骨形态发生蛋白-7参与糖尿病肾病发病机制的研究进展

张颖超，米焱，王彩丽

糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病的严重微血管并发症，也是引起终末期肾病的首要病因。DN早期临床特征是微量白蛋白尿，可致肾小球基底膜（glomerular basement membrane，GBM）增厚、肾小球肥大和系膜扩张，进而导致蛋白尿、肾纤维化，最终发展为不可逆转的终末期肾病［1］。DN的发生是体内多种因素共同作用的结果，但具体发病机制尚未明确。近年来，关于骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-7 与 DN 的相关研究逐渐成为热点。BMP-7 是转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β 超家族的一员，具有多种生物学功能。BMP-7 参与细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的调控［2］，缺乏BMP-7 可能导致肾小球系膜区ECM沉积，进而破坏肾小球结构，且其表达水平在DN终末期会显著降低［3］。研究显示，在高糖诱导的DN小鼠模型中，BMP-7蛋白表达水平下调，而经体外注射BMP-7后，肾小管损伤、间质炎症细胞浸润、肾皮质p38 和p44/42 的磷酸化和脂质过氧化明显减轻［4-5］。本文就BMP-7 及其参与DN的相关机制的最新进展进行综述。

1 BMPs家族与BMP-7

BMPs 最初由 Urist［6］将脱钙的皮质骨植入动物肌肉中1～2周后在新发骨的皮质骨提取物中发现，并被证实其可诱导骨、软骨形成及皮下、肌肉等部位的异位骨形成。BMPs是多功能蛋白质，参与胚胎发育和体内多种细胞的增殖、分化和凋亡的调节并在肿瘤、脂肪，以及肾脏、肝脏等组织器官的发育过程中发挥重要作用［7］。BMP-7 是 TGF-β 超家族中的一员，又称成骨蛋白1。BMP-7具有诱导骨形成、维持软骨细胞表型，促进细胞增殖以及ECM蛋白聚糖和Ⅱ型胶原合成的能力，且在多种人类肿瘤中异常表达，参与调控癌细胞的增殖、侵袭和迁移［8］。BMP-7 参与胰岛形态发生，在正常肾脏中高度表达，而在DN 患者肾组织中表达水平下调，因此其在维持肾脏正常发育过程中发挥重要作用［9］。已有研究表明，BMP-7 可抑制高糖诱导的DN 大鼠肾组织上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和系膜区ECM沉积，减轻肾小管间质纤维化，同时缓解高血糖状态，减轻炎症坏死和细胞凋亡［10-11］。BMP-7在肾小球足细胞和近端小管中的过表达可防止DN足细胞流失，减少足细胞凋亡并保护细胞骨架纤维，减轻蛋白尿［12］。另外，BMP-7 在肾脏组织中的表达水平与肾小球滤过率呈正相关，当肾脏组织受损或肾功能受损时，BMP-7 表达减少［13］。

2 BMP-7与TGF-β/Smads信号通路

2.1 TGF-β/Smads 信号通路 TGF-β 同样是 TGF家族的一个重要成员，其不仅在炎症反应、组织修复和细胞发育等方面发挥作用，而且在细胞的生长、分化和免疫调节中也起重要作用。DN进展过程中，肾脏纤维化是其重要的病理特征，而TGF-β1 作为TGF-β 的一种，是诱导肾脏纤维化发生的关键因素［14］。在TGF-β/Smads 信号通路中，TGF-β1 首先结合Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸受体，于质膜激活受体相关的Smad 主要蛋白基因Smad2和Smad3，随后结合Smad4并进入细胞核，进一步调控TGF-β1基因的转录，从而调控DN的肾纤维化，因此消除TGF-β的促肾纤维化作用是治疗DN的关键［15］。Smad蛋白是BMP-7下游信号分子，具有集合管细胞和肾元祖细胞的功能，还可参与BMP-7诱导的后肾间质细胞增殖和钙黏蛋白11（cadherin 11，CDH1）的表达［16］。

