骨形成蛋白及其信号通路在近视发病机制中作用的研究进展△

叶天宇 郝 琪 毕宏生 吴秋欣

近年来,全球近视患者发病率高速增长,已成为世界性的公共卫生问题。有研究预测,到2050年,近视人口将达到4.758亿,占世界人口的49.800%[1]。值得注意的是,我国儿童近视和高度近视的患病率明显高于其他国家[2]。近视及其并发症严重影响人们的学习、生活和视觉质量,同时高度近视可引起青光眼、白内障、视网膜脱离和黄斑病变等严重并发症[3]。因此,近视发病机制的研究在近视防控中有重要作用。研究显示,多种信号通路参与近视的发生和发展,如多巴胺信号通路[4]、转化生长因子-β(TGF-β)Smad信号通路[5]、Shh信号通路[6]等。骨形成蛋白(BMP)是一种多功能生长因子,属于TGF-β中的一种,在动物及人眼组织中广泛表达。以往研究表明,BMP及其信号通路在近视调控中起重要作用[7]。因此,本文就BMP、BMP信号通路及其在近视发生发展中的作用进行综述。

1 BMP及其信号通路

1.1 BMP结构特点及其分布

BMP是由骨母细胞产生的多肽生长因子,除BMP1外均属于TGF-β超家族中的成员。成熟的BMP是由一个二硫键连接两条多肽链形成的多肽二聚体分子,40.0%～50.0%的重要结构与TGF-β高度同源。BMP主要包括3个明显不同的亚家族,包括BMP2和BMP4、BMP3和BMP3B以及BMP5～8[8],也有研究将软骨源性形态发生蛋白划归为BMP[9]。BMP及其拮抗因子是生命活动过程中多方面的调节因子,它们在胚胎发育,细胞增殖、分化、凋亡,血管生成和细胞外基质成分的分泌等过程中均起重要作用[10-12]。

BMP及其受体广泛存在于眼组织。有研究显示,小鼠角膜上皮基底细胞以及角膜内皮中均表达BMP4、BMPR-IA、BMPR-IB和BMPR-II[13],有研究在人角膜缘处也发现了BMP4的表达[14]。在小鼠虹膜以及睫状体中同样测得较高表达水平的BMP4和BMPR-IB,晶状体上皮细胞以及皮质纤维细胞也存在BMP4、BMPR-IA、BMPR-IB和BMPR-II的表达[13]。在视网膜和脉络膜中,有研究分别检测到C57BL/6小鼠视网膜和雏鸡的脉络膜存在BMP2、BMP4和BMP7的表达,同时,小鼠视网膜中还表达BMP5[15]。巩膜作为近视相关基因组学的研究热点部位是导致近视眼轴伸长的最终效应组织,巩膜中BMP及其受体的表达具有特异性,人巩膜组织有BMP2、BMP4、BMP5和BMP7 mRNA的表达,而未发现BMP3和BMP6的表达;在大鼠巩膜中仅发现了BMP7;豚鼠巩膜中发现了BMP2、BMP4和BMP5 mRNA的表达,但未发现BMP7,这与人类相似[7]。BMP受体(BMPR-IA、BMPR-IB、BMPR-II)在人和豚鼠巩膜中均有表达,这表明BMP在正常巩膜稳态中起到一定的作用[16]。

1.2 BMP信号通路的作用

BMP属于TGF-β家族,该蛋白家族有两种类型(I型和II型)的丝氨酸苏氨酸蛋白激酶受体[17],BMP与细胞膜上的BMP受体结合形成复合体后激活多种细胞内信号通路,一方面可特异性地激活Smad依赖性信号通路,另一方面也可通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK),如细胞外信号调节激酶和TGF-β活化激酶1(TAK1)激活Smad非依赖性信号通路。

1.2.1 Smad依赖性途径

Smad依赖性途径是经典Smad信号通路。BMP信号转导主要通过依赖Smad通路来调控下游的基因表达。在细胞外,BMP作为配体特异性地与细胞膜表面的BMPI型受体(BMPRI)和BMPII型受体(BMPRII)结合,BMPRII自身磷酸化后激活BMPRI,并将信号传递给细胞浆中的受体调节型Smad(R-Smads)。BMP/Smad信号通路中R-Smads为Smad1/5/8,Smad1/5/8在酪氨酸激酶的作用下羧基端磷酸化后与共同通路型Smad,即Smad4,结合形成复合体,该复合体移动至细胞核进一步激活或抑制细胞核内相关基因的表达,从而影响细胞的生长、分化以及细胞外基质的合成[18]。此外,许多研究发现,BMP信号通路中存在一些共受体,比如排斥性导向分子家族(RGMs),RGMs-BMP复合体在网格蛋白介导的内吞作用下形成内体,在内体中,RGMs-BMP复合体发生解离,BMP与内体中高表达的I型受体结合,并促进Smad磷酸化和下游基因转录[19]。

