分泌型模块化钙结合蛋白-1的研究进展

滕藤，唐其柱*

(1.武汉大学人民医院心血管内科，湖北 武汉 430060；2.代谢与相关慢病湖北省重点实验室，湖北 武汉 430060)

基质细胞蛋白是调节细胞外基质和细胞间相互作用的一种细胞外基质蛋白质的亚类，是细胞与基质之间的连接桥梁，在对外部刺激做出响应并维持微环境的稳态中发挥重要作用。不同于结构性的基质蛋白，基质细胞蛋白并不直接参与调控细胞形态和组织结构，而是在组织细胞受到损伤后发挥细胞-细胞、细胞-基质间的调节作用[1]。为了突出这种细胞外蛋白在调节细胞功能中的作用，Bornstein[2]引入了“基质细胞蛋白”这一概念，强调细胞外基质网络组成成分的改变将会直接影响细胞的表型。分泌型模块化钙结合蛋白(secreted modular calcium binding protein,SMOC)-1是一种基质细胞蛋白，研究证实SMOC-1在胚胎发育、成骨钙化、血管生成、纤维化等方面发挥重要作用，但关于SMOC-1的具体机制和更多的生物学功能尚不清楚。本文对SMOC-1的最新研究进展作一综述，以提高研究人员对SMOC-1的关注。

1 SMOC-1的结构和表达

SMOC-1是一种基质细胞蛋白，属于细胞外模块化蛋白BM-40家族，此家族还包括骨连接素(Osteonectin/SPARC)、SMOC-2、Testican-1，-2，-3和卵泡抑素样蛋白-1等[3]。SMOC-1在脑、心脏、肝脏、肾脏、睾丸、卵巢、脂肪和骨骼肌[4]等多种组织中均有表达，且主要分布于基底膜和细胞外基质中。我们注意到，SMOC-1在肝脏的表达水平较高，这符合其作为肝脏因子以及循环蛋白在代谢相关疾病，如糖尿病中的作用；同时其在性腺的表达水平也较高，这与其在性腺发育中的重要作用相一致[5]。SMOC-1基因位于染色体14q24.2上，编码一个408个氨基酸组成的蛋白质[5]，其主要结构具有高度保守性，从氨基端到羧基端分别是一个卵泡抑素样(FS)结构域、甲状腺球蛋白样Ⅰ型(TY)结构域、SMOC-1特有结构域、第二个甲状腺球蛋白样Ⅰ型(TY)结构域和EF-手性钙结合(EC)结构域[5]。SMOC-1虽然拥有SPARC蛋白家族共有的EC结构域，但至今没有任何研究表明SMOC-1能够与SPARC蛋白以某种相同方式互相作用，对其生物学功能的探讨仍较为缺乏。

2 SMOC-1的生物学功能

2.1 胚胎发育

在动物生长发育过程中，多种分泌生长因子可发挥成形素作用，在胚胎发育、器官形成过程中形成与组织大小保持适宜比例的空间浓度梯度，从而对生长发育模式发挥调控作用。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)家族蛋白在胚胎发育过程中发挥重要作用，如参与体轴形成和器官发生等[6]。Sapkota 等[7]研究表明，在非洲爪蟾蜍胚胎发育过程中，SMOC-1可充当BMP的拮抗剂，在受体水平和下游通路抑制BMP信号通路的激活，介导丝裂原蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联反应中p-Smad与泛素连接酶Smurf1的结合，从而抑制Smad复合物的核转运，并通过多泛素化和蛋白酶体依赖的机制降解，从而实现对BMP信号传导的抑制。综合蟾蜍SMOC-1作为BMP拮抗剂和其主要在基底膜上分布的两个特点，研究人员认为蟾蜍SMOC-1以此构建了BMP活性抑制的离散定位和浓度梯度，为胚胎发育构建了边界清晰的发育区域[6]。SMOC-1通过影响BMP信号通路参与胚胎发育的机制在果蝇和斑马鱼模型也得到了验证[8-9]。