2.2 BMP-7与TGF-β/Smads信号通路在DN中的相互作用 BMP-7 高表达能够显著抑制TGF-β/Smad信号通路［17-18］。因此，提高BMP-7 的表达水平可拮抗由 TGF-β 引起的 DN 肾脏纤维化。Wang 等［19］研究发现，BMP-7 的表达水平随着DN 的进展而逐渐降低，注射外源性人重组BMP-7 可通过促进与Smurf2、Arkadia 无关的基因的转录，上调SnoN（Skirelated novel protein N）mRNA 及其蛋白在肾小管上皮细胞中的表达水平，从而抑制TGF-β/Smads 信号通路，延缓DN 进展及肾脏纤维化。彭伟［20］研究发现，在DN肾纤维化过程中，BMP-7可通过上调SnoN蛋白表达水平来削弱TGF-β1 的纤维化效应，机制为BMP-7通过激活经典的Smad1/5信号通路来上调SnoNmRNA及其蛋白表达水平，从而抑制高糖诱导的DN 小鼠肾小管上皮细胞向间充质细胞转化及ECM 的沉积；另外，给予糖尿病小鼠外源性BMP-7可以显著改善肾功能，活化肾组织Smad1/5 蛋白表达，增加SnoNmRNA 表达，降低SnoNmRNA 的泛素化水平，进而恢复SnoN蛋白表达水平，减轻DN的肾纤维化病变。肾小管上皮细胞中发生EMT 以及ECM 沉积对于DN 的发病至关重要，但是潜在机制尚不明确。Liu 等［21］研究发现，BMP-7 可通过调节miR-21/Smad7信号传导，从而减轻DN的肾纤维化，即在注射了BMP-7过表达质粒的DN 小鼠模型中，miR-21表达水平显著下调而Smad7表达水平上调，同时 EMT 和 ECM 积累明显减轻。John 等［22］研究发现，在 DN 患者中血清 BMP-7 水平与 TGF-β 的表达水平呈负相关，非DN 患者血清BMP-7 表达水平高于 DN 患者；而 DN 患者血清中 TGF-β 水平高于非DN 患者。这些研究表明，BMP-7有望作为DN 的治疗靶点，这为开发新的DN治疗药物和方案提供了理论基础。

3 BMP-7与PI3K/Akt信号通路

3.1 PI3K/Akt 信号通路 在DN 的发生和发展中，有TGF-β1、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）等多种炎性因子和免疫因子参与，Smad2/3信号被激活的同时，PI3K/Akt信号通路也同样发挥了部分作用。PI3K是一种脂质激酶，可通过产生第二信使三磷酸肌醇（PIP3）而调节Akt 转位至质膜发挥作用。糖尿病条件下肾小管细胞PI3K/Akt信号通路被激活，促进EMT并且降低脂质代谢水平［23］。近期研究发现，抑制PI3K/Akt 信号通路能够抵抗高糖诱导的人近端肾小管上皮细胞（HK-2 细胞）的凋亡和自噬［24］。PI3K/Akt信号的激活可诱发肾脏系统炎症反应。炎症发生过程的核心调节因子蛋白酶激活受体-2（PAR-2）可通过PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制肾小管上皮自噬，进而诱导肾小管上皮炎症形成［25］。在高糖处理的HK2 细胞中，PI3K/Akt 信号通路失活可减轻肾组织ECM积累、肾小管EMT和肾间质纤维化［26］。因此，PI3K/Akt信号通路与DN肾小管上皮细凋亡、肾小管损伤及其纤维化发生关系密切。

