肖愛平 滕鴻琦 李小兵 張明鳳

（福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108）

哺乳動(dòng)物肺器官原基產(chǎn)生于內(nèi)胚層起源的前腸的一個(gè)龍骨形突起，稱為呼吸支囊或肺芽。形成的肺芽先向腹后方生長(zhǎng)，接著原始肺芽產(chǎn)生了側(cè)邊分支，肺葉雛形形成。不同物種左邊和右邊次級(jí)分支芽的數(shù)量不同。小鼠胚胎發(fā)育至第12.5 d（E12.5），左邊形成一個(gè)次級(jí)芽，右邊形成四個(gè)，這將形成左—右四的肺葉結(jié)構(gòu)。而人類在胚胎肺發(fā)育第5周（5W）左右，伸出兩個(gè)左肺芽及三個(gè)右肺芽，最后形成左二右三的肺葉結(jié)構(gòu)。在隨后的發(fā)育過程中，細(xì)支氣管進(jìn)一步細(xì)分為終末細(xì)支氣管，而每個(gè)終末細(xì)支氣管又進(jìn)一步分為兩個(gè)或更多呼吸性支氣管。在該分支過程中包圍著內(nèi)胚層的間充質(zhì)則形成各級(jí)血管及組織間隙細(xì)胞。最后，呼吸性支氣管被埋入由無數(shù)間充質(zhì)組織形成的密集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，形成終末囊（原始的肺泡），它們進(jìn)一步發(fā)育形成肺泡管、肺泡囊以及成熟的肺泡［1］。

根據(jù)氣道（airway）形成的組織形態(tài)學(xué)特征，小鼠肺發(fā)育主要分為5個(gè)階段：（1）胚胎肺期（Embryonic Stage，E9-E11.5），從前腸腹側(cè)處形成肺芽，并形成主要支氣管；（2）假腺期（Pseudo glandular Stage，E11.5-E16.5），支氣管進(jìn)一步分支，產(chǎn)生大量分支結(jié)構(gòu)，同時(shí)在間充質(zhì)中形成軟骨和血管；（3）微管期（Canalicular Stage，E16.5-E17.5），支氣管樹分支形態(tài)發(fā)生完成，呼吸上皮細(xì)胞進(jìn)一步分化，血管增加；（4）囊狀期（Saccular Stage，E17.5-P5），肺邊緣上皮管腔膨大，更多的脈管結(jié)構(gòu)包圍末端囊泡，表面活性蛋白產(chǎn)生；（5）泡狀期（Alveolar Stage，P5-P28），次級(jí)肺泡繼續(xù)生長(zhǎng)，由次級(jí)肺泡間隔分成更小的單位，同時(shí)肺血管體系成熟［2］。與此對(duì)應(yīng)，人類肺的發(fā)育也經(jīng)歷了相似的5個(gè)階段，與小鼠不同的是，人類出生時(shí)肺的發(fā)育就已進(jìn)入泡狀肺階段，而小鼠出生時(shí)仍處于囊狀肺階段。

