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Bmp/Smad 信號(hào)通路及其在哺乳動(dòng)物卵巢發(fā)育中的作用

2019-08-12 05:03文禹粱趙生國(guó)儲(chǔ)明星
中國(guó)畜牧雜志 2019年8期
關(guān)鍵詞:顆粒細(xì)胞配體卵泡

文禹粱,馬 琳,趙生國(guó),儲(chǔ)明星*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,農(nóng)業(yè)部動(dòng)物遺傳育種與繁殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Proteins,BMPs)作為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(Transforming Growth Factor-β,TGF-β)超家族最大的一個(gè)亞家族[1],于1979 年由Urist 等發(fā)現(xiàn),它們可以使未分化的間充質(zhì)細(xì)胞定向分化為骨細(xì)胞,并鈣化成骨組織,由此得名為骨形態(tài)發(fā)生蛋白[2]。BMPs 在動(dòng)物體內(nèi)廣泛分布,依靠卵巢功能性的旁分泌/自分泌調(diào)節(jié)體系,對(duì)哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育、卵巢顆粒細(xì)胞增殖、生殖激素的合成和分泌以及卵母細(xì)胞成熟起重要調(diào)節(jié)作用,而B(niǎo)MPs 主要依賴(lài)于經(jīng)典的Bmp/Smad 信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[3-5]。本文對(duì)Bmp/Smad 信號(hào)通路的成員的表達(dá)以及在哺乳動(dòng)物卵巢發(fā)育中發(fā)揮的功能進(jìn)行總結(jié),以期為今后更加深入地研究其調(diào)控機(jī)制提供參考。

1 Bmp/Smad 信號(hào)通路

Bmp/Smad 信號(hào)通路由細(xì)胞外配體、細(xì)胞表面特異受體以及細(xì)胞內(nèi)SMAD 信號(hào)分子三大部分共同構(gòu)成。在Bmp/Smad 信號(hào)通路中,在細(xì)胞內(nèi)合成的配體成熟蛋白,以旁分泌/自分泌形式胞吐,再形成同源/異源二聚體,陸續(xù)激活BMPR Ⅱ型、Ⅰ型受體?;罨蘑裥褪荏w將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)R-SMADs 磷酸化,與Co-SMAD 即SMAD4 結(jié)合形成SMAD 蛋白異聚體復(fù)合物,進(jìn)入細(xì)胞核與靶基因結(jié)合,發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用[6]。轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)圖1。

1.1 Bmp/Smad 信號(hào)通路中的配體 Bmp/Smad 信號(hào)通路中的配體由許多結(jié)構(gòu)高度保守且功能不同的分泌肽組成,截至目前發(fā)現(xiàn)的有BMP1(mTLD)、BMP2(BMP2A)、BMP3(Osteogenin)、BMP3B(GDF10)、BMP4(BMP2B)、BMP5、BMP6(Vgr1)、BMP7(OP1)、BMP8a(OP2)、BMP8b、BMP9、BMP10、BMP11(GDF11)、BMP12(GDF7,CDMP3)、BMP13(GDF6,CDMP2)、BMP14(GDF5,CDMP1)、BMP15(GDF9B)、BMP16、GDF3(Vgr2)、GDF15(PLAB,PDF) 以及MIS(AMH)等超過(guò)25 種成員,除了BMP1,其他成員均屬于TGF-β 超家族[3](表1)。BMPs 具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng),在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育、細(xì)胞外基質(zhì)的合成以及調(diào)控綿羊排卵數(shù)以及產(chǎn)羔數(shù)等方面發(fā)揮著重要作用[8-10]。

圖1 Bmp/Smad 信號(hào)通路[7]

表1 Bmp/Smad 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的配體、受體以及SMAD 信號(hào)分子[11-14]

1.2 Bmp/Smad 信號(hào)通路中的受體 BMP 受體(Bone Morphogenetic Protein Receptor,BMPR)為膜蛋白受體,具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性,屬于TGF-β 超家族成員。截至目前為止共發(fā)現(xiàn)I 型和II 型2 種BMP 受體。I 型受體包括ActR I A(ALK2)、BMPR I A(ALK3)以及BMPR I B(ALK6),II 型受體包括BMPR II、ActR II A 以及ActR II B(表1)。I 型和II 型受體分別為55 ku 和70 ku 的糖蛋白,它們的胞外區(qū)域含有約150 個(gè)氨基酸,I 型受體具有獨(dú)特的GS(富含甘氨酸和絲氨酸的序列)結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域含有序列SGSGS,位于激酶結(jié)構(gòu)域之前30 個(gè)氨基酸的細(xì)胞內(nèi)區(qū)域。在Bmp/Smad 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中,BMPs 特異性配體和II 型受體結(jié)合形成配體-II 型受體復(fù)合物,再與I 型受體結(jié)合形成異型低聚體復(fù)合物。這時(shí)I 型受體高度保守的N端富含絲氨酸/蘇氨酸的激酶區(qū)被II 型受體的激酶作用發(fā)生磷酸化后被活化[15]。