3.2 BMP-7 与 PI3K/Akt 信号通路参与对 DN 的调节 多种细胞因子在葡萄糖代谢中起重要作用。Chattopadhyay 等［27］在 2 型糖尿病动物模型中发现，血清BMP-7水平降低，而BMP-7可通过激活PDK1、Akt 以及FoxO1 的磷酸化，增加胰岛素敏感组织（如脂肪和肌肉）对葡萄糖的摄取，恢复血糖水平，提示BMP-7 在调节葡萄糖稳态和胰岛素抵抗中发挥直接作用。因此，BMP-7是治疗糖尿病及其并发症如DN 的理想候选药物，其可以增强胰岛素信号传导，从而改善葡萄糖摄取及胰岛素抵抗，延缓DN 的进展。Higgins 等［28］在慢性肾脏纤维化的单侧输尿管梗阻（UUO）小鼠模型中发现，肾集合管和管状上皮细胞中的BMP-7 可通过上调PI3K 的磷酸酶抑制剂PTEN 的表达水平，从而抑制PI3K/Akt 信号通路，减轻肾脏纤维化；同时，胶原蛋白基因和蛋白表达水平升高，抑制Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白在ECM 的聚积，进一步减轻了肾纤维化。因此，在DN和其他慢性肾脏病的肾纤维化发展过程中，BMP-7可通过抑制PI3K/Akt信号通路而发挥抗肾纤维化的作用。

4 BMP-7与间充质干细胞（MSCs）

4.1 MSCs MSCs 是一种多能分化的成体干细胞，具有分化为不同组织的潜能以及自我更新的能力，MSCs来源广泛，可从骨髓、脂肪组织、脐带血等组织中分离提取［29］。MSCs 不仅能有效恢复2 型糖尿病大鼠血糖稳态，减轻胰岛素抵抗及炎症反应，还能减轻高脂血症并改善心功能，延缓远期糖尿病并发症（如DN、肺纤维化、白内障）的进展，且多次静脉输注MSCs对2型糖尿病大鼠肝肾功能及T细胞免疫抑制均无明显毒性作用［30］。除了再生和分化的潜能以外，MSCs 的旁分泌功能亦备受关注，其旁分泌的多种营养因子如外泌体和BMP-7 可通过调节邻近细胞间的信号传递来发挥多种生物学功能［31］。MSCs来源的细胞外囊泡恢复了线粒体转录因子A（TFAM）蛋白及TFAM-线粒体DNA 复合体的稳定性，从而逆转受损肾小管细胞线粒体DNA的缺失和线粒体氧化磷酸化缺陷，减轻急性肾损伤小鼠肾脏损害、线粒体损伤及炎症反应［32］。在DN 大鼠模型中，受损肾脏组织的脐带间充质干细胞（UC-MSCs）的募集数量增加，UC-MSCs可显著改善DN大鼠24 h尿蛋白、肌酐清除率、血肌酐及尿素氮水平，明显减轻炎症细胞浸润和肾间质纤维化，并可分泌表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子、血管内皮生长因子等，从而有效改善肾功能，抑制肾脏炎症和纤维化［33］。

4.2 间充质干细胞源BMP-7 参与DN 的调节作用 既往研究认为，MSCs主要通过旁分泌作用和免疫调节机制修复受损的肾脏。Wang 等［34］研究团队对1型糖尿病早期DN大鼠左肾动脉注射MSCs后发现，MSCs可显著减轻DN大鼠肾脏病理改变，阻止肾小球硬化进程，并证实了MSC可通过旁分泌BMP-7来修复足细胞的损伤并促进足细胞再生，减少巨噬细胞在肾脏的积累，提示MSCs 可通过提高BMP-7表达水平而发挥其对巨噬细胞的免疫调控作用，进而修复肾脏纤维化。另有研究发现，BMP-7基因修饰的骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）相比单纯的BM-MSCs 移植，肾小管上皮细胞细胞凋亡指数和Bax 的表达水平明显降低，而肾小管上皮细胞增殖指数、Bcl-2 及Bcl-2/Bax 比值明显升高，表明BMP-7基因修饰的BM-MSCs 能够更显著抑制肾小管上皮细胞凋亡并促进其增殖，从而加速损伤肾脏的修复，保护肾脏功能［35］。因此，BMP-7协同MSCs共同延缓了DN进程。

5 结语

DN是体内外多种因素共同作用的结果，其具体发病机制尚未完全明确。目前发现，BMP-7可抑制TGF-β/Smads信号通路和PI3K/Akt信号通路发挥肾脏保护作用，并且能够协同MSCs 修复肾组织损伤，缓解DN 肾脏的炎症和纤维化，BMP-7 可作为治疗糖尿病肾病的潜在靶点；然而对BMP-7的研究还大多局限于动物实验和细胞水平。