经典Smad信号通路在眼球发育过程中发挥重要作用,且与多种眼病的病理生理机制相关联,例如,在视网膜发育过程中,视网膜中间神经元的分化与BMP/Smad信号通路激活Id1基因表达相关,该过程受细胞核转录因子Zeb2的负向调节,最终影响视网膜神经元与神经胶质细胞的比例[20];BMP/Smad信号通路能够抑制TGF-β 2/Smad信号通路诱导的晶状体上皮细胞上皮-间质转化,后者被认为是外伤性白内障和后发性白内障的发病机制[21];在青光眼动物模型中,BMP4/Smad信号通路能够抑制视网膜神经节细胞凋亡,并恢复一定的视神经功能[22]。

1.2.2 Smad非依赖性途径

Smad非依赖性途径是非经典Smad信号通路。有研究表明,BMP还可以通过非Smad信号通路进行信号转导,即MAPK信号通路,包括细胞外信号调节激酶、c-Jun氨基端蛋白激酶、P38蛋白等[23]。BMP在细胞外与受体特异性结合后,通过细胞内三级激酶级联的形式将信号传递到细胞核内。肿瘤坏死因子受体相关因子与TAK1结合蛋白、TAK1形成聚合物,并完成TAK1磷酸化。活化的TAK1经多步酶促反应最终激活MAPK,MAPK最终移动至细胞核与Smad复合体或其他辅因子结合,调控相关基因表达[23],参与细胞分化、组织纤维化等过程[24-25]。

2 BMP及其信号通路参与近视调节

2.1 BMP及其信号通路相关基因组学研究

人类基因分析证实,BMP2与近视有关[26-27]。Tideman 等[28]研究近视相关基因位点与眼轴、角膜曲率的关系发现,BMP2基因与眼轴和角膜曲率相关。Liu等[29]研究发现,BMP2K基因的变异与中国台湾人群中的高度近视密切相关。Guo 等[30]研究发现,SLC39A5在眼球发育中发挥重要作用,它在视网膜和巩膜组织中表达较高,能够使BMP信号通路的下游信号因子Smad1的表达下调,SLC39A5功能缺失性突变与非综合征高度近视密切相关,提示BMP/Smad1信号通路可能参与此类高度近视的发生发展。

2.2 BMP及其信号通路在近视患眼视网膜-脉络膜-巩膜中的表达

2.2.1 BMP及其信号通路在视网膜中的表达

视网膜是视觉通路的重要组成成分,分为外侧的色素上皮层和内侧的神经上皮层,其中视网膜色素上皮层(RPE)作为视网膜与脉络膜、巩膜分子信号转导的重要组织结构在近视发生发展中起重要作用,其能够分泌多种神经递质与信号因子参与眼轴伸长和巩膜重塑[31]。

近视的发展是一个动态过程,与眼球的生长发育密切相关,主要以眼轴增长为特点,RPE中BMP的表达水平影响眼球径的大小。Mai等[32]研究发现,在小鼠RPE中,过表达的胆固醇调节元件结合蛋白2(SREBP2)能够抑制BMP2与低密度脂蛋白受体相关蛋白2(LRP2)的转录,后者也可以作为上游分子激活BMP2,最终造成小鼠眼轴长度和眼球赤道直径的增长,这表明RPE中表达的BMP2是影响眼球生长、调节近视的关键信号分子,在眼球的生长发育过程中作为负向调节因子抑制眼轴的伸长,与SREBP2等正向调节因子共同动态调节眼球的生长。

BMP在RPE中的表达受形觉剥夺性近视(FDM)和透镜诱导性近视(LIM)的影响。在近视的发生发展过程中,RPE表达的BMP可能在视网膜-脉络膜-巩膜生长调节信号转导机制中发挥关键作用。有实验表明,形觉剥夺可下调RPE中BMP2、BMP4和BMP7的基因表达,同样地,给实验鸡配戴负透镜,可产生远视离焦诱导眼轴伸长,RPE中BMP mRNA表达水平随着戴镜时间延长而下降[33]。Goto等[34]利用-10 D的硬性接触镜诱导豚鼠近视,单取其RPE作为样本,结果发现,近视豚鼠RPE中BMP2表达下调,因此,BMP2可能起到抑制近视的作用。此外,有研究表明,在RPE中,ARPE-19细胞分泌BMP2受视黄酸、多巴胺等信号分子的调控,最终导致巩膜组织形态学的变化[35-36]。