肺原基形成后，其隨后的發(fā)育過程是上皮和間充質(zhì)之間相互作用的結(jié)果，在該過程中，受到多條信號(hào)通路的調(diào)控，如BMP、FGF、WNT、SHH等，其中BMP信號(hào)通路對(duì)調(diào)控肺發(fā)育的至關(guān)重要。BMP（Bone morphogenetic protein）信號(hào)通路可分為兩類：第一類為依賴Smads的經(jīng)典BMP信號(hào)通路。如圖1所示，胞外BMP配基與位于細(xì)胞膜上的TypeⅡ受體結(jié)合后，使同樣位于膜上的TypeⅠ受體磷酸化。TypeⅠ受體由于磷酸化而被激活并與TypeⅡ受體結(jié)合形成受體復(fù)合物，接著該復(fù)合物與Smad1/5/8聚合體結(jié)合并使其磷酸化而激活。因磷酸化而激活的Smad1/5/8從該復(fù)合物解離下來，并與共用Smad蛋白（co-Smad），Smad4結(jié)合形成復(fù)合物（推測(cè)是兩分子的相關(guān)Smads和一分子的Smad4，形成三明治結(jié)構(gòu)）。隨后該Smad蛋白復(fù)合物轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，作用于靶基因如Id1，啟動(dòng)或抑制這些基因的表達(dá)，從而BMPs的信號(hào)得以表達(dá)。第二類為不依賴Smads的非經(jīng)典BMP信號(hào)通路，即MAP（mitogenactivated protein kinases）激酶途徑，包括 JNKs、p38、ERKs等，對(duì)細(xì)胞增殖與分化有重要作用［3］。在這個(gè)途徑中，激活的受體復(fù)合物不與Smad1/5/8作用，而是與有絲分裂蛋白激酶相關(guān)蛋白作用，啟動(dòng)下游信號(hào)通路。目前，多數(shù)學(xué)者主要從組織形態(tài)、細(xì)胞分化和基因調(diào)控三個(gè)層次上，通過基因敲除或轉(zhuǎn)基因過表達(dá)等方式，研究BMP信號(hào)通路調(diào)控哺乳動(dòng)物肺發(fā)育的作用機(jī)制。并且，隨著肺部疾病對(duì)人類生活影響日益的加深，會(huì)有更多的研究將肺部疾病與BMP信號(hào)通路聯(lián)系起來，這對(duì)于發(fā)展新的醫(yī)療技術(shù)、治療先天性和后天性肺部疾病，均有著重要的理論意義。

圖1 經(jīng)典BMP信號(hào)通路示意圖［4］

1 經(jīng)典BMP信號(hào)通路調(diào)控哺乳動(dòng)物肺器官發(fā)育的研究進(jìn)展

1.1 BMP信號(hào)通路配體 BMPs（bone morphogenetic proteins），骨形態(tài)發(fā)生蛋白，是TGF-β家族的一個(gè)亞族，其名稱來由為在大鼠的非成骨部位加入這類蛋白能誘導(dǎo)骨或軟骨的形成。至今已有20多種BMPs被發(fā)現(xiàn)，除了能誘導(dǎo)骨及軟骨組織發(fā)生，它們對(duì)其他器官如牙齒、腎、肺、毛發(fā)、皮膚、肌肉等發(fā)育過程也有重要作用。BMPs分子量介于30～35 kD之間，是一類二硫鍵連接的二聚體蛋白。大部分BMPs的單體上都有7個(gè)保守半胱氨酸殘基，其三維結(jié)構(gòu)和其他TGF-β家族成員相似。BMPs以大分子量的前體蛋白形式分泌，在RXXR保守序列位點(diǎn)被水解后，去除N端，由C端部分構(gòu)成成熟的、具有生物活性的 BMPs［5］。

目前，在小鼠肺發(fā)育中表達(dá)的BMP配體包括Bmp2、Bmp3、Bmp4、Bmp5、Bmp6 和 Bmp7。用原位雜交的方法在胚胎期小鼠肺中檢測(cè)不到Bmp2［6］，但在低氧誘導(dǎo)成體小鼠的肺動(dòng)脈高血壓模型中，發(fā)現(xiàn)Bmp2半突變（Bmp2+/-）的小鼠肺表現(xiàn)出比野生型的小鼠肺更嚴(yán)重的癥狀，說明Bmp2表達(dá)水平降低是促進(jìn)肺動(dòng)脈高血壓的原因之一［7］。此外，在人類非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）組織中，發(fā)現(xiàn)BMP2表達(dá)水平顯著上升；體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BMP2能刺激A549及H7249等人肺癌細(xì)胞系遷移及擴(kuò)散；向裸鼠注射A549癌細(xì)胞，重組的BMP2可促進(jìn)形成腫瘤的生長(zhǎng)，而用BMP2抗體抑制BMP2的活性可減弱腫瘤形成速度。這些事實(shí)表明BMP2在肺癌形成過程中有重要的生物功能［8］。S Vukicevic等人發(fā)現(xiàn)Bmp3在小鼠胚胎肺發(fā)育前期的上皮細(xì)胞表達(dá)。用不同種系的小鼠交配獲得轉(zhuǎn)基因鼠，Bmp3失活突變無任何肺部異常，但C57BL/6種系小鼠的Bmp3失活突變導(dǎo)致在圍產(chǎn)期肺部發(fā)育異常［9］，但其調(diào)控肺發(fā)育的機(jī)制尚不清楚。

