BMP-9在肝脏疾病中的研究进展

张 娜 张 琦, 张雅娟 刘 静

1 甘肃中医药大学,甘肃省兰州市 730000; 2 甘肃省人民医院老年病科

骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic proteins, BMP)是转化生长因子(TGF)-β超家族成员之一,是胚胎发生和出生后人体稳态的重要调节剂,它们的严格调控对胚胎发育的成功以及成体组织的内稳态十分重要。目前已经知道的就有18种不同的BMP同源分子,根据序列同源性和功能多样性,BMP/生长分化因子(GDF)亚家族可进一步细分为BMP2/4、BMP5/6/7/8、BMP9/BMP10、GDF1/3、GDF5/6/7、GDF8/11、GDF9/BMP15和GDF10/BMP3[1]。虽然,它们与TGF-β超家族的其他一些成员有着基本的相似之处,但BMP功能的多样性导致了它信号功能调节水平的复杂。BMP作为一种分泌蛋白,与多条信号通路有关,BMP通路或其调节出现问题是不同器官许多疾病的基础。包括肥胖、糖尿病、各种血管疾病、癌症以及相关的并发症。它功能的多样性远远超过TGF家族的其他成员[2]。

1 骨形态发生蛋白9 (BMP-9)

BMP-9是BMP家族中的一员,最初从小鼠肝脏cDNA文库中克隆而来,在大鼠肝脏中主要由非实质细胞表达[3]。它是一种强大的骨形成促进剂。新的证据表明,BMP-9可能在代谢综合征中发挥关键作用[4]。BMP通过与跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体结合来传递信号,该受体由两种亚型组成:亚型Ⅰ(ALK1、ALK2、ALK3或ALK6)和亚型Ⅱ(BMPRⅡ、ActRⅡA或ActRⅡB)[5]。BMP-9与ALK1的结合具有比与ALK2高得多的亲和力。这些BMP-9受体复合物激活下游典型信号通路R-Smads(Smad1、5或8)和非典型通路(MAPKs、 Wnt等)来调节BMP -9靶基因的表达[6]。综上所述,BMP-9通过这些通路调控着机体的许多过程。但是,BMP-9在小鼠肝脏中的总体代谢调节是如何通过这些复杂的信号通路发挥作用的尚不完全清楚。

2 非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪性肝病(Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)是世界上最常见的慢性肝病。随着糖尿病的流行,其患病率也在逐步上升。流行病学显示,70%的2型糖尿病患者存在NAFLD。NAFLD和2型糖尿病(T2DM)之间的相互损害关系已经得到了充分的证实[7]。最近的证据表明,T2DM是NAFLD的独立危险因素[8]。脂肪肝可发展为非酒精性脂肪性肝炎(Non-alcoholic steatohepatitis,NASH),有时可导致肝硬化及其并发症,包括肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)[9]。这种多因素疾病可由不健康的生活方式、肥胖、血脂异常、2型糖尿病和(或)其他代谢综合征引起[8]。

BMP-9已经被证明可以改善糖尿病小鼠的葡萄糖稳态[10]。BMP-9可通过抑制肝脏糖异生,增加肌肉组织对葡萄糖的摄取和利用。已经证实BMP-9与胰岛素一样,可以改善糖尿病小鼠的血糖,并调节肝细胞的定向糖代谢[2]。我们推测BMP-9可能对糖脂代谢有有益的影响。

BMP-9在多种组织中均有表达,但主要在肝脏中表达。因此,笔者首先检测了胰岛素抵抗(Insulin resistance,IR)小鼠和人的肝脏中BMP-9的表达,发现在IR小鼠和T2DM患者的肝脏中BMP-9的表达明显降低。与之前的报道一致,T2DM患者的循环BMP-9水平及其在肌肉和脂肪组织中的表达明显降低[11]。笔者推测BMP-9可能参与糖脂代谢,以及IR。然而,BMP-9在IR中的作用仍不清楚。一项研究表明[10],用抗BMP-9抗体治疗空腹大鼠可诱导葡萄糖耐受不良和IR。研究人员还发现,在喂食高脂肪饮食(HFD)的小鼠中,肝脏BMP-9的过表达改善了葡萄糖耐量和IR。腺病毒BMP-9处理的小鼠肝脏和葡萄糖胺处理的肝细胞中,糖异生基因表达下调,而胰岛素信号分子磷酸化水平升高。BMP-9除抑制糖异生外,有研究[12]还通过改变关键酶——苹果酸酶(ME)和脂肪酸合酶(FAS)的表达,证实BMP-9对脂类代谢有影响。动物研究表明[2],BMP-9通过增加成纤维细胞生长因子21 (FGF21)的表达降低血清中谷丙转氨酶(ALT)和胆固醇水平。FGF21主要由肝细胞释放,可诱导白色脂肪组织中的脂肪酸氧化,抑制肝脏中的成脂基因,减少甘油三酯的积累。总的来说,研究已经证明了BMP-9在葡萄糖稳态中的积极的作用,有望成为治疗NAFLD的新靶点。

3 肝脏纤维化

肝纤维化是指各种致病因素引起的肝脏炎症和损伤的代偿性反应,与肝脏疾病的进展有关[14]。在世界范围内,肝纤维化的发病率和死亡率较高,其特点是细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的渐进性积累,破坏了肝脏的生理结构。在肝纤维化过程中肝星状细胞(Hepatic stellate cells, HSCs)的活化起着至关重要的作用[14]。病理情况下,被激活的肝星状细胞向着肌成纤维细胞转分化,肌成纤维细胞生成大量的胶原导致纤维化形成。严重的纤维化可导致肝硬化、门脉高压,甚至癌变。迄今为止,多项研究证明肝纤维化的进展受多种信号通路的调节,包括TGFβ、BMP和Smad[15]。