1.3 Bmp/Smad 信號(hào)通路中的Smad 信號(hào)分子 在I 型受體活化后可捕獲R-SMADs,使R-SMADs C 末端磷酸化,導(dǎo)致R-SMADs 被SMAD4 上袋狀結(jié)構(gòu)識(shí)別并進(jìn)入細(xì)胞核與DNA 結(jié)合而識(shí)別目的基因發(fā)揮生物活性[16]。SMADs 蛋白在Bmp/Smad 信號(hào)通路起著重要銜接作用,由約500 個(gè)氨基酸殘基組成[17]。1995年,在果蠅中首次發(fā)現(xiàn)BMP 同源物(dpp)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子,Raftery 和Sekelsky 將它們分別命名為Mad和Medea[18-19]。1996 年,線蟲(chóng)II 型受體Daf-4 所識(shí)別的SMA/2/3/4 被Savage 等[20]克隆出來(lái)。由 于Mad、Sma 以及其他隨后發(fā)現(xiàn)的具有獨(dú)特的N 和C 端結(jié)構(gòu)域同源物均為T(mén)GF-β 超家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需,所以SMA 和MAD 2 個(gè)單詞被Derynck 等[21]結(jié)合命名為SMAD。迄今為止已發(fā)現(xiàn)9 種脊椎動(dòng)物SMAD 蛋白,根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)分為3 類(lèi):①受體激活型SMAD蛋白(Receptor Activated Smads,R-SMADs),包括SMAD1/2/3/5/8/9,它們是I 型受體激酶的底物,具有通路特異性,其中SMAD1/5/8 受BMP I 型受體的激活;SMAD2/3 受TGF-β 和activin II 型受體的激活。②通用調(diào)節(jié)性SMAD 蛋白(Common Mediator Smad,Co-SMAD),它通過(guò)與R-SMADs 的結(jié)合形成異源復(fù)合物,隨后移位入核參與信號(hào)傳遞,在哺乳動(dòng)物中Co-SMAD只有1 種,即SMAD4[22]。③抑制型SMAD 蛋白(Inhibitory Smads,I-SMADs),包括SMAD6 和SMAD7。它們以不同方式抑制Smads 的信號(hào)傳導(dǎo)功能[23]。

2 Bmp/Smad 信號(hào)通路配體、受體以及SMAD 信號(hào)分子的表達(dá)及其在卵巢發(fā)育中的作用

2.1 Bmp/Smad 信號(hào)通路中配體的表達(dá)以及在卵巢發(fā)育中的作用 自發(fā)現(xiàn)BMP 家族成員在卵巢細(xì)胞中表達(dá)以來(lái),越來(lái)越多的研究證實(shí)了Bmp/Smad 信號(hào)通路在哺乳動(dòng)物生殖活動(dòng)中的重要性[24]。在綿羊卵巢中,Canty-Laird 等[10]利用免疫組化的方法對(duì)BMP1 進(jìn)行定位,結(jié)果顯示,BMP1 存在卵泡發(fā)育所有階段的顆粒細(xì)胞中,并且調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的形成。Erickson 等[25]在小鼠卵巢原發(fā)性、繼發(fā)性以及竇狀卵泡顆粒細(xì)胞中檢測(cè)到了BMP2 mRNA 的表達(dá)。在人卵丘細(xì)胞中,Demiray等[26]檢測(cè)到BMP2 mRNA 的表達(dá),并認(rèn)為BMP2 的表達(dá)可作為檢測(cè)卵母細(xì)胞以及胚胎質(zhì)量的指標(biāo)。Ying等[27]研究認(rèn)為,內(nèi)胚層衍生物BMP2 和外胚層衍生物BMP4 協(xié)作可刺激小鼠原始生殖細(xì)胞(Primordial Germ Cells,PGCs)生成。