Bmp4是目前在肺發(fā)育中研究最為透徹的一個(gè)成員，對(duì)肺器官發(fā)育有極為重要的調(diào)控作用。在假腺期及微管期，Bmp4在遠(yuǎn)端上皮末端及鄰近端氣道的間充質(zhì)高水平表達(dá)，而近端上皮的表達(dá)要弱得多；臨近出生前，其在末端囊泡上皮的表達(dá)減少，同時(shí)在毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞中也可檢測(cè)到其表達(dá)［10］。Bmp4完全失活突變小鼠在肺原基形成之前死亡［11］。用SP-C啟動(dòng)子在肺上皮條件性過表達(dá)Bmp4，自E15.5起，轉(zhuǎn)基因的小鼠肺比對(duì)照組小，且氣道管腔擴(kuò)大、間充質(zhì)變厚；有些小鼠可存活到出生，但很快死亡。組織切片發(fā)現(xiàn)這些異常的肺邊緣部分有顯著膨大的末端囊泡，且有明顯的肺泡間隔發(fā)育異常；檢測(cè)近端上皮細(xì)胞標(biāo)志物CC-10及遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞標(biāo)志物SP-C發(fā)現(xiàn)，支氣管克拉拉（Clara）細(xì)胞無顯著變化，而遠(yuǎn)端TypeⅡ上皮細(xì)胞減少［6］，說明Bmp4對(duì)調(diào)控肺近遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞分化，維持近遠(yuǎn)端細(xì)胞群的平衡有重要作用。Bmp5由短耳（short ear）基因突變后的序列編碼。原位雜交發(fā)現(xiàn)，BMP5從E10.5至E16.5在整個(gè)肺間充質(zhì)都有表達(dá)［12］；Bmp5純合子失活突變導(dǎo)致新出生的小鼠肺中出現(xiàn)有液態(tài)物質(zhì)的泡囊，在某些種系中，甚至雜合子就能產(chǎn)生這些異常表型［13］，這些異常表型產(chǎn)生的具體原因尚不清楚。在成體小鼠肺中可檢測(cè)到Bmp6［14］，但Bmp6突變鼠中未見任何肺部異常，推測(cè)Bmp6對(duì)小鼠肺發(fā)育的作用不如Bmp4那樣顯著，缺失后其功能可通過其他 Bmps補(bǔ)償。Bmp7又稱為［OP］-1（osteogenic protein 1），E11.5-E13.5其在整個(gè)上皮都有表達(dá)，與Bmp4在小鼠肺中的表達(dá)模式一致，到E15，其在上皮及間充質(zhì)的表達(dá)均變?nèi)?。Bmp7純合子突變對(duì)胚胎期的肺發(fā)育沒有明顯影響，能正?；畹匠錾?，說明在胎肺發(fā)育過程中Bmp7的功能也可通過其他BMPs補(bǔ)償［6］。

配體BMPs的表達(dá)與肺部疾病的產(chǎn)生密切相關(guān)。在低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高血壓中，Bmp4的表達(dá)上調(diào)，而在Bmplaz/+小鼠中，低氧肺動(dòng)脈高血壓所表現(xiàn)出的癥狀較野生型小鼠輕緩，說明Bmp4可促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞增殖而促成低氧肺動(dòng)脈高血壓的形成［7］；在過敏源誘導(dǎo)的輕度哮喘病人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)BMP7表達(dá)增強(qiáng)［15］；用卵清蛋白誘導(dǎo)的氣道炎癥中，Bmp2、Bmp4、Bmp6 的表達(dá)上調(diào)，而 Bmp5、Bmp7 的表達(dá)水平下調(diào)［16］，這些結(jié)果說明BMPs對(duì)呼吸道疾病的發(fā)病機(jī)制有重要的調(diào)控作用。

