骨形态发生蛋白4在非酒精性脂肪性肝病发病机制中的作用

王宇威, 刘近春, 柴 茹

1 山西医科大学研究生院, 太原 030001; 2 山西医科大学第一医院消化内科, 太原 030001

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是以肝脏内脂质过量沉积为特征的慢性进行性肝病。近年来,NAFLD的患病率逐年上升,给家庭及社会造成了极大负担[1-2]。至今为止,NAFLD尚无特效疗法,目前指南较为推荐的是生活方式干预[3],然而,因其难以长期坚持,且治疗效果因患者依从性的影响差别很大,当前迫切需要更为安全有效的方法来预防及治疗NAFLD。有研究[4]发现,骨形态发生蛋白4(bone morphogenetic protein, BMP4)在NAFLD的发病中发挥重要作用。本文就BMP4在NAFLD发病机制中的作用进行阐述,同时思考靶向BMP4在预防及治疗NAFLD中的实际意义,以期为NAFLD的临床干预提供理论依据。

1 BMP概述

BMP不仅在骨和软骨形成及修复中起作用[5-6],在调节细胞进程(如细胞增殖、分化、凋亡)中也扮演重要角色[7-8]。其可以通过经典和非经典途径发出信号,经典途径依赖于BMP与Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸-苏氨酸激酶受体结合,然后通过Smad信号通路由转录因子Smad1/5/8进行信号转导[9]。非经典通路主要包括MAPK、p38、ERK、JNK和PI3K-AKT等信号通路[10]。而BMP的拮抗剂(如Gremlin-1、Noggin等)可阻断上述途径[4]。

多项研究发现肝脏是部分BMP的重要靶标。例如,Vacca等[11]发现BMP8b可以通过促进肝脂肪变和炎症反应来诱发NAFLD。BMP9被证明可通过改善糖脂代谢、减轻炎症反应、增加胰岛素敏感性等来缓解NAFLD[12-13]。此外,BMP2被提出可能对肝纤维化具有预防和治疗作用[14]。另有学者[15-17]认为,BMP4可能通过调控肝内糖脂代谢、减轻胰岛素抵抗、抗炎及纤维化等调节NAFLD的发生发展。近期Baboota等[15]研究发现,BMP4还可能通过调节肝细胞衰老进程进而影响NAFLD。

2 BMP4在NAFLD中的潜在作用机制

2.1 调节脂质代谢

2.1.1 促进褐色脂肪样细胞生成 哺乳动物脂肪组织主要包括白色脂肪组织(white adipose tissue, WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue, BAT)。WAT通常以甘油三酯的形式储存能量;相反,BAT通过消耗储存的甘油三酯来产热,二者共同维持机体能量稳态。然而,有学者[18-19]发现了一种新的脂肪细胞类型即棕色样细胞(又称为米色脂肪细胞),指的是其虽然存在于WAT库中,但却具有棕色脂肪细胞样的外观和功能。多项研究发现,BMP4可促进WAT重塑并诱导其褐变为米色脂肪。Hoffmann等[20]将BMP4靶向到小鼠肝脏中,结果显示虽然BAT活化减少,但皮下脂肪细胞褐变增强,表明其总体效果是通过促进皮下脂肪组织褐变来增加全身能量消耗的。Qian等[21]研究小鼠中靶向BMP4过表达和敲除的结果表明,BMP4可通过p38/MAPK信号通路来调节WAT重塑并诱导其褐变。后其团队进一步研究发现,BMP4可以抑制促炎型M1巨噬细胞的活化,同时激活抗炎型M2巨噬细胞,后者可通过p38/MAPK/PI3K-AKT信号通路促进米色脂肪的形成[22]。然而,这些结果仅支持BMP4在预防肥胖方面的作用。Hoffmann等[23]提出,BMP4不能逆转成年小鼠中已建立的肥胖,原因可能与肥胖个体中BMP拮抗剂Noggin、Gremlin-1增加有关,而这可能也是WAT褐变减少的原因。上述发现预示了靶向BMP4治疗NAFLD的潜力。另外,能否通过在成年肥胖小鼠体内抑制BMP4的拮抗剂来克服脂肪组织对BMP4的抵抗性也有待进一步研究。