1999 年,Shimasaki 等[28]認(rèn)為BMP4 是格拉夫卵泡發(fā)育中的黃體化抑制因子。研究表明,BMP4 為綿羊生殖所必需,具有調(diào)節(jié)動(dòng)物卵泡的發(fā)育、促進(jìn)顆粒細(xì)胞增殖、卵丘擴(kuò)散以及促進(jìn)卵母細(xì)胞成熟和排卵等功能[29]。Tan 等[9]研究發(fā)現(xiàn),BMP4 可促進(jìn)卵泡發(fā)育,在小鼠體內(nèi)或者體外添加都可以促進(jìn)初級(jí)卵泡轉(zhuǎn)化為次級(jí)卵泡。又有研究表明,BMP4 基因可誘導(dǎo)增加顆粒細(xì)胞對(duì)促卵泡激素(FSH)敏感性,調(diào)控FSH 依賴(lài)的雌激素和孕酮合成[28]。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)[30],小尾寒羊BMP4 基因外顯子3 第305 位堿基發(fā)生C/A 突變,該突變的BB 型小尾寒羊平均產(chǎn)羔數(shù)比AB 型和AA 型多0.61 只,與小尾寒羊產(chǎn)羔數(shù)呈加性效應(yīng)。在大鼠卵巢中,Pierrer 等[31]通過(guò)原位雜交方法對(duì)BMP5 的表達(dá)模式進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)BMP5 主要表達(dá)于小型至大型竇狀卵泡的顆粒細(xì)胞以及卵丘細(xì)胞中,并且BMP5 對(duì)孕酮生成有明顯的劑量依賴(lài)性抑制作用。BMP6 mRNA 在小鼠、綿羊、牛以及山羊卵母細(xì)胞中表達(dá)[25-32]。Lee 等[33]研究發(fā)現(xiàn),BMP7 可促進(jìn)原始卵泡的募集,并且BMP7 抑制孕酮的產(chǎn)生可能與排卵機(jī)制相關(guān),另外BMP7 在小鼠體內(nèi)或體外添加均有利于雌二醇增加[34]。BMP15 又稱(chēng)為GDF9B,已經(jīng)被確定為影響綿羊產(chǎn)羔數(shù)的主效基因,其在綿羊、小鼠、人以及牛的卵子發(fā)生和卵泡發(fā)育過(guò)程中扮演著重要的角色[36-39]。研究表明,BMP15 對(duì)動(dòng)物卵泡發(fā)育、卵巢顆粒細(xì)胞的增殖、卵丘的擴(kuò)展、卵母細(xì)胞的成熟和排卵等方面均發(fā)揮著重要調(diào)控作用[29,38-40]。Zhai 等[41]在豬卵丘卵母細(xì)胞復(fù)合體體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),添加BMP15 可抑制卵丘細(xì)胞凋亡。Muralidharan 等[42]在水牛卵丘卵母細(xì)胞復(fù)合體體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),BMP15 的表達(dá)與卵丘細(xì)胞的擴(kuò)散程度密切相關(guān)。但是BMP15 在不同物種中的表達(dá)模式可能存在差異,Passos 等[38]在牛腔前卵泡體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),添加BMP15 可上調(diào)FSHR 的表達(dá)。但是Otsuka 等[43]在體外培養(yǎng)大鼠顆粒細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),BMP15 可降低FSH 對(duì)顆粒細(xì)胞的刺激作用,延長(zhǎng)細(xì)胞黃體化時(shí)間。關(guān)于其具體的表達(dá)模式需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

2.2 Bmp/Smad 信號(hào)通路中受體以及SMAD 信號(hào)分子的表達(dá)及其在卵巢發(fā)育中的作用 在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中,BMPs 必須與配體相結(jié)合形成異型低聚體復(fù)合物,再與下游SMAD 信號(hào)分子結(jié)合才可發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。1982年,Davis 等在高繁殖力布魯拉美利奴羊中發(fā)現(xiàn),常染色體的某個(gè)基因突變后會(huì)導(dǎo)致母羊的高排卵數(shù)性狀出現(xiàn),該基因增加1 個(gè)拷貝突變將導(dǎo)致母羊排卵數(shù)增加1.65 個(gè)[44]。1989 年,綿羊和山羊遺傳學(xué)命名委員會(huì)將調(diào)控布魯拉美利奴羊排卵數(shù)性狀的基因命名為FecB(Fecundity Booroola)基 因[45]。2001 年,F(xiàn)ecB 基 因突變被定位在BMPR1B 基因上,并認(rèn)為BMPR1B 基因編碼區(qū)發(fā)生了A746G 的突變,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)序列中的第249 位的谷氨酰胺被置換為精氨酸(Q249R)[46]。BMPR1B 為BMP 的I 型受體,其突變后增加了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程對(duì)下游受體的信號(hào)強(qiáng)度,導(dǎo)致卵泡早熟,排卵數(shù)增加[45]。已有研究表明,BMP I 型以及II 型受體在小鼠、牛以及綿羊卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞中表達(dá)[46-48]。在人體顆粒細(xì)胞中亦可檢測(cè)到BMPRIA、BMPRIB 以及BMPRII[49]。在山羊卵巢中,Costa 等[50]測(cè)得BMPRIB以及BMPR II 的mRNA 表達(dá)水平在0.2 mm 的卵泡中高于1.0 mm 的卵泡。