1.2 BMP信號(hào)通路受體 BMPs通過兩種具有絲氨酸-蘇氨酸激酶活性的膜蛋白傳遞信號(hào)，即TypeⅠ和TypeⅡ受體。在沒有TypeⅡ受體的情況下，BMPs也能與TypeⅠ受體結(jié)合，只是在TypeⅡ受體存在時(shí)，兩者的親和性顯著增強(qiáng)［17］。TypeⅡ受體的分子量為 70～80 kD，TypeⅠ受體的分子量為 50～55 kD。兩種類型受體有相同的結(jié)構(gòu)特性，即有一個(gè)相對(duì)較短的胞外結(jié)構(gòu)，單個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域及含有一個(gè)絲氨酸-蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域。Ⅰ型受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域有一個(gè)特征性的GS域（glycine and serine-rich domain，即富含氨基乙酸及絲氨酸的結(jié)構(gòu)域），位于絲氨酸蘇氨酸激酶區(qū)域的N端，TypeⅡ受體無此結(jié)構(gòu)［5］。在沒有配體激活時(shí)，兩種受體在細(xì)胞表面以前同型或異型二聚體形式存在，當(dāng)Ⅱ型受體與胞外配體結(jié)合后，其構(gòu)象改變而被激活，并磷酸化Ⅰ型受體的GS域，該過程是絲氨酸-蘇氨酸激酶受體傳遞BMPs信號(hào)的一個(gè)重要步驟。

在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，傳遞BMP信號(hào)的TypeⅡ受體有 3種，即 BMPR-Ⅱ、ActR-Ⅱ、ActR-ⅡB。BMPR-Ⅱ只傳遞BMPs信號(hào)，是BMPs的特異性受體，而其他兩種為 activins、myostatin和 BMPs共有受體［4］。Bmpr2（編碼BMPR-Ⅱ）突變小鼠在E9.5死亡［18］；Acvr2（編碼ActR-Ⅱ）突變小鼠表現(xiàn)為下顎骨發(fā)育不全及骨骼畸形［19］；Acvr2b（編碼 ActR-ⅡB）突變小鼠表現(xiàn)為心臟缺陷、四肢發(fā)育不對(duì)稱性和脊椎畸形［20］，表明BMPR-Ⅱ是調(diào)控肺發(fā)育的主要受體。肺動(dòng)脈高血壓（Pulmonary Arterial Hypertension，PAH）是一種威脅生命的疾病，伴常染色體顯性遺傳，其病理特征為血管內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞過度增殖，導(dǎo)致血管內(nèi)徑變小，從而引起肺動(dòng)脈血壓增大。Bmpr2與PAH有著密切關(guān)系。血管內(nèi)皮細(xì)胞中半敲除或完全敲除Bmpr2的鼠肺中有PAH的前兆，表明BMPR-Ⅱ?qū)Ψ窝軆?nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞的有絲分裂有重要的調(diào)控作用［21］。70%的家族性肺動(dòng)脈高血壓（familial PAH）病人及10%～40%的先天性肺動(dòng)脈高血壓（idiopathic PAH）病人存在 Bmpr2突變［22-23］，表明Bmpr2是導(dǎo)致肺動(dòng)脈高血壓的原因之一。

目前在哺乳動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)7種Ⅰ型受體，即Alk1-7。而在肺中傳導(dǎo)BMP信號(hào)的Ⅰ型受體有三種：Alk2/ActR-1、Alk3/Bmpr1a和 Alk6/Bmpr1b。Alk2只在肺的間充質(zhì)中表達(dá)［24］；Alk3在肺上皮和間充質(zhì)中均有強(qiáng)烈表達(dá)；Alk6在近端內(nèi)皮細(xì)胞有高表達(dá)，而在遠(yuǎn)端肺上皮和間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)量較低［25］。三種類型受體在肺組織上表達(dá)模式差異說明，Alk3是在肺遠(yuǎn)端上皮傳遞Bmps信號(hào)的主要Ⅰ型受體。用傳統(tǒng)的基因突變失活的方法使Alk2及Alk3功能缺失，導(dǎo)致胚胎在肺形態(tài)發(fā)生之前（約E7.5-E9.5）死亡［26-28］；而Alk6失活突變小鼠只表現(xiàn)肢芽發(fā)育缺陷，而對(duì)包括肺在內(nèi)的軟內(nèi)臟器官的發(fā)育無影響［29-30］。此外，用Cre-loxP體系在小鼠肺上皮條件性敲除Alk2無任何肺部異常。同樣用Cre-loxP體系在小鼠肺發(fā)育早期在肺上皮條件性敲除Alk3，由于體內(nèi)正常的Bmps信號(hào)通路被打亂，導(dǎo)致肺發(fā)育不正常，表現(xiàn)為新生鼠肺泡未充氣，內(nèi)充滿不定形的液態(tài)物質(zhì)，肺泡不能正常擴(kuò)張，出現(xiàn)呼吸窘迫癥狀，導(dǎo)致小鼠在出生后數(shù)十小時(shí)內(nèi)死亡。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在這些發(fā)育異常的鼠肺中，近端上皮細(xì)胞無顯著變化，而遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞顯著減少，即存在肺部近端化的趨勢(shì)。此外，早時(shí)期的肺氣道上皮分支減少、管腔擴(kuò)大［31］。這些結(jié)果表明Alk3與Bmp4一樣，參與調(diào)控了上皮的分化及增殖。

