骨形态发生蛋白5在肿瘤中的研究进展

张泽亚，蒋海越

(中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院整形七科，北京 100144)

1965年，Urist[1]首次从脱矿骨基质的提取物中发现并描述了骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)。BMP具有独立诱导活体骨骼以外部位软骨内成骨的能力。BMP家族属于转化生长因子-β家族亚群，成员众多。除BMP1外，其余BMP所编码的蛋白质均属于转化生长因子-β超家族多肽成员。BMP的正常调节对人体器官发育、系统稳态至关重要，而其异常调控与人类肿瘤的发生关系密切[2-3]。BMP5位于人类第6号染色体，长度为9.4 kb，该基因由7个外显子组成，编码一个由454个氨基酸组成、分子量为51 737、空间结构含有二硫键的同源二聚体蛋白质[4]。BMP5是BMP家族的重要成员，最初发现其具有调节细胞增殖、凋亡以及促进软骨发育的作用。目前发现BMP5在肿瘤中也具有重要作用，可作为生物标志物或治疗靶点。现就BMP5在胚胎发育、成熟个体中的生物学作用及在肿瘤中的作用进行综述。

1 BMP5概述

1.1BMP5的特征 BMP5主要分布于脑细胞、软骨膜细胞以及胎盘、眼、前列腺、肺、肾脏、膀胱、胃肠道、肌肉组织中，其可与硫酸乙酰肝素特异性作用，进而向细胞传递特定信号[5]。BMP5通过自分泌或旁分泌机制与表达相应受体的细胞结合，从而启动相关通路的下游事件。

BMP5的分泌是先合成大的前体蛋白，然后经过蛋白水解、糖基化，最终以有活性的二聚体的形式分泌[6]。该二聚体由7个高度保守的半胱氨酸残基相互作用形成，可保持BMP5蛋白的形态稳定，而这一步是BMP5发挥信号转导功能的关键[7-9]。有活性的BMP5与具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的BMP受体(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)1和BMPR2相互作用，组成四聚体信号复合物。BMPR2属于活性受体，BMPR1包含一个富含丝氨酸/甘氨酸结构域，该结构域可被复合物中的BMPR2磷酸化，从而诱发Smad1/5/8信号通路下游典型信号效应器的招募，并与Smad4相互作用，移位至细胞核，调节靶基因表达[10-11]。Billings等[5]发现，成熟BMP5的C端含有一个具有较强硫酸乙酰肝素结合能力的高度保守的结构域，采用固相分析技术发现，包含该C端结构域的多肽与硫酸乙酰肝素的结合力与BMP2和BMP4 N端结构域的多肽与硫酸乙酰肝素的结合力无明显差异[5]。且在微团培养中发现，BMP5 C端的多肽可刺激原代小鼠胚胎肢芽细胞的软骨生成和成软骨基因的表达[5]。

1.2BMP5的生物学功能

1.2.1生物个体成熟方面 BMP作为刺激机体器官形成的因子引起广泛关注。Guenther等[12]对动物胚胎期骨骼形成和成年动物急性损伤后BMP5基因的表达情况进行检测，结果发现BMP5区域中多个基因组片段可以相互作用，并共同协调BMP5在生物体不同解剖部位中的表达，包括在动物个体成熟前的肋骨形成过程。此外，动物成体肋骨骨折后可激活BMP5基因含有的“损伤反应”控制区，进而激活BMP5基因的表达[12]。类似的“损伤反应”控制区在动物个体发生胫骨骨折、背部皮肤损伤以及肺损伤后亦可触发BMP5基因的表达[12]。综上，在动物成体中BMP5基因包含的“损伤反应”控制区可被多种类型的损伤激活，从而促进动物不同器官和组织的修复及生长。

Kusakawa等[13]采用免疫组织化学法分析了BMP5在成年大鼠中枢神经系统中的表达情况发现，BMP5在大部分神经元及其树突、轴突中表达丰富；大鼠小脑皮质中蓝斑、孤束核等可塑性较强的灰质神经纤维中存在BMP5的强阳性表达，同时在星形胶质细胞、室管膜细胞以及脑膜中也有BMP5的表达。Shi等[14]运用生物信息学技术探究中枢和外周神经系统损伤修复过程所涉及的共同表观遗传变化发现，BMP5作为核心基因之一在神经损伤后高表达，其能抑制细胞凋亡，促进细胞增殖。以上研究表明，BMP5在成年个体神经系统广泛表达，表明其在成体中枢及外周神经系统中可能发挥重要作用，调控相关的生理及病理过程。