也有研究证明，SMOC-1对人和小鼠的眼和四肢发育起重要作用[10]。在小鼠早期胚胎第7天(E7)，SMOC-1在整个内胚层基底膜区域都有表达，在胚胎第12天(E12)和胎儿期第14天(E14)、16天(E16)和18天(E18)，SMOC-1蛋白在脑、血管、皮肤、骨骼肌、肺、心脏、肝脏、胰腺、肠和肾脏的基底膜区表达，这种器官时空特异性分布提示SMOC-1可能在小鼠胚胎发育的调节中具有多种功能[11]。另一项临床研究显示，指长比可能与SMOC-1和产前性激素有关[12]。Pazin 等[13]发现，SMOC-1可能在胎儿性腺及生殖道分化过程中发挥一定作用。研究证实，在胚胎期第10.75天(E10.75)，SMOC-1在睾丸支持细胞和卵巢前颗粒细胞中的表达均升高，在胚胎期第13.5天(E13.5)，前颗粒细胞中的SMOC-1表达下降，但在睾丸支持细胞中持续存在，此现象表明SMOC-1可能参与支持细胞谱系的分化以及支持细胞与生殖细胞之间的相互作用。

2.2 血管生成

血管内皮细胞、周细胞等可分泌多种基质蛋白，调节细胞基质间的相互作用，在细胞黏附、增殖、扩散、侵袭、血管生成及上皮间充质转化过程中发挥重要作用[14]。早期报道显示，SMOC-1同家族蛋白(SMOC-2)的促内皮细胞增殖和血管形成作用可能与潜在生长因子反应性机制有关[15- 16]。在一项关于非裔美国人动脉硬化的研究中，全基因组位点扫描提示SMOC-1可能与血管结构改变有密切关系[17]。Awwad等[18]发现内皮细胞来源的SMOC-1是激活素样激酶-5(ALK-5)的拮抗剂，也是微小RNA miR-223的靶点，通过激活ALK-1-TGF-β信号通路发挥促血管内皮细胞增殖和血管生成的作用[18]。在缺氧条件下，miR-223被下调，由此促进内皮细胞SMOC-1的转录。敲低SMOC-1可明显减弱小鼠主动脉环的内皮细胞出芽，并延迟视网膜血管的发育[18]。此外，SMOC-1的促血管生成作用依赖其与细胞膜糖蛋白(endoglin)胞外段的相互作用[18]。

大脑发育是一种神经发育和血管发育相互协调的复杂过程。大脑的血管不同于其他组织器官的血管，其血管壁由特殊的内皮细胞紧密连接形成，构成血-脑屏障，在调节血液和大脑间的物质交换过程中发挥重要作用[19]。此外，一些神经退行性疾病(如亨廷顿舞蹈病和阿尔兹海默症)和血管功能障碍可能与血-脑屏障破坏有一定联系[20-22]。Su等[23]研究发现，转录调节因子PRDM16通过调节神经元SMOC-1和TGFβR1的相互作用,从而影响中枢神经系统的血管生成和大脑发育。在大脑SMOC-1敲除小鼠(PRDM16cKO-Nes)和PRDM16敲低细胞，补充外源性的SMOC-1可改善内皮细胞增殖，部分减轻大脑发育缺陷。另外，间断性禁食可激活SMOC-1和SCG-2，诱导血管内皮生成，促进新生血管形成和伤口愈合[24]。

2.3 细胞黏附

研究显示，BM-40家族的EC结构域具有刺激细胞黏附，抑制细胞增殖和减少黏着斑形成的作用[25-26]。不同于其他BM-40家族的成员，SMOCs的EC结构域含有独特的碱性氨基酸簇，这意味着其可能具有潜在的CAG结合位点[27]。SMOC-1的EC结构域是一个对钙离子具有独特亲和力的自主折叠域，可依赖硫酸肝素促进皮肤HaCaT细胞黏附，此效应由整合素αⅤβ6受体介导[27]。另外，下调SMOC-1可减弱内皮细胞对Ⅰ型胶原、层粘蛋白-111和基质胶(Matrigel)的黏附作用[18]。SMOC-1主要表达于基底膜，基底膜上含有大量的硫酸肝素乙酰肝素糖蛋白、层粘蛋白和胶原蛋白。我们认为，进一步研究SMOC-1与上述蛋白的作用机制及其对细胞黏附和迁移的调节作用是非常必要的。