1.3 BMP信號(hào)通路下游轉(zhuǎn)錄因子Smads 在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)8種不同的Smads，即Smad1-8。Smad1/5/8是BMP信號(hào)通路特異的相關(guān)Smads，傳導(dǎo)BMP信號(hào)。Smad2、Smad3傳遞TGF-β/activin信號(hào)，但在某些類型細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)這些蛋白的分工并不明確。Smad4是哺乳動(dòng)物體內(nèi)唯一的co-Smad，為BMP、TGF-b和activin信號(hào)通路共用。Smad6、Smad7是抑制性的Smads（I-Smads）。Smads由高度保守的N端及C端，分別稱為Mad同源域MH1、MH2以及一個(gè)長(zhǎng)度可變的連接部分構(gòu)成。MH1由大約130個(gè)氨基酸組成，且在Smad1/5/8及Smad4上高度保守，而與Smad6、Smad7的結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)。MH2是一個(gè)約200個(gè)氨基酸長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)域，其在3種類型的Smads蛋白之間結(jié)構(gòu)保守，是Smad1/5/8與受體的相互作用區(qū)。Smad1/5/8在C末端還有一個(gè)SSXS模體（Ser-Ser-X-Ser motif），該位點(diǎn)可被Ⅰ型受體磷酸化［17］。連接部分在氨基酸的數(shù)目及排列順序都高度可變，含有MAP激酶磷酸化位點(diǎn)。這些位點(diǎn)應(yīng)答MAP激酶激活而被磷酸化時(shí)，能阻止Smads蛋白復(fù)合物轉(zhuǎn)移到核內(nèi)［32］。在沒有受體激活時(shí)，MH1和MH2結(jié)合，阻礙彼此相互作用；當(dāng)MH2被Ⅰ型受體c端保守的Ser-Ser-X-Ser模體磷酸化后，其從被MH1抑制狀態(tài)解放出來，并與Smad4相互作用［33］，從而傳導(dǎo)BMPs信號(hào)。

Smad1在小鼠胚胎肺發(fā)育過程中有著動(dòng)態(tài)表達(dá)。E12.5時(shí)，Smad1主要在邊緣氣道上皮表達(dá)，間充質(zhì)幾乎檢測(cè)不到其表達(dá)，至胚胎中后期，其在上皮的表達(dá)減少，而在間充質(zhì)的表達(dá)上調(diào)；在胚胎后期，甚至在血管中也能檢測(cè)到。XU等人用Cre-Loxp體系在小鼠肺上皮條件性敲除Smad1，發(fā)現(xiàn)新生小鼠伴有呼吸窘迫癥，出生后數(shù)小時(shí)死亡；該鼠肺囊泡內(nèi)無空氣，仍是不定形的液態(tài)物質(zhì)，導(dǎo)致肺不張（atelectasis）；用同樣的體系構(gòu)建Smad5敲除鼠肺，該條件性敲除的肺中無異常表型，說明鼠肺中Bmps信號(hào)的傳遞傾向于依賴Smad1［34］。此外，用失活突變的方式敲除Smad5則導(dǎo)致胚胎死亡（約E13.5）［35］，說明Smad5是小鼠胚胎正常發(fā)育所必須的，其調(diào)控肺發(fā)育的具體機(jī)制尚待研究。Smad8缺陷小鼠在胚胎期及出生后均沒有明顯的發(fā)育異常［36-37］。3種Smads敲除后的表型差異說明Smad1是經(jīng)典BMP信號(hào)通路主要的胞內(nèi)信號(hào)傳遞者。已報(bào)道在一位先天性肺動(dòng)脈高血壓病人身上發(fā)現(xiàn)其SMAD8存在無義突變［38］。Huang等人也發(fā)現(xiàn)敲除Smad8導(dǎo)致遠(yuǎn)端肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增生，平滑肌層增厚，與肺動(dòng)脈高血壓的癥狀相似，一部分Smad8突變體還有肺腺癌的癥狀，說明Smad8對(duì)控制細(xì)胞生長(zhǎng)有一定的作用［37］。