因此,BMP在RPE中的表达水平受到视觉刺激的影响,BMP是参与眼轴伸长和近视发生发展的负向调节因子。

2.2.2 BMP及其信号通路在脉络膜中的表达

脉络膜在调节眼球发育和近视的发展中起着重要作用,与正视眼和远视眼相比,近视患眼脉络膜厚度显著变薄,脉络膜血流量显著降低,视网膜和巩膜为缺氧表现[37]。不同光学离焦刺激通过改变BMP表达水平来影响脉络膜厚度,Zhang等[38]研究发现,雏鸡配戴+10 D透镜后,RPE中BMP2、BMP4和BMP7表达水平升高,其中BMP2表达水平升高最明显,并推测RPE分泌的BMP蛋白增加,可能促进了正透镜诱导的脉络膜增厚;反之,雏鸡配戴-10 D透镜或形觉遮盖后,RPE中BMP2、BMP4和BMP7表达下降,脉络膜变薄,并促进了眼轴的伸长;同样地,Riddell 等[39]用正透镜和负透镜对鸡进行近视和远视诱导后发现,后极部视网膜、脉络膜中BMP2表达水平在不同离焦形式和诱导时长上存在差异;另外,把实验动物近视屈光度、眼轴长度与代谢、免疫通路进行信息交叉研究发现,氧化应激等生理过程与近视之间具有相关性,例如,BMP信号通路可以上调脉络膜PTX3基因表达,而PTX3作为炎症因子可使细胞外液体积聚,这可能是远视诱导上调BMP2表达,最终表现为脉络膜增厚的原因。综上所述,BMP及其信号通路参与了近视的发展。

2.2.3 BMP及其信号通路在巩膜中的表达

巩膜组织由两部分组成,极少部分的细胞成分和大部分的细胞外基质。近视患眼巩膜的重塑多被认为是巩膜细胞外基质的改变,胶原是巩膜细胞外基质的主要成分,巩膜组织中的胶原纤维主要由Ⅰ型胶原蛋白、Ⅲ型胶原蛋白和Ⅳ型胶原蛋白组成,而Ⅰ型胶原蛋白占比较大,位于眼球赤道部和后极部之间。研究表明,在近视巩膜重塑中,胶原蛋白的表达均下降,以Ⅰ型胶原蛋白表达下调最为显著[40]。

大多数脊椎动物的巩膜内含有软骨细胞层,而哺乳动物(包括人类)、蛇和晰蝎的巩膜则只有纤维细胞层,但是人类巩膜仍然保留软骨层的特征[41]。人类巩膜蛋白多糖合成率的年龄相关性变化也与关节软骨的变化一致,因此,调节软骨细胞生长的生长因子,如BMP等,可能也调控巩膜的生长。在视觉发育过程中,巩膜是一个动态变化的组织,它能够随外界视觉环境的变化而变化[42-43]。有研究认为,由局部视网膜信息调控的巩膜细胞外基质主动重塑是近视发生发展的关键环节,即来自外界环境的视觉信息激活视网膜,启动视网膜和脉络膜信号转导系统,产生一系列调控信号,引起巩膜胶原蛋白合成减少、降解增加,导致后极部巩膜进行性变薄,在眼压的作用下眼轴伸长,最终导致近视的发生[44-45]。

BMP2表达的改变与近视患眼巩膜重塑有关[46]。Wang等[7]研究发现,BMP2在眼轴变长的FDM豚鼠后巩膜中表达降低。Li等[47]研究发现,-4 D 透镜诱导豚鼠近视3周后,后极部巩膜BMP2表达下降,去除-4 D透镜后1周BMP2表达恢复,与对照眼相比无差异。张玉等[48]对C57BL/6小鼠进行FDM诱导后发现,BMP2表达明显下调,且巩膜的形态学特征发生了变化。以上研究显示,BMP2在体外可能是通过Smad1通路作用于人巩膜成纤维细胞,促进细胞增殖和分化,细胞形态发生变化,促进Ⅰ型胶原蛋白、Ⅲ型胶原蛋白、糖胺聚糖和蛋白聚糖的合成,从而促进巩膜细胞外基质的合成。有研究表明,BMP2在体外可以使人巩膜成纤维细胞基质金属蛋白酶2(MMP2)表达水平降低,组织蛋白酶抑制因子2(TIMP2)表达水平升高,从而调节细胞外基质的生成[49]。以上研究表明,BMP2和BMP/Smad信号通路与近视发生过程中巩膜重塑密切相关。