2.4 成骨钙化

成骨细胞分化除受生长因子调控外，还受到多种细胞外基质蛋白的调节，骨骼中含量最丰富的基质蛋白是Ⅰ型胶原。SPARC家族蛋白在调节成骨细胞前体细胞的募集和增殖中发挥重要作用[28]。作为SPARC质家族成员，SMOC-1在骨骼和骨髓间充质干细胞中高度表达[28]。抑制内源性SMOC-1表达可抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化和骨钙化，而过表达SMOC-1则发挥明显的促分化和促钙化效应。SMOC-1的表达在诱导成骨细胞分化的第1天达到峰值，并在随后的7天逐渐降低，但下调机制尚不清楚，提示基质细胞蛋白作为非结构蛋白具有独特的时空表达特征[25,28,29]。在骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化过程中，SMOC-1可能仅在早期充当分化激活剂作用[28]。在另一项研究中，Kim等[30]将固定有SMOC-1的羟基磷灰石/β-磷酸三钙颗粒植入小鼠颅骨缺损部位，通过计算机断层扫描和组织学分析发现，与对照组相比骨再生显著增强，表明除诱导体外骨髓间充质干细胞的成骨分化作用外，SMOC-1还可有效增强体内骨的再生[30]。

3 SMOC-1在疾病中的研究现状

3.1 SMOC-1与瓦登堡无眼综合征

瓦登堡无眼综合征(WAS)是一种较为罕见的常染色体隐性遗传疾病，特征表现为眼和肢体发育的异常，包括小眼或无眼畸形、少指(趾)、并指(趾)以及第四第五掌骨融合，一些病例出现长骨发育不全、马蹄肾、静脉或椎骨异常。值得注意的是，有证据显示患者发育迟缓和智力障碍的发生可能与SMCO-1缺失有关[31-33]。WAS最初由Waardenburg在1961年报道，直到2011年Schorderet等[34]发现该综合征是由SMOC-1的隐形突变所致。动物实验表明，在小鼠胚胎期第9.5天(E9.5)，SMOC-1在前脑、中脑、后脑、咽弓、鼻神经管、前肢原基、额窦区域和体节处表达；而到发育后期，SMOC-1在后肢腹侧、前肢的腹背内侧、视杆、视神经腹侧以及视杯闭合部位也有表达[10,35]。构建含有LacZ报告基因的SMOC-1靶向突变(SMOC-1tm1a/tm1a)小鼠降低SMOC-1的表达，突变后SMOC-1 mRNA水平仅为野生型小鼠的10%。这些小鼠高发后肢少趾、虹膜和视网膜缺损、体型较小及腭裂，与人类WAS的部分表型相一致[35]。在另一项研究中，纯合敲除的SMOC-1的小鼠(SMOC-1TP/TP突变小鼠)表现出生长发育迟缓、眼球组织和视神经缺损和后肢畸形等症状，这些表型也和WAS患者的畸形类似[10]。

3.2 SMOC-1与纤维化

SMOC-1与组织器官病理状态下纤维化的发生密切相关。Dreieicher等[4]研究发现，白介素-1β(IL-1β)处理可诱导大鼠肾小球系膜细胞产生一氧化氮(NO)，但抑制此处SMOC-1的表达，从而限制TGF-β/Smad通路介导的纤维化。在抗Thy-1肾小球肾炎的大鼠模型中，肾小球SMOC-1表达下调，而诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达上调。用iNOS的特异性抑制剂处理可拮抗SMOC-1的下调，从而加重大鼠肾小球炎症并且肾小球纤维蛋白沉积增加[4]。但是，到目前为止，NO引起SMOC-1表达下调的机制尚不清楚，有可能与可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的激活有关[4]。另一项研究发现，沉默SMOC-1可以抑制血管紧张素Ⅱ诱导的小鼠心肌成纤维细胞纤维化；进一步研究提示沉默SMOC-1可能通过BMP/Smad2信号通路介导心肌纤维化的抑制[36]。

3.3 SMOC-1与糖尿病

肝脏因子是肝脏分泌的一类蛋白质，可通过自分泌、旁分泌和内分泌的形式调节代谢，对胰岛素的作用具有重要的影响[37]。例如，Montgomery等[38]发现SMOC-1作为葡萄糖反应性肝脏因子可参与血糖稳态的调节[38]。胞外葡萄糖浓度升高可刺激肝细胞合成并分泌SMOC-1，该过程依赖转录因子碳水化合物反应元件结合蛋白(ChREBP)。研究人员通过肝脏特异性SMOC-1 shRNA降低小鼠肝脏内SMOC-1 mRNA的水平，可损伤血糖调节功能，但不影响血浆胰岛素的水平；而急性腹膜内注射SMOC-1后，小鼠血糖调控能力明显改善，此效应不依赖胰岛素。另外，在肝内过表达SMOC-1或每周一次腹膜内注射SMOC-1-FC融合蛋白可改善db/db糖尿病小鼠葡萄糖耐量和胰岛素敏感性[38]。SMOC-1控制血糖的机制可能与抑制肝脏内cAMP-cAMP依赖性蛋白激酶(PKA)-cAMP反应元件结合蛋白(CREB)信号通路，进而降低糖异生基因表达和抑制肝葡萄糖输出等因素有关[38]。