Smad4是至今在脊椎動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的唯一通用的Smad。Smad4失活突變小鼠由于原腸胚形成缺陷及內(nèi)臟中胚葉異常，胚胎在E7.5死亡［39］，與Bmp4及Bmpr1a突變小鼠的表型相似，由此可推測(cè)Smad4對(duì)BMPs信號(hào)的傳遞有著不可或缺的作用。

抑制性 Smads（I-Smads），包括 Smad6、Smad7。Smad7能抑制TGF-β和BMPs信號(hào)，而Smad6優(yōu)先抑制BMPs信號(hào)（preferentially），它們作用的分子機(jī)制存在幾種假說。第一種假說認(rèn)為I-Smads通過其MH2結(jié)構(gòu)區(qū)與被TypeⅡ受體激活的Ⅰ型受體結(jié)合，只是結(jié)合后并不從復(fù)合物上脫落下來，從而阻礙了Smad1/5/8的激活［40］。也有認(rèn)為Smad6通過和Smad4競(jìng)爭(zhēng)與Smad1的結(jié)合而抑制BMPs信號(hào)［41］。此外，I-Smads的表達(dá)還受到BMPs的調(diào)控，對(duì)BMPs信號(hào)形成一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)［42］。

1.4 BMP信號(hào)通路拮抗物 所謂BMP拮抗物指的是在胞外區(qū)域可直接與BMPs作用而阻止其與相關(guān)受體作用的一類生物分子。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已有多種BMP拮抗物被發(fā)現(xiàn)，在肺發(fā)育過程中調(diào)控BMP信號(hào)的拮抗物有Follistatin-like 1、Noggin和Gremlin。

1.4.1 Follistatin-like 1（Fstl1） Fstl1是一種新近發(fā)現(xiàn)的BMP蛋白拮抗物，其本質(zhì)是一種卵泡狀分泌糖蛋白。研究表明，F(xiàn)stl1可直接與BMP4作用，從而調(diào)節(jié)BMP4-Smad1/5/8信號(hào)通路。Fstl1表達(dá)于肺遠(yuǎn)端氣道間充質(zhì)及血管內(nèi)皮細(xì)胞。Fstl1突變小鼠在E17.5時(shí)，肺葉呈氣泡狀，而非野生鼠肺中的錐形；組織切片發(fā)現(xiàn)，其肺近端上皮不規(guī)則且膨大，而遠(yuǎn)端上皮囊泡較??；敲除小鼠能活到出生，而出生后由于呼吸困難缺氧而全身發(fā)紫，數(shù)分鐘后死亡［43］。分析其突變表型發(fā)現(xiàn)其對(duì)正常的氣管軟骨形成及肺泡成熟有重要的作用。