SMAD 蛋白是將BMPs 配體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核的介導(dǎo)蛋白。Jessica 等[51]利用可識(shí)別磷酸化R-SMADs 的抗體監(jiān)測(cè)其信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程發(fā)現(xiàn),R-SMADs 以高度保守的方式存在于所有物種的信號(hào)傳遞途徑中。SMAD1/5/8 為Bmp/Smad 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受體激活型蛋白,它們與活化的I 型受體結(jié)合,被磷酸化后與SMAD4 結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核,使BMPs 發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。在PGCs 分化期間,磷酸化的SMAD1/5/8 蛋白被定位在從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程中。Okamura 等[52]在小鼠PGCs 體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),SMAD1/5 為BMP4 內(nèi)信號(hào)因子,刺激PGCs外胚層的發(fā)育,SMAD1 和SMAD5 的協(xié)同表達(dá)可刺激BMP4 在E5.25~5.5 時(shí)PGCs 外胚層的發(fā)育。Hayashi 等[53]研究發(fā)現(xiàn),SMAD1 基因缺陷的小鼠在E10.5~11.5 時(shí)由于器官發(fā)育不全而死亡。又有研究表明,SMAD1 基因缺失的小鼠同樣由于器官發(fā)育不全而死亡[8]。這說(shuō)明二者對(duì)于PGCs 的發(fā)育過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。SMAD4 作為哺乳動(dòng)物唯一的通用調(diào)節(jié)型蛋白,是哺乳動(dòng)物卵泡發(fā)育以及排卵所必需[54],同時(shí)SMAD4 可促進(jìn)卵巢顆粒細(xì)胞成熟分化,通過(guò)調(diào)節(jié)FSH 以及促黃體生成素(LH)的水平對(duì)卵巢功能進(jìn)行調(diào)控[55]。Sirard 等[56]研究發(fā)現(xiàn),與所有BMP 受體基因敲除的小鼠一樣SMAD4 基因缺失的小鼠內(nèi)臟器官不能正常發(fā)育而死亡,這說(shuō)明SMAD4 作為通用型蛋白在Bmp/Smad 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的重要性。作為抑制型SMAD 蛋白,SMAD6 和SMAD7 通過(guò)不同的方式阻止或者干擾信號(hào)通路信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。在哺乳動(dòng)物中,SMAD6 可特異阻斷Bmp/Smad1 途徑的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),但是不干擾SMAD1 的磷酸化,從而與SMAD4 競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合受體激活的SMAD1,產(chǎn)生無(wú)活性的SMAD1-SMAD6復(fù)合物,從而阻止信號(hào)的傳遞[57]。而SMAD7 主要抑制TGF-β 信號(hào)傳導(dǎo)。Nakao 等[58]在非洲爪蟾胚胎研究中發(fā)現(xiàn),SMAD7 的轉(zhuǎn)染可抑制SMAD2 和SMAD3 的磷酸化,從而阻斷TGF-β 通路信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。

3 總結(jié)與展望

BMPs 發(fā)現(xiàn)至今已有39 年歷史,關(guān)于該家族成員的功能研究已有大量報(bào)道。無(wú)論是基因敲除、PGCs 體外培養(yǎng)、卵巢顆粒細(xì)胞的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),均表明BMPs 以及Bmp/Smad 信號(hào)通路在哺乳動(dòng)物PGCs 的形成、卵巢顆粒細(xì)胞的增殖、卵母細(xì)胞的發(fā)育和成熟以及生殖激素的合成和分泌等方面均發(fā)揮著重要作用。

世界養(yǎng)羊業(yè)共同追求的高繁殖力目標(biāo)是羊的多羔性狀。在綿羊上進(jìn)行高繁殖力影響因素的研究具有十分重要的意義,而B(niǎo)mp/Smad 信號(hào)通路顯著影響哺乳動(dòng)物的繁殖性能,但這些基因的作用機(jī)理等方面研究還不夠深入。相信隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的不斷進(jìn)步,在Bmp/Smad信號(hào)通路中會(huì)發(fā)現(xiàn)更多影響綿羊多羔性狀的主效基因和候選基因,并對(duì)它們加以利用,以更好地促進(jìn)養(yǎng)羊業(yè)發(fā)展。

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