分离出来，向内部组织迁移。在迁移过程中，细胞失去了特定的内皮标志物，并逐渐表达间充质或肌纤维母细胞标志物［37］。EndMT参与PAH患者肺动脉闭塞性血管的重塑［38］。大鼠肺动脉内皮细胞内膜中的mir-27a表达增加。上调的miR-27a通过与Smad5 mRNA的3’-UTR结合抑制其转录，降低BMP下游靶点DNA结合蛋白抑制剂2（Inhibitors of DNA Binding Proteins 2，Id2）的表达，增加关键的促EndMT转录因子Snail和Twist的表达，加剧患者的PAH发生进程［37］。

3.3肺纤维化肺纤维化（Pulmonary Fibrosis，PF）是一种由成纤维细胞过度增殖和肺间质中胶原（纤维化）沉积引起的慢性进行性肺疾病［39，40］。

在体外由二氧化硅处理RLE-6TN细胞后建立的EndMT模型中，添加的外源性的BMP7，能够提高BMP信号通路下游底物蛋白Smad1/5磷酸化水平，降低与拮抗BMP信号的TGF-β下游底物蛋白Smad2/3的磷酸化水平、减少胶原Ⅰ、胶原Ⅲ和纤连蛋白的沉积，并抑制了包括细胞迁移和纤维化标志物的表达，进而缓解由二氧化硅诱导的PF［41］。

香叶基香叶基二磷酸合酶（Geranylgeranyl Diphosphate Synthase，GGPPS）是一种催化法尼基二磷酸合成GGPP的关键酶［42］。肺上皮细胞特异性GGPPS基因敲除 （GGPPS-/-）小鼠在博来霉素诱导后，与野生型小鼠相比，肺组织胶原I和纤维黏连蛋白表达上调，胶原沉积增加，PF程度更严重。GGPPS的缺乏促进了TGF-β1激活肺成纤维细胞，增强其与 BMP4 信号的拮抗作用，加剧 GGPPS-/-小鼠 PF［43］。

Nog+/LacZ小鼠作为去阻遏BMP信号传导的模型［44，45］，在博来霉素诱导后，与野生型小鼠相比，其支气管和肺泡上皮细胞凋亡及增殖减少。内源性增加的BMP信号活性与间充质中促纤维化TGF-β信号传导的拮抗作用增强，导致组织重塑减少，进而减轻 Nog+/LacZ小鼠 PF 程度［46］。

4 BMP信号通路在肺再生中的作用

功能组织再生是严重创伤后恢复正常器官内环境平衡所必需的。与其他成人器官如皮肤和肠相比，肺细胞更新通常较慢。然而，在生理性损伤后，包括全肺切除术和严重的呼吸道感染可能会发生显著的再生和修复［47-50］。

向体外克隆类器官培养系统培养BCs添加外源性BMP拮抗剂衍生物LDN-193189，能促进BCs的增殖，而加入外源性的BMP4则抑制BCs的增殖和分化。在小鼠SO2损伤小鼠模型中，修复期间上皮细胞和间充质中BMP4的表达降低，BMP拮抗剂Follistatin的表达升高。而在小鼠损伤后全身给予BMP拮抗剂衍生物LDN-193189，则促进小鼠BCs再生。体内外的实验结果支持在稳定状态下，肺组织的BMP信号抑制BCs增殖，而损伤后小鼠通过上调内源性BMP拮抗剂，下调BMP信号，进而短暂促进增殖。这些结果揭示了BMP信号在呼吸上皮内稳态中的关键作用［51］。

在1-硝基萘（1-nn）急性损伤6 h后，小鼠气道上皮细胞发生炎症的症状最严重，细胞中的BMP信号通路下游磷酸化Smad1/5的表达最高。向正常培养的气道AECs中添加BMP4，随着BMP4浓度的增加，E-钙黏蛋白的浓度逐渐下降，Snail的表达逐渐上升。由此可以推测BMP信号的增强通过下调E-钙黏蛋白的表达和促进AECs的迁移，调节急性损伤后气道上皮细胞的再生［52］。

最近研究发现，肺Ⅱ型上皮细胞和表达血小板源性生长因子受体 α多肽（Platelet—Derived Growth Factor Receptor Alpha，PDGFRA）的成纤维细胞形成的肺泡微环境能通过调节肺二型上皮细胞BMP信号通路表达，进而调控肺二型上皮细胞的自我增殖和分化为肺一型细胞的能力。在肺切除术后，肺二型细胞和表达PDGFRA的成纤维细胞会出现BMP信号的表达出现短暂下降，此时肺二型细胞自我增殖能力增强，转分化为肺一型细胞能力下降。而在术后恢复过程中，肺二型细胞中的BMP信号通路表达逐渐增加，此时肺二型细胞自我分化能力下降，向肺一型细胞的转分化能力增强，促进肺泡的再生［53］。

BMP信号与肺的正常发育，成体肺疾病的形成和成体肺组织修复密切相关，但其确切机制和时空分布模式尚未完全阐明，仍有待于进一步研究。BMP介导的信号传导的实际细胞靶点的确定将有助于解释早期的基因研究，指导今后实验中BMP信号成分的合理靶向，有助于阐明该信号系统的作用机制。对BMP信号的更好理解将有助于BMP信号相关疾病的临床治疗，并可能促进创新和有效的治疗方法的发展，为新的治疗发展提供新的策略。