鄒 聰 綜述，常 新 審校

(大連醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院 口腔科，遼寧 大連 116027)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白-1(BMP-1)，最初是從牛骨的成骨性浸出物中分離出來(lái)的，當(dāng)時(shí)認(rèn)為它與BMPs家族的其它成員一樣具有骨誘導(dǎo)的活性，因此而得名。然而后來(lái)，對(duì)于它的大部分研究卻顯示BMP-1本身并沒(méi)有誘導(dǎo)骨及軟骨形成的能力。有關(guān)BMP-1的研究近年來(lái)受到許多專(zhuān)家和學(xué)者的關(guān)注，有了許多新的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。

1 BMP-1類(lèi)家族及結(jié)構(gòu)

BMP-1是一類(lèi)金屬蛋白酶，屬于蝦紅素家族(astacin family)的成員。盡管它被命名為BMP-1，但它卻是一個(gè)特例。它并不是TGF-β相關(guān)蛋白，從結(jié)構(gòu)組成上來(lái)看，這類(lèi)金屬蛋白酶都由一個(gè)NH2-終末前區(qū)、一個(gè)類(lèi)蝦紅素金屬蛋白酶區(qū)域、幾個(gè)數(shù)目不等的CUB(Complement-Uegf- BMP1 domain，CUB domain)區(qū)域和類(lèi)EGF(epitheloid growth factor-like domain，EGF-like domain)區(qū)域組成[1]。

目前發(fā)現(xiàn)，BMP-1類(lèi)成員主要由BMP1、TLD、mTLD、mTLL-1、mTLL-2等組成。BMP1是最先發(fā)現(xiàn)的一個(gè)，它由一個(gè)類(lèi)蝦紅素金屬蛋白酶區(qū)、三個(gè)CUB區(qū)、一個(gè)類(lèi)EGF區(qū)域組成。不久之后，一種與果蠅胚胎背腹圖示形成相關(guān)的基因產(chǎn)物Drosophila tolloid (TLD)被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，TLD 與人的BMP-1有41%的結(jié)構(gòu)和序列相似性。mTLD (mammalian tolloid)即哺乳動(dòng)物tolloid 是這幾種分子中蛋白序列最長(zhǎng)的一種，它包含5個(gè)CUB區(qū)域和2個(gè)類(lèi)EGF區(qū)。mTLL-1,mTLL-2(mammalian tolloid like-1,2)是兩種BMP-1相關(guān)分子，它們并不是BMP-1基因編碼，由于其在結(jié)構(gòu)和功能上與BMP-1有很高的同源性，所以被歸為BMP-1一類(lèi) 。

前區(qū)(prodomains)必須經(jīng)過(guò)SPCs(subtilisinlike proprotein convertases)的蛋白水解去除后，BMP-1才能充分發(fā)揮活性[2],可見(jiàn)前區(qū)并不是mTLD和TLD蛋白正確折疊、分泌及行使酶活性的必要結(jié)構(gòu)[3]。

CUB區(qū)域具有調(diào)控蛋白與蛋白之間相互作用的功能。類(lèi)EGF區(qū)域也被證明有類(lèi)似作用。研究顯示：CUB1區(qū)域與BMP1蛋白的分泌相關(guān)；CUB2區(qū)域與保護(hù)pCP(前膠原C端肽酶，procollagen C-proteinase)的活性相關(guān)[4]。然而并不是所有BMP-1類(lèi)蛋白都依賴(lài)于這兩個(gè)結(jié)構(gòu)。Ge等[5]發(fā)現(xiàn)，mTLL1蛋白的分泌及pCP的活性就并不依賴(lài)于CUB和類(lèi)EGF區(qū)域。

2 BMP-1類(lèi)分子的生物學(xué)作用

許多蛋白首先以前體形式表達(dá)，然后通過(guò)蛋白酶解加工方式變?yōu)槌墒斓牡鞍住MP-1作為金屬蛋白酶，便參與這一加工過(guò)程：其主要作用是對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)中的一些蛋白進(jìn)行肽鏈的切割。這些蛋白包括：多種膠原、SLRPs(small leucine-rich proteoglycans)、SIBLING蛋白、賴(lài)氨酸氧化酶(the enzyme lysyl oxidase)等。