2.3 BMP与视网膜-脉络膜-巩膜信号系统中其他信号通路的关系

2.3.1 BMP与多巴胺信号通路

有研究表明,多巴胺代谢与近视调节以及眼球发育密切相关[50-51],左旋多巴为多巴胺的前体,可能是近视发展的终止信号。Landis等[52]研究发现,给小鼠体内注射左旋多巴可以防止FDM模型小鼠眼向近视移位,同时,他们利用多巴胺由细胞内释放到细胞外的过程依赖于囊泡单胺转运蛋白2(VMAT2)介导的囊泡运输这一特点,选取VMAT2基因编辑小鼠制作FDM模型,其中,VMAT2基因敲除小鼠无法表达VMAT2,导致合成的多巴胺无法释放,结果显示,VMAT2基因敲除小鼠与VMAT2基因过表达小鼠相比,VMAT2基因敲除小鼠FDM模型眼明显向近视移位。Thomson等[53]对发育中的LIM模型雏鸡给予左旋多巴玻璃体内注射或滴眼处理,与对照眼相比,左旋多巴显著抑制眼轴伸长和近视屈光度的增加,联合注射D1/D2样多巴胺受体拮抗剂进一步发现,左旋多巴通过D2样受体机制抑制LIM发展。还有研究表明,BMP信号通路可能参与多巴胺调控近视的过程。Li等[35]通过体外培养RPE(ARPE-19)细胞发现,多巴胺会上调RPE细胞BMP2的表达,揭示了多巴胺调节眼轴伸长的机制是通过视网膜中BMP2等生长因子将信息传递到巩膜实现的。以上研究显示,BMP还可能作为多巴胺信号通路的下游信号来调控近视。

2.3.2 BMP与视黄酸信号通路

视黄酸是维生素A活性形式视黄醇的代谢产物,不仅参与细胞增殖、分化、凋亡的调节,也是视网膜-脉络膜-巩膜信号转导系统中的重要一环。视黄酸由脉络膜基质细胞合成,有研究表明,视黄酸的合成反应受视黄醇脱氢酶2的调控,合成的视黄酸最终转运至巩膜发挥作用,影响眼轴的伸长[54-55]。另外,Yu等[56]研究白光或短波蓝光对LIM模型豚鼠近视发展的影响,结果显示,白光下口服外源性视黄酸可以加快眼轴伸长速率,但同样饲养条件下蓝光处理的豚鼠视网膜中视黄酸表达水平降低,眼轴伸长速率下降,可知短波长的蓝光可能是通过视黄酸信号通路来抑制近视的发生发展。有研究发现,视黄酸信号通路也可以影响视网膜TGF-β和BMP信号因子的表达[36,57]。Gao等[36]体外培养ARPE-19细胞发现,视黄酸可以与细胞上的视黄酸β受体结合,提高BMP2和MMP2的分泌水平进而影响巩膜重塑。还有研究表明,视黄酸还可以通过磷脂酶C途径刺激视网膜分泌TGF-β2,进而影响巩膜胶原蛋白合成[57]。因此,不同视觉刺激可影响视黄酸信号通路的表达进而调控RPE分泌二级信号因子,如TGF-β和BMP,来控制巩膜细胞外基质的分泌过程,调控眼轴的伸长。

3 结束语

BMP家族及其相关信号通路在眼球发育及近视发生发展中起重要作用,一方面,BMP/Smad信号通路通过参与近视视网膜-脉络膜-巩膜生长因子信号转导直接影响RPE和脉络膜的生长发育,进而调控巩膜成纤维细胞合成胶原蛋白等细胞外基质成分。另一方面,BMP也可作为多巴胺信号通路、视黄酸信号通路等信号通路的下游信号调节巩膜重塑。然而,许多视网膜-脉络膜-巩膜信号转导系统中其他机制及信号通路,如HIF-1α介导的巩膜缺氧、前列腺素信号通路、MMP2信号通路与BMP信号通路的相互作用关系尚不明确,因此,未来还需对BMP信号通路进行相关研究,为精准治疗近视提供候选的靶点。