1.2.2胚胎发育方面 神经嵴细胞是在脊椎动物发育过程中短暂存在的胚胎细胞群体，是背侧神经管的上皮细胞，可分化产生骨细胞、软骨细胞，参与颅面部的正常发育[15]。在神经嵴细胞诱导过程中，适宜的BMP表达量非常重要。Shih等[16]研究发现，斑马鱼的神经嵴前体细胞表达BMP5，而BMP5可以启动相关信号通路，进而调节神经嵴细胞的存活和增殖，协助神经嵴细胞发挥生理作用。Hippo信号通路是一个进化相对保守的通路，其参与细胞的增殖、迁移、分化以及成体内组织细胞的动态平衡、肿瘤发生等[17-18]。Yes相关蛋白(Yes-associated-protein，YAP)是Hippo信号通路的主要效应因子[19]，也是斑马鱼颅骨神经嵴发生所必需的因子[20]。Kumar等[21]发现，YAP在禽胚的背侧神经管和早期迁移的神经嵴细胞中表达。抑制BMP或Wnt信号会降低YAP活性并减弱YAP介导的神经嵴细胞迁移能力；反之，背侧神经管中YAP功能的丧失也可抑制BMP或Wnt信号表达[21]。YAP与BMP/Wnt分子网络密切相关。结合既往BMP5在斑马鱼神经嵴细胞中的表现，未来可将BMP5与Hippo通路串联研究。

为了探究BMP5对牛胚胎早期发育的影响，García等[22]对BMP5、BMPR的基因表达和外源性BMP5对机体发育以及与发育有关的重要基因表达的影响进行研究，通过分析BMP5和BMPR(BMPR1A、BMPR1B和BMPR2)信使RNA的表达发现，尽管早期在胚胎培养基中加入100 ng/ml的BMP5对卵裂率无影响，但从卵裂胚胎发育到囊胚期的比例明显增加。运用反转录实时定量聚合酶链反应研究发现，SRY盒转录因子2基因在双细胞期胚胎中的相对丰度显著增加，分化抑制因子基因和干细胞多能性调节基因八聚体结合转录因子4在8-细胞胚胎中的相对丰度明显增加，且同源蛋白转录因子NANOG(nanog homeobox)和八聚体结合转录因子4在BMP5处理的胚泡中的相对丰度也显著增加，而NANOG的表达有助于胚胎的成活以及外胚层的形成[23]。以上研究结果初步表明，在胚胎培养液中早期添加BMP5对囊胚发育率有积极影响，并影响BMP靶基因和某些多能基因的相对表达，提示BMP5在牛胚胎着床前的发育过程中可能发挥重要作用。

2 BMP5与肿瘤

2.1BMP5与结直肠癌 散发性结直肠癌是结直肠癌中最常见的类型，结肠上皮细胞表观遗传突变的积累是该病发生、发展的原因之一[24]。有报道显示，微RNA(microRNA,miRNA/miR)表达异常与散发性结直肠癌有关[25]。miR-32作为一种保守的miRNA与多种肿瘤的发生有关[26]。BMP5是miR-32的直接靶点[27-28]，这是对既往研究的抑癌基因人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因[29]、Kruppel样因子4[30]和F框/WD40域蛋白基因7[31]以及癌基因Twist家族BHLH转录因子1[26]和组蛋白甲基化转移酶果蝇zeste基因增强子同源物2[32]与miR-32相互作用网络的进一步补充。研究认为，BMP5缺失在结肠正常上皮向腺瘤转化中占主要地位，其表达异常触发肿瘤的发生发展[27-28]。有研究通过转录组测序技术发现了一个新的涉及BMP5的转导通路，即Janus激酶/信号转导及转录激活因子信号转导通路[27-28]。上皮基质相互作用蛋白1基因位于染色体13q13.3，最初作为人乳腺癌间质成纤维细胞诱导基因被报道，其在乳腺癌患者中高表达，具有调节肿瘤细胞特性和上皮-间充质转化的功能[33]。上皮基质相互作用蛋白1水平升高参与由白细胞介素-28A诱导的Janus激酶/信号转导及转录激活因子信号转导通路的激活，而BMP5则通过Janus激酶-信号转导及转录激活因子信号转导通路抑制上皮基质相互作用蛋白1的激活，进而抑制白细胞介素-28A的表达，达到进一步抑制Janus激酶/信号转导及转录激活因子信号转导通路下游基因的目的。