2.1 參與膠原的成熟

I～I(xiàn)II型膠原是脊椎動(dòng)物ECM的主要纖維組成部分。這三種膠原都首先以前膠原形式存在(具有NH2及COOH末端肽)。只有去除這些N端與C端的前肽，前膠原才能變成原膠原，后者再通過(guò)共價(jià)交聯(lián)(covalent cross-links)方式成為穩(wěn)定的成熟膠原。水解N端前肽的是ADAMTS-2(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs)及相關(guān)蛋白水解酶[6，7]。C端前肽則由BMP-1金屬蛋白酶來(lái)切割，故BMP-1是一種前膠原C端肽酶(PCP)。BMP-1的切割位點(diǎn)在特定的丙氨酸或甘氨酸殘基和一個(gè)天冬氨酸殘基之間，是丙氨酸還是甘氨酸取決于前膠原鏈，而天冬氨酸是固定不變的[8]。

V 和XI型前膠原也可由BMP-1來(lái)加工處理。V 和XI型膠原與Ⅰ、Ⅱ型膠原共同合成生長(zhǎng)纖維，前者還可調(diào)控此合成纖維的形狀和直徑。BMP-1加工V、XI型前膠原的過(guò)程比較復(fù)雜。V型膠原在組織中大都以α1(V)2α2(V) 的形式存在,但在少數(shù)細(xì)胞和組織中也可以α1(V)α2(V)α3(V)[9]及α1(V)3的形式存在。BMP-1并不切割前α1(V)鏈和前α3(V)鏈的C端前肽，但卻對(duì)N端前肽有蛋白水解切割作用。SPCs則主要負(fù)責(zé)加工前α1(V)鏈和前α3(V)鏈的C端前肽[10,11]，而前α2(V)鏈的C端前肽還是由BMP-1來(lái)切割。Medeck和Pappano等[12，13]觀察發(fā)現(xiàn)對(duì)于前α1(XI)鏈的加工也是這種方式。

2.2 加工處理小型富含亮氨酸蛋白聚糖 (small leucine-rich proteoglycans,SLRPs)

SLRPs具有可與Ⅰ型膠原纖維結(jié)合并調(diào)控該纖維的生成的作用。SLRPs根據(jù)序列同源性和蛋白結(jié)構(gòu)不同可分為4類(lèi)：①第1類(lèi)包括decorin 和 biglycan；②第2類(lèi)包括fibromodulin,lumican,keratocan,PRELP和osteoadherin；③第3類(lèi)包括chondroadherin；④第4類(lèi)包括epiphycan和osteoglycin[14]。經(jīng)研究，SLRPs家族的第2、3類(lèi)成員并不需要加工，只有第1和第4類(lèi)成員是先以前體形式合成，隨后在體內(nèi)經(jīng)過(guò)生物加工后變?yōu)槌墒斓牡鞍拙厶堑?。biglycan,decorin和osteoglycin的N端前肽的切割位點(diǎn)在P1’區(qū)的天冬氨酸殘基；epiphycan的生物活性加工位點(diǎn)在P1’區(qū)的谷氨酸[15]。研究顯示，在體外BMP-1可有效的加工前體biglycan和osteoglycin;然而對(duì)于BMP-1能否加工decorin及其他SLRPs成員還有待進(jìn)一步研究。但已能推斷的是如果前體decorin和前體biglycan均由同一種蛋白水解酶(比如BMP-1)加工的話,那方式一定是不同的。Biglycan和Decorin都廣泛存在于骨組織的ECMs和結(jié)締組織中，Decorin基因Dcn的靶向斷裂可導(dǎo)致皮膚的脆弱和松弛。Biglycan基因Bgn斷裂會(huì)造成骨骼生長(zhǎng)速度和骨量的減少，繼而導(dǎo)致泛發(fā)型的骨質(zhì)疏松[16]。Bgn的缺失可影響到富含Ⅰ型膠原纖維的組織，如在骨、骨腱、真皮等富含Ⅰ型膠原纖維的組織中可發(fā)現(xiàn)有雜亂變形的膠原纖維存在[17]。提示Biglycan有促進(jìn)膠原纖維生成的作用。而有報(bào)道稱(chēng)，decorin 和osteoglycin有明顯降低微纖維生成的作用。因此，作為加工前體SLRPs的BMP-1對(duì)這些蛋白聚糖的功能有精確的調(diào)控作用[18]。

2.3 加工處理前體賴(lài)氨酸氧化酶(pro-Lysyl Oxidases)