1.4.2 Noggin Noggin是分子量約32 kDa的糖蛋白，對(duì)BMP2及BMP4有很強(qiáng)的拮抗作用，而對(duì)BMP7作用較弱。Groppe等人報(bào)道了Noggin-BMP7復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，并證明Noggin通過封閉Ⅰ、II型受體作用的交界面的抗原決定族而調(diào)控BMP信號(hào)［44］。Molly等人用SP-C啟動(dòng)子條件性地使Noggin在小鼠肺上皮條件性過表達(dá)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因小鼠的肺要比對(duì)照組的肺小得多。雖然能活到出生，但它們出身后很快死亡。形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因的肺近端上皮正常，但間充質(zhì)較松散；遠(yuǎn)端上皮分化受到抑制，遠(yuǎn)端內(nèi)皮有立方形的近端上皮細(xì)胞，表明Noggin參與了近遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞的分化過程。此外還伴隨著肺動(dòng)脈平滑肌增厚，與肺動(dòng)脈高血壓（PAH）的癥狀相似［45-46］。

1.4.3 Gremlin Gremlin編碼一種23～28 kDa的糖基化分泌蛋白，可作用于BMP-2、BMP-4和BMP7，抑制它們的生物功能［45］。除了在胞外抑制BMPs生物功能之外，Sun及其同伴證實(shí)在胚胎肺中，Gremlin還能在胞內(nèi)與BMPs前體蛋白結(jié)合，阻止成熟BMPs分泌，從而阻礙BMPs信號(hào)傳遞［47］。Gremlin還可以以不依賴BMP的方式與細(xì)胞表面蛋白相互作用，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞之間的作用從而對(duì)BMPs起拮抗作用［48-49］。WEI SHI等人通過 RT-PCR發(fā)現(xiàn)Gremlin在胚胎肺發(fā)育的假腺管期的表達(dá)量最高，在胚胎肺成熟階段表達(dá)量下降（E18.5-P1）；原位雜交顯示其主要分布在邊緣肺間充質(zhì)及上皮，在E11.5肺芽形成位點(diǎn)及E16.5后大氣道有較高的表達(dá)［50］。Gremlin缺陷小鼠由于腎缺失及肺發(fā)育缺陷而在出生前死亡，說明Gremlin是保證肺的正常發(fā)育所必需的。肺體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入Gremlin的反義多聚核苷酸鏈后，肺上皮的分支增加，即其可通過負(fù)調(diào)控上皮的分支形態(tài)發(fā)生而參與肺發(fā)育過程。在低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高血壓中，檢測(cè)到Gremlin表達(dá)上調(diào)了，在肺動(dòng)脈高壓病人身上也發(fā)現(xiàn)該蛋白表達(dá)水平上升［51］，說明Gremlin可能參與了肺動(dòng)脈高壓的病理過程。

1.5 其他BMP信號(hào)通路調(diào)控分子

1.5.1 Smurf1（Smad ubiquitin regulatory factor 1）

Smurf1屬于HECT家族E3連接酶成員。RT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，Smurf1在早期鼠胎肺的表達(dá)很低，在隨后的發(fā)育過程中逐步增加。E11.5時(shí)，Smurf1只在小部分間充質(zhì)細(xì)胞檢測(cè)到；至E14.5，雖然間充質(zhì)也可檢測(cè)到，但主要在上皮細(xì)胞表達(dá)；至P1，Smurf1幾乎在所有肺細(xì)胞都有表達(dá)，在細(xì)支氣管上皮細(xì)胞的表達(dá)尤為強(qiáng)烈［52］。目前關(guān)于Smurf1對(duì)BMPs的調(diào)控機(jī)制有幾種假說。第一種假說認(rèn)為［40］，Smurf1可誘導(dǎo)ISmads從細(xì)胞核輸出，并輔助其與Ⅰ型受體相互作用，從而使BMP信號(hào)受阻；第二種假說認(rèn)為，Smurf1還可誘導(dǎo)膜上的BMP受體降解，使細(xì)胞膜上的受體減少而減弱BMP信號(hào)。在野百合堿（MTC）及低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高血壓中，Smurf1的水平顯著提高；體外培養(yǎng)細(xì)胞過表達(dá)Smurf1誘導(dǎo)BMPRs降解，而Smurf1顯著失活則導(dǎo)致受體積累［53］；還有假說認(rèn)為Smurf1可與R-Smads相互作用，使其通過泛激素-蛋白酶途徑降解。在肺外植體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)入Smurf1表達(dá)載體，使其在培養(yǎng)液中表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其能抑制肺上皮分支，而當(dāng)Smad1與其同時(shí)表達(dá)或加入可溶解的BMP4時(shí)，其對(duì)上皮分支抑制作用解除了［52］。已有研究表明，Smurf1過表達(dá)導(dǎo)致Smad1和Smad5表達(dá)降低，而對(duì)Smad8無影響。由此推斷，Smurf1在小鼠胚胎肺上皮能特異地促進(jìn)Smad1及Smad5的泛激素化并被降解，從而調(diào)節(jié)BMP4對(duì)小鼠胚胎肺發(fā)育的影響［54］。