2.1.2 减轻肝脏脂肪积累 研究[16]表明,BMP4在肝脏糖脂代谢中起重要作用。Peng等[24]研究发现在NAFLD小鼠中BMP4表达升高,外源性给予BMP4可缓解肝脂肪变性,可能的机制是BMP4通过抑制mTORC1信号通路来减少肝脏脂肪的积累,进而抑制NAFLD的发展。其中,mTOR是磷脂酰肌醇3-激酶家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,在调节新陈代谢中起着重要作用。mTOR可形成两种不同的蛋白质复合物催化亚基,分别为mTORC1和mTORC2,当二者被激活后,可以通过促进脂肪生成和抑制脂肪分解等过程来促进甘油三酯的积累[25-26]。

2.2 调节葡萄糖代谢 NAFLD通常伴随着糖异生增加、糖原合成减少和胰岛素抵抗[27]。Zhong等[28]通过实验发现BMP4可以促进肝癌细胞的糖酵解过程,机制可能是BMP4促进了葡萄糖摄取及通过Smad信号通路上调糖酵解限速酶的活性来促进糖酵解。An等[29]综合分析14种BMP后发现,BMP4是降低葡萄糖水平和影响糖代谢基因表达的最有效BMP之一,另外结果显示BMP4上调mTORC2信号通路的大部分成员如Prr5、Prr51、Rictor、Mtor以及与糖代谢相关的下游基因如Akt1、Akt2、Akt3、Foxo1、Foxo3和Sgk-1,这表明BMP4可以通过激活mTORC2信号通路来促进肝糖原的积累,进而降低肝内葡萄糖水平。BMP4调节mTORC1/mTORC2信号通路影响糖脂代谢的过程间可能存在串扰,而葡萄糖降低这一过程可能是BMP4通过激活AMP-活化蛋白激酶抑制mTORC1信号通路的关键因素,但这一点还需要进一步验证。

2.3 减轻胰岛素抵抗 胰岛素抵抗是NAFLD发病的关键因素。Gannon[17]发现BMP信号通路可以特异性调节参与胰岛素产生和分泌的基因,并证明外源性给予BMP4可增强胰岛素分泌。Sakhneny等[30]也发现BMP4下游信号的转导可促进胰岛β细胞中胰岛素产生和分泌的核心基因的表达。此外,Hoffmann等[23]也提出,BMP4可以提高胰岛素敏感性,但值得注意的是,在该研究中发现胰岛素敏感性的增加与体质量减轻无关。提示靶向BMP4疗法或许可以为非肥胖型2型糖尿病的治疗提供新的思路。

2.4 影响肝纤维化及抗炎作用

2.4.1 与肝纤维化的关系 肝星状细胞(hepatic stellate cells, HSC)是参与肝纤维化的关键细胞。近年来,关于BMP4与肝纤维化的关系观点不一。有学者[31-32]提出,BMP4可增加HSC中α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin, α-SMA)的表达,进而促进肝纤维化。Omar等[33]将BMP4-siRNA靶向到HSC中,发现BMP4-siRNA可以抑制α-SMA的表达,且抑制程度与BMP4水平呈正相关。以上均支持BMP4可促进纤维化过程。然而Baboota等[15]发现BMP4可阻止不同损伤处理后的HSC中炎症因子的分泌,提示BMP4具有抗纤维化和抗炎作用。另有研究[34-35]发现,BMP的拮抗剂Gremlin-1可促进HSC的激活,而抑制大鼠肝脏中的Gremlin-1可缓解四氯化碳诱导的肝纤维化。BMP及其拮抗剂与HSC之间复杂的相互作用增加了HSC调节肝纤维化的复杂性,因此,需要更多的体内、体外实验来明确BMP4及其拮抗剂在肝纤维化方面的作用。