賴(lài)氨酸氧化酶(LOXs)由成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞等纖維生成細(xì)胞所分泌。LOXs可催化共價(jià)交聯(lián)這一醛醇或醛胺縮合反應(yīng)，使被BMP-1加工的前膠原成為穩(wěn)定的成熟的纖維性膠原。賴(lài)氨酸氧化酶是先以酶原形式存在，只有去除其N(xiāo)H2-終末區(qū)域,它才能具有酶的活性、行使氧化酶的功能。許多實(shí)驗(yàn)都已證實(shí)：BMP-1可加工LOX原酶使之成為有活性的LOX[19]。在哺乳動(dòng)物中LOX家族的成員包括：LOX酶、類(lèi)LOX蛋白1-4(LOXL1-4)[20]。LOX和LOXL1在很多組織中都有表達(dá)且二者的表達(dá)有重疊性。相比較而言，LOXL2-4的表達(dá)就很局限，表達(dá)水平也很低。敲除LOX基因的小鼠在圍產(chǎn)期即死亡，且伴有突發(fā)性血管動(dòng)脈瘤破裂、隔膜斷裂、彈性纖維斷裂、膠原及彈性纖維交聯(lián)減少等癥狀[21，22]。敲除LOXL1基因的小鼠雖然可以存活，但卻伴有肺泡擴(kuò)張、皮膚冗余、血管異常、彈性纖維(不包括膠原纖維)變形等癥狀[23]?？梢?jiàn)，LOXL1的主要功能是引導(dǎo)彈力蛋白在特定區(qū)域沉積而LOX的主要作用是促進(jìn)膠原及彈性蛋白的交聯(lián)反應(yīng)，從而使它們發(fā)揮正常的生物學(xué)作用。

2.4 對(duì)于SIBLING蛋白的加工

SIBLING(small integrinbinding ligand,N-linked glycoprotein)是一類(lèi)ECM中非膠原類(lèi)蛋白，包括骨橋蛋白(osteopontin，OPN),骨唾液蛋白(bone sialoprotein，BSP),牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1(dentin matrix protein 1，DMP1),基質(zhì)細(xì)胞外磷蛋白(matrix extracellular phosphoprotein，MEPE),牙本質(zhì)涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein，DSPP)等[24]。SIBLING類(lèi)蛋白主要分布于骨和牙本質(zhì)中。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)于該家族的DMP1及DSPP的研究較多。Sreenath等[25]人研究發(fā)現(xiàn)，敲除DMP1及DSPP基因的小鼠會(huì)導(dǎo)致牙齒發(fā)育異常。 DSPP已被證實(shí)與人的牙本質(zhì)II型發(fā)生不全癥有關(guān)[26]。DMP1及DSPP也是需要被加工處理后才可以發(fā)揮活性的。現(xiàn)已證實(shí)BMP-1可切割DMP1，其切割位點(diǎn)位于Ser196和Asp197[27]。但對(duì)于BMP-1能否以相似方式加工DSPP還有待于進(jìn)一步研究。

2.5 BMP-1對(duì)層粘連蛋白5(1aminin-5)的加工

層粘連蛋白5有很強(qiáng)的細(xì)胞粘附、遷移和擴(kuò)散的能力。它由α3、β3、γ2 三條多肽鏈經(jīng)過(guò)二硫鍵結(jié)合而組成。層粘連蛋白5 作為一個(gè)多功能蛋白，既可增加細(xì)胞活動(dòng)性，又可促進(jìn)細(xì)胞的粘附，這不同的功能取決于其不同的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)層粘連蛋白5的α3 鏈未經(jīng)酶切處理時(shí)，其能增加細(xì)胞的活動(dòng)性，此時(shí)的層粘連蛋白不能引導(dǎo)半粒體的聚集。在α3鏈經(jīng)酶切處理后，富含層粘連蛋白5的基質(zhì)開(kāi)始促進(jìn)半粒體的聚集，減少細(xì)胞的活動(dòng)。α3 鏈經(jīng)酶切處理前后對(duì)層粘連蛋白5功能的調(diào)節(jié)在傷口愈合和組織改建過(guò)程中也起重要作用[28]。層粘連蛋白5的γ2 鏈被酶裂解后。層粘連蛋白5又會(huì)起到增加細(xì)胞的活動(dòng)性，促進(jìn)細(xì)胞的遷移的作用[29]。而科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)BMP-1可切割層粘連蛋白5的α3 鏈和γ2 鏈[30]，是層粘連蛋白5能正常發(fā)揮功能的必不可少的金屬蛋白酶。