BMP-9是肝纤维化发生过程中重要的细胞因子,肝纤维形成过程中的第一个事件是LSECs失去其特定的表型。它们关闭细胞间隙,失去窗口进而导致肝窦毛细管化。研究发现,人LSECs中BMP-9通过下调lyve-1和上调基膜蛋白诱导肝窦毛细血管化[6]。研究小组还发现,健康的大鼠LSECs能保持星状细胞静止表型,而毛细血管化的LSECs失去了这种作用。与这发现一致的是,有学者对肝纤维化患者的活检进行分析,结果显示,较高的BMP-9水平伴随着晚期肝纤维化。同样,在小鼠模型中,重组BMP-9过表达加速了肝纤维化,腺病毒介导的BMP-9敲除减弱了肝纤维化[16]。ALK1是肝脏非实质细胞中主要的BMP-9受体,配体激活的ALK1通过Smad1通路激活靶基因Id1,从而诱导造血干细胞分化为成纤维细胞,成纤维细胞产生ECM蛋白。ECM的过度产生沉积导致肝脏纤维化[17]。抗菌肽(hepcidin),BMP-9肝脏中另一个重要的靶基因,是一种富含半胱氨酸的抗菌多肽。hepcidin的一个显著作用是抑制铁的吸收和循环。在临床中,铁沉积伴随着各种晚期疾病引起的肝纤维化和肝硬化。一项研究[18]采用血卟啉Hjv- /-小鼠模型研究铁超载对肝纤维化的影响,发现Hjv基因的缺失会导致铁离子沉积,从而促进肝纤维化。我们推测,肝脏中的铁沉积可能是由于hepcidin的减少而发生的,而BMP9可上调hepcidin表达。这与BMP-9在肝纤维化中的作用相反。此外,有研究表明[19],BMP-9不能直接激活星状细胞。BMP-9介导的星状细胞活化可能是不同非实质肝细胞类型(LSEC、KC、星状细胞和其他成纤维细胞亚型)之间相互作用的结果。综上所述,BMP-9既可以是促纤维生成因子,也可以是抗纤维生成因子。笔者推测,肝脏微环境的不同可能导致BMP-9所发挥的功能不同。BMP-9可以作为一个有效的生物标志物和潜在治疗肝细胞纤维化药物的靶点。

4 肝细胞癌

肝细胞癌,是最常见的肝脏癌症,侵袭性强,是一种高血管性的实体肿瘤,慢性肝病或肝硬化的患者是肝癌的高发人群[20]。在世界范围内,HCC发病率较高,是癌症死亡的第三大原因。目前的治疗方法包括化疗、射频消融和手术切除,栓塞仅在肝癌的早期应用,疗效有限[21]。尽管有大量的科学研究,但肝癌的复发率仍然很高,经常规治疗后还是有大约70%的患者会复发[22]。肝癌除了可以在肝脏外转移它还能够在肝内转移,导致肝癌的预后较差。上皮—间充质转化(Epithelial-mesenchymal transition, EMT)的特征是上皮细胞的分化特征消失,在疾病进展的不同阶段发挥着核心作用[23]。TGF-β被认为是癌细胞中EMT表型的关键诱导因子,在癌症发生过程中有着双重作用:一方面,在正常和恶性前细胞中,TGF-β是一种细胞抑制因子、促凋亡因子。另一方面,在癌细胞中,TGF-β导致细胞去分化,EMT和转移[24]。

BMP-9在不同肿瘤的进展中发挥着不同的作用,但其在HCC中的作用尚不清楚。研究人员对人HCC组织样本的表达进行分析,结果显示,BMP-9表达水平与肿瘤分期呈正相关;此外,体外实验证明,在HCC细胞中BMP-9可以增强细胞迁移并诱导上皮间质转化[25]。因此,笔者确定BMP-9是HCC中一个新的EMT诱导因子。与之相反的是,有研究表明[26],从正常肝脏到各种癌前病变和在HCC中BMP-9的表达呈线性下降趋势,其主要下游靶点ID1的表达也减少,因此研究人员推测,BMP-9在HCC中可能具有肿瘤抑制作用。因为HCC是典型的高血管性恶性肿瘤,血管新生被认为是HCC发展过程中肿瘤微环境形成的关键因素。在血管生成刺激因子中,VEGFA是中心,而VEGFA是HIF-1α的直接靶点。Chen H等[27]发现,在肝细胞癌组织标本的分析中,HIF-1α表达与BMP-9表达呈正相关。此外,他们还证实了重组BMP-9过表达,诱导了肝癌细胞ID1和HIF-1α/VEGFA的表达。这些结果提示BMP-9参与了HCC血管生成。靶向BMP-9信号的治疗或许可以为HCC提供一种新的治疗选择。尽管关于BMP与肿瘤的科学研究数不胜数,但我们目前对BMP在癌症中的作用机制了解还远远不清楚。还没有足够的体外和体内数据来得出确切的结论[28]。

5 小结

BMP-9是一个多功能调节因子,迄今已被证明可以控制铁稳态,调节内皮细胞血管生成。BMP-9主要在肝脏中表达,因此,BMP-9可能参与肝脏疾病的发生发展,本文中笔者总结了BMP-9及其信号通路在非酒精性脂肪肝、肝纤维化和肝细胞癌中的作用,发现BMP-9在不同条件下发挥着不同的作用,推测BMP-9的作用可能跟微环境有关。但目前对BMP在肝脏疾病中的作用机制了解还不够清楚,没有足够数据来得出准确的结论,需要进一步的实验来研究BMP-9在肝脏疾病中的作用。