2.2BMP5与肺癌 肺癌是最常见的癌症之一，发病人数占癌症患者的11.6%，也是最主要的癌症死亡原因之一，肺癌患者死亡人数占癌症总死亡人数的18.4%[34]。肺癌包括小细胞肺癌和非小细胞肺癌，其中非小细胞肺癌包括腺癌、鳞癌、大细胞肺癌和混合癌，约占所有肺癌的90.8%[35]。BMP在肿瘤细胞的增殖、转移以及侵袭过程中起重要作用。Deng等[36]对非小细胞肺癌组织中的BMP信使RNA进行分析发现，肿瘤组织中BMP5和BMP7信使RNA水平均显著低于相应的非癌组织；肺腺癌组织中BMP5信使RNA的水平显著高于肺鳞癌组织；免疫组织化学分析显示，BMP5蛋白在肺腺癌中的表达水平高于肺鳞癌。故推测BMP5可能是非小细胞肺癌患者潜在的预后生物标志物或治疗靶点。Pin2/TRF1结合蛋白X1基因是抑癌基因[37]，其在肿瘤的发生发展过程中扮演重要角色[38-39]。Tian等[40]发现，Pin2/TRF1结合蛋白X1可导致非小细胞肺癌细胞周期阻滞，且BMP5可能参与Pin2/TRF1结合蛋白X1相关的细胞增殖和细胞周期转换过程，并可能是Pin2/TRF1结合蛋白X1抑制细胞增殖和细胞周期转换的关键分子。在未来的研究中可敲除肺癌中的BMP5基因，以观察其对肿瘤细胞增殖或凋亡的影响。

2.3BMP5与皮肤癌 在皮肤慢性肿瘤研究方面，了解角质形成干细胞的调节机制对于掌握伤口愈合和相关皮肤癌或肿瘤发病机制尤为重要。相关研究表明，角质形成干细胞位点1位于小鼠第9号染色体[41]。Kangsamaksin和Morris[42]研究发现，BMP5基因存在序列变异，BMP5在野生型小鼠毛囊间表皮和毛囊中表达，并促进相关干细胞增殖，BMP5的自发突变影响角质形成干细胞的增殖和皮肤肿瘤易感性，可作为角质形成干细胞位点1的候选干细胞调控基因加以研究。Park等[43]发现，BMP5在小鼠增生伴发育不良的乳头状瘤表皮和上皮中均有表达，瘤体的角质细胞产生的可溶性因子与BMP5协同作用，增强骨髓基质来源上皮细胞的角蛋白合成；且骨髓基质来源上皮细胞可在乳头状瘤和发育不良溃疡等皮肤癌变过程中发生增殖、募集以及上皮化现象。

2.4BMP5与前列腺癌 前列腺肿瘤包括前列腺上皮来源或间叶来源的肿瘤，大部分为恶性。Huang等[44]对前列腺癌患者进行全基因组关联研究发现，BMP5单核苷酸多态性(rs3734444)与前列腺癌特异性死亡率及全因死亡率密切相关，其可为识别预后不良风险较高的患者提供参考，也有助于采取合适的治疗措施。雄激素受体拮抗剂治疗前列腺癌的疗效显著，但随着治疗时间的延长，部分患者会对雄激素受体拮抗剂产生耐药，进而发展为去势抵抗性前列腺癌。Zhao等[45]研究发现，BMP5基因在去势抵抗的前列腺癌组织中的表达显著上调，提示BMP5与前列腺癌相关，为靶向药物的研究提供了参考。前列腺基底干/祖细胞的稳定对前列腺癌的发生发展具有重要影响。Tremblay等[46]发现，基底干/祖细胞稳态的维持受BMP5信号调节，运用小分子抑制剂抑制BMP5基因的表达或抑制BMP信号通路可延缓人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因缺陷小鼠前列腺癌的发生，表明BMP5基因对前列腺基底干/祖细胞的稳定具有调节作用。但关于BMP5与前列腺肿瘤关系的研究往往是通过抑制目标基因的表达进而观察其对动物模型或肿瘤细胞产生的影响，未来仍需扩大所选动物模型的类别，以期获得BMP5与前列腺肿瘤关系更为有力的证据。此外，基因突变位点或相应的单核苷酸多态性如何更有效，甚至高效地应用于临床治疗，还需要进行更深入的研究。从遗传学层面进行合理修复，使细胞恢复至正常的状态为治疗的根本。

3 小 结

BMP5作为BMP家族的重要成员，在肺部肿瘤、骨关节炎、皮肤肿瘤、先天性小耳畸形、前列腺增生等疾病的发生发展中发挥独特作用。BMP家族涉及多条信号通路，如通过转化生长因子-β信号通路调控骨骼等的发育过程[47]；也可与Hippo-YAP及其同源蛋白含有PDZ结合基序的转录共激活因子信号通路中的YAP因子相作用，进而调控下游靶基因，产生相应生物学效应[48]；与Hedgehog信号通路相联系，更好地维持胚胎发育的正常进展和成体组织细胞的稳定性[49]；借助转化生长因子-β信号通路、促分裂原活化的蛋白激酶信号通路与Wnt信号通路相互作用，协助维持细胞功能的正常运转[50]。结合BMP5相关研究的最新进展，对与BMP5可能相关的基因位点、细胞通路、调控方式予以更细致的研究，将为更好地治疗与BMP5相关的肿瘤疾病提供新方向。