Lagos等[39]研究发现，SMOC-1+/-小鼠的血小板对凝血酶的反应性减弱；miR-223能结合SMOC-1的3'-UTR，从而抑制SMOC-1的促血管生成作用；而在miR-223缺陷的小鼠，血小板表达了高水平的SMOC-1，对凝血酶的反应性也较高。值得注意的是，2型糖尿病患者血小板中SMOC-1表达显著上调，给予SMOC-1的中和抗体可消除血小板对凝血酶的高反应性。这表明，SMOC-1可能是一种新型凝血酶激活蛋白，参与2型糖尿病相关的血小板功能病理改变，未来有可能成为2型糖尿病血小板功能异常治疗的新靶点。

3.4 SMOC-1与肿瘤

Tenascin-C是一种在多种癌症中高表达的细胞外基质蛋白，Brellier等[40]发现，SMOC-1能够与Tenascin-C在体外结合，这提示SMOC-1可能是一种新型的癌症相关蛋白，研究人员在多个脑肿瘤的样本中发现SMOC-1的表达明显增加，但其具体机制尚不清楚。

基于SMOC-1在多个脑肿瘤病例的肿瘤组织中有大量表达，且在乳腺癌病例中SMOC-1的甲基化水平增加[40-41]，SMOC-1因此有望被认定为一种新的肿瘤标志物。此外，多项研究表明，SMOC-1甲基化与大肠的锯齿状病变(锯齿状息肉)密切相关，锯齿状病变大致可分为增生性息肉(HPs)，无蒂锯齿状腺瘤/息肉(SSA/Ps)和传统的锯齿状腺瘤(TSA)。现有证据表明SSA/Ps和TSA是重要的癌前病变，Aoki等[42]发现，SMOC-1的甲基化对锯齿状病变中的TSA具有高度特异性；与之一致的是SMOC-1的表达在TSA中减少，而在正常的结肠组织和SSA/Ps中大量表达,表明甲基化的SMOC-1可以作为TSA诊断的重要标志物。由于结肠癌中SMOC-1的甲基化水平也较高，这同时可能预示着TSA是一种具有更高风险的癌前病变[42]。

3.5 SMOC-1与其他疾病

研究表明，SMOC-1在阿尔兹海默症患者大脑的板块结构中大量存在[15-18]，研究人员认为SMOC-1是阿尔兹海默症患者脑脊液中十分有研究意义的分子标志物[43]。同时，SMOC-1在特应性皮炎的病理过程中也发挥重要作用，Lyubchenko等[44]研究发现IL-4/IL-13对SMOC-1的抑制改变了角质形成细胞内Ca2+的转运，抑制了角质形成细胞分化信号，这可能为临床治疗特应性皮炎提供了一个新的靶点，但其有关的具体机制需要进一步研究。

4 总结与展望

SMOC-1属于SPARC蛋白家族成员，现有研究已表明，SMOC-1存在广泛、复杂的生物学功能，在胚胎发育、血管生成、细胞黏附以及成骨钙化等多个方面发挥重要作用。它也是眼、四肢长骨发育的关键因子，与机体炎症和脏器纤维化的进展密切相关。胚胎发育阶段SMOC-1在基底膜和细胞外基质中有高水平表达，但在个体发育成熟后仅在病理状态下表达； SMOC-1作为肝脏因子，在肝脏中有较高的表达，其可作为一种循环蛋白，提升机体对胰岛素的敏感性，参与对血糖的控制[38]。SMOC-1在多种肿瘤组织，以及阿尔兹海默症患者的脑组织和脑脊液中也有表达，具有作为诊断标志物的潜力。

综上所述，基于SMOC-1在病理状态下的表达，对SMOC-1及其与其他蛋白相互作用的研究，对于拓展相关疾病诊断标志物具有积极意义。鉴于SMOC-1在基质重塑中的重要作用，以及能够与多个纤维化相关细胞基质蛋白相互作用的特点， SMOC-1可能成为多种纤维化疾病防治的重要靶点。最后，SMOC-1作为一种肝脏因子和循环蛋白，我们推测其可能参与多种慢性代谢性疾病的发生发展。