3 BMP-1/chordin/BMPs機(jī)制

如前所述，BMP-1并沒(méi)有誘導(dǎo)異位成骨的作用，也并不是TGF-β家族的成員，但它卻與BMPs的作用相關(guān)聯(lián)。BMPs參與多個(gè)組織，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼、心臟、腎臟等的形成和發(fā)育。BMPs需要通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)(主要是smad通路)來(lái)發(fā)揮這些生物學(xué)作用。即:BMP通過(guò)先后結(jié)合并活化細(xì)胞膜表面Ⅱ型受體(BMP-RⅡ)和I型受體(BMP-R1)，進(jìn)而激活Smad蛋白細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路，最終誘導(dǎo)細(xì)胞核內(nèi)的靶基因轉(zhuǎn)錄及蛋白表達(dá)。以BMP-2為例，當(dāng)BMP-2與BMPR-II和BMPR-I復(fù)合物結(jié)合后，BMPR-II被激活，激活的BMPR-II使BMPR-I的GS區(qū)域磷酸化，從而使BMP-RI活化，活化后的BMP-RI作用于下游的Smad1、5、8。激活后的Smad與Smad4結(jié)合并轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核內(nèi)與不同的DNA連接蛋白結(jié)合，引起下游BMP相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控細(xì)胞的分化。Smad6及Smad7對(duì)TGF-β及BMP的信息傳遞有著調(diào)控作用，Smad6或Smad7可以與受體直接結(jié)合而抑制Smadl、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8的活化[31]。

在BMP的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中，存在著一些細(xì)胞外抑制劑對(duì)BMP的功能起拮抗作用，如noggin、chordin、follistatin和DAN家族等。其中，chordin蛋白，包含四個(gè)富含半胱氨酸cysteine-rich (CR)區(qū)，每個(gè)區(qū)域各有70個(gè)氨基酸，這些區(qū)域(尤其是CR1,CR3 )決定著chordin 的功能和結(jié)合BMPs的能力[32]。chordin在果蠅屬(drosophila)中的同源體是short gastmlation(Sog)。

chordin作為一種細(xì)胞外拮抗劑，通過(guò)與BMPs(主要是BMP-2,4)等結(jié)合來(lái)抑制BMPs與自身受體的作用 。經(jīng)研究證實(shí)，BMP-1金屬蛋白酶可把chordin從與BMP相結(jié)合的復(fù)合物中裂解出來(lái)，從而促進(jìn)了BMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[33]。有研究者在對(duì)果蠅屬的研究中，通過(guò)瞬時(shí)轉(zhuǎn)染分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)：TLD可切割SOG，而切割過(guò)程受DPP(BMP-4的同源體)的刺激；TLD可作用于SOG/DPP復(fù)合物，裂解SOG，從而通過(guò)把DPP從抑制性的復(fù)合物中釋放出來(lái)，間接性的調(diào)控DPP的活動(dòng)。

BMP-1/chordin/BMPs的這種相互作用機(jī)制對(duì)于胚胎背腹圖式的形成(dorsoventral patterning)有著至關(guān)重要的作用。胚胎發(fā)育過(guò)程中，背腹軸的結(jié)構(gòu)形成和細(xì)胞分化是由梯度濃度分布的BMP(dpp)所誘發(fā)的。不同濃度的BMP(dpp)誘導(dǎo)分化出不同的細(xì)胞類(lèi)型，因而在同一體軸上形成了背腹兩側(cè)的不同結(jié)構(gòu)。而這個(gè)BMPs濃度梯度便是由BMP-1/chordin/BMPs的三者相互作用而形成的[34]。

4 展 望

BMP-l類(lèi)分子是一類(lèi)不可忽視的，具有多種功能的金屬蛋白酶。它們?cè)谂咛サ捏w軸形成，以及胚胎及出生后甚至成年后的骨骼改建過(guò)程中都起到非常大的作用并具有很大的研究潛力。它們作用的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)ECM中的一些蛋白分子進(jìn)行肽鏈的切割和加工，從而對(duì)一些重要的物質(zhì)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控。鑒于BMP-1的作用，將來(lái)有望將其運(yùn)用于促進(jìn)TGF-β和BMPs等生長(zhǎng)因子治療骨缺損的方面以及對(duì)纖維化疾病的治療。

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