2.4.2 抗炎作用 Baboota等[15]研究发现BMP4可以显著降低不同损伤下细胞中趋化因子受体2(CCL2)、IL-6和IL-1β等细胞因子的mRNA水平,并抑制TNFα介导IL-1β分泌的增加,这与以往研究[36-37]结果相似,即BMP4可能通过过氧化物酶体增殖物活化受体γ发挥作用以减少人脂肪细胞中TNFα介导的促炎细胞因子的产生。由于其强大的抗炎潜力,BMP4可能成为炎症相关疾病如NAFLD、胰岛素抵抗、2型糖尿病等疾病的保护因子。

2.5 抗细胞衰老作用 细胞衰老对NAFLD可能起到潜在作用。在一些对NAFLD患者进行肝活检的研究[38-39]中发现其肝脏中衰老细胞增加。Ogrodnik等[38]也发现细胞衰老可以导致小鼠的肝脂肪变性,而衰老细胞的消除可以防止脂肪变性。为了探究BMP4、细胞衰老与NAFLD三者之间的关系,Baboota等[15]研究证明,NAFLD患者体内的衰老标志物SA-β-Gal、p16、p21和p53与健康对照组相比显著增加,而在非酒精性脂肪性肝炎个体中进一步上调,与此同时,NAFLD患者肝脏中BMP4水平也随疾病进展而增高。Baboota等进一步研究发现,BMP4和衰老诱导剂阿霉素(DOX)对细胞衰老具有拮抗作用,BMP4主要通过影响YAP/TAZ信号通路来抑制DOX诱导的衰老过程,表现为增加肿瘤抑制因子如LATS1、pTAZ、TAZ(p53的抑制剂[40])、pYAP和YAP等的表达,并直接抑制p16。以往也有学者[41]提出,BMP4可以通过增强BMP信号级联的早期下游标志物的抑制作用来降低p16。而YAP/TAZ途径的激活也一直被认为在肝脏修复和再生中起着重要作用[42-43],此外,YAP/TAZ途径已被证明可以激活HSC,从而导致肝纤维化,而抑制成纤维细胞中的选择性YAP/TAZ激动剂可以逆转小鼠的肝纤维化[44-45]。Baboota等[15]进行的实验也发现肝细胞衰老可能促进胰岛素抵抗,并增强促炎基因在HSC中的表达。综上,肝脏细胞衰老与肝脏炎症、肝纤维化、胰岛素抵抗等密切相关,肝脏细胞衰老可能是驱动NAFLD发展的主要因素,但衰老与NAFLD之间的具体机制还有待进一步研究。目前可以基本确定BMP4是一种抗衰老剂,其通过YAP/TAZ途径调节衰老过程。

3 总结与展望

BMP4具有多种生物学功能,其在NAFLD发生发展中的作用详见图1。除了调节肝内糖脂代谢、减轻胰岛素抵抗、抗炎及影响肝纤维化外,抗细胞衰老也被提出可能是BMP4调节NAFLD发病的重要机制之一,同时参与其中的YAP/TAZ信号通路也值得引起注意。BMP4靶向疗法可能成为预防及治疗NAFLD的新途径,根据已有的向人及动物体内靶向BMP4的研究来看,尚无关于BMP4治疗出现严重副作用的报道,但考虑到BMP4信号网络结构复杂,其在NAFLD不同疾病阶段具体如何发挥作用,仍有许多未阐明之处。因此,未来仍需要进行更多的研究来验证靶向BMP4疗法治疗NAFLD的效果及安全性。另外,还要继续深入探索BMP4及其拮抗剂与NAFLD三者之间的相互联系,以期开发更为精准、高效、安全的治疗方法。

利益冲突声明：本文不存在任何利益冲突。

作者贡献声明：王宇威负责收集文献,撰写论文;柴茹负责收集、筛选文献;刘近春负责拟定写作思路,指导撰写文章并最后定稿。