1.5.2 NDST1 NDST1（N-deacetylase/N-sulfotransferase-1）N-乙?；?N-磺基轉(zhuǎn)移酶，參與合成HSPGs的硫酸乙酰肝素（HS）鏈。HSPGs（heparan sulfate proteoglycans），即乙酰肝素蛋白多糖，參與調(diào)控包括BMPs信號(hào)在內(nèi)的多條信號(hào)通路。Fan等人報(bào)道Ndst1-/-的小鼠出現(xiàn)肺不張癥狀及新生鼠呼吸窘迫癥［55-56］。進(jìn)一步分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)肺不張癥狀的原因?yàn)楸砻婊钚缘鞍追置跍p少，并存在細(xì)胞分化缺陷，同時(shí)下游的BMP信號(hào)增強(qiáng)。體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明NDST1的缺失能明顯減弱BMPs進(jìn)入細(xì)胞的能力。即BMPs通過HSPGs的HS鏈與HSPGs作用并結(jié)合到細(xì)胞表面，從而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，使得可自由參與BMP通路的BMPs減少，對(duì)BMPs信號(hào)起負(fù)調(diào)節(jié)作用［57］。

2 研究展望

肺是生物體內(nèi)長(zhǎng)久進(jìn)化的一個(gè)重要器官，生物體出生后能否正常存活取決于其在母體內(nèi)是否有一個(gè)正常的發(fā)育過程。總體上可將肺的發(fā)育可分為兩個(gè)階段：肺的生長(zhǎng)（lung growth）和肺的成熟（lung maturation）。生長(zhǎng)過程指的是支氣管樹及末端囊泡形成過程；成熟是指末端上皮形成具有氣體交換功能的成熟肺泡過程。兩個(gè)過程相互協(xié)調(diào)，保證肺的正常發(fā)育。該過程還受到多條信號(hào)通路的調(diào)控，如FGF、SHH、BMP、WNT等，其中BMP信號(hào)通路對(duì)于肺發(fā)育有不可替代的作用。同時(shí)，各條信號(hào)通路并非獨(dú)立作用，一條信號(hào)通路的改變也可能導(dǎo)致其他信號(hào)通路的變化，即通路之間存在信號(hào)應(yīng)答（crosstalk）。如在Smad1條件性敲除鼠肺中，Bmp信號(hào)的減弱導(dǎo)致Wif1（Wnt inhibitory factor 1）的表達(dá)下調(diào)，從而使得該鼠肺中WNT信號(hào)增強(qiáng)。

目前人們對(duì)BMP信號(hào)通路與肺發(fā)育的研究主要是通過在肺中對(duì)BMP信號(hào)通路成員編碼基因進(jìn)行敲除或過表達(dá)，通過肺的表型來推斷該基因調(diào)控肺發(fā)育的機(jī)制。有大量的實(shí)驗(yàn)研究表明經(jīng)典BMP信號(hào)通路中關(guān)鍵成員的缺失或過表達(dá)會(huì)引發(fā)許多肺部疾病，如纖維化肺、肺動(dòng)脈高血壓，哮喘及肺癌等。因而，我們可以對(duì)病變肺組織中BMP信號(hào)通路成員進(jìn)行外源調(diào)控，使其盡量恢復(fù)到正常水平，達(dá)到緩減甚至治愈疾病的目的。同時(shí)新近的研究手段推進(jìn)了研究深度，如利用染色質(zhì)免疫共沉淀芯片（ChIP-chip）技術(shù)，能鑒定出各類轉(zhuǎn)錄因子與靶基因的作用位點(diǎn)，這些研究將造福人類，為未來肺部疾病的藥物制備提供重要的理論依據(jù)。

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