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【摘要】 BMP-4通过Smad等信号转导系统将细胞表面信号转入细胞核。BMP-4调控早期胚胎发育；BMP-4诱导成骨、促进骨胶原生成、骨痂的形成和再塑，从而使骨完美修复；BMP-4是维持神经健康和再生的神经营养因子，能促进神经干细胞增殖分化，使新生的神经元迁移到颗粒细胞层分化为成熟的颗粒神经元，还刺激胶质细胞合成神经营养因子；BMP-4诱导内耳感觉上皮祖细胞分化为毛细胞，还参与了内耳神经纤维的形成和发育；BMP-4通过Msx2促进了牙胚的发育和调控釉结细胞的凋亡；BMP-4调控肺动脉平滑肌细胞增殖、分化以及细胞外基质的合成。BMP-4调控多种组织的增殖分化，提示BMP-4有望成为干细胞治疗的调控因子，在器官再生、修复、定向重构等再生医学中起重要作用。
【关键词】 骨形态发生蛋白4；增殖；分化；再生
增殖分化在器官组织的功能结构的正常维持中具有重要作用。骨形态发生蛋白4（bone morphogenetic protein-4，BMP-4）在多种脏器中表达，BMP-4主要作用于未分化间叶组织细胞，对多种细胞的增殖分化具有调控作用。对BMP-4的研究利于揭示器官组织生成发育机制和再生修复机制。
1 BMPs种类
BMPs家族属于TGF-β超家族，该家族已经发现40多个成员，包括BMPs、生长和分化因子（GDFs）、活化素（activins）、抑制素（inhibins）、苗勒管抑制物质（mullerian inhibitor substance，MIS）和TGF-β。TGF-β超家族成员是以前体大分子的形式合成，经过蛋白水解酶切割从前肽区释放出成熟蛋白。已经发现的BMPs有15种，根据氨基酸序列分为3个亚群：BMP-2和BMP-4、BMP-5、BMP-8、BMP-3和GDF-10。除BMP-1外，每个成员都有骨诱导的功能［1］。BMP-2诱导鼠胚胎间充质干细胞 C3H10T1/2成脂肪分化［2］。
TGF-β1/Smads信号通路是急慢性肾脏病肾脏纤维化重要的转导通路。BMP-7不仅影响TGF-β1/Smads通路的信号转导，还与TGF-β1存在互逆作用，可多方面抵消TGF-β1的促肾纤维化作用［3，4］；BMP-7在急慢性心脏损害心肌纤维化过程中也发挥了负性调节的作用［5］；BMP-7在缺血和缺氧性损伤尾壳核细胞内的表达并参与损伤修复［6］。
2 BMP-4传导机制
2.1 BMP-4受体机制 TGF-β超家族中包括BMPs、TGF-β1、TGF-β2、GDFs，受体主要分为Ⅰ型受体、Ⅱ型受体。Ⅰ型TGF-β受体不直接与TGF-β配基结合，Ⅱ型TGF-β受体首先与TGF-β配基结合，形成二元复合物，然后吸引Ⅰ型受体，接着Ⅰ型受体识别这个二元复合物，并与之结合形成三元复合物。TGF-β与细胞膜表面的Ⅱ型受体结合，继而磷酸化激活，活化的Ⅰ型受体再进一步作用于细胞内的下游分子，使TGF-β的信号向细胞内转导。目前广为认可的受体模型是四聚体模型，即两个Ⅰ型受体的同二聚体和两个Ⅱ型受体的二聚体一起组成四聚体，共同将信号传入细胞内。Ⅱ型受体处于自动磷酸化状态，当与配基结合后，其蛋白激酶活性催化Ⅰ型受体GS区的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，磷酸化的Ⅰ型受体可进一步磷酸化下游分子，将信号传入细胞［7,8］。BMPs的Ⅰ、Ⅱ型受体在结构和特性上都与TGF-β和激活素等的有所区别，但结构和功能上与TGF-β超家族的Ⅰ、Ⅱ型受体具有同源性。
BMP-4作为TGF-β超家族的成员与TGF-β信号传导机制类似，差别在于BMPs的Ⅰ、Ⅱ型受体与配体结合力都不强。当Ⅰ、Ⅱ型受体形成复合物后，才与配体有高亲和力。和其他TGF-β超家族成员一样，BMPs在细胞表面与Ⅰ、Ⅱ型受体相互作用、相互依赖。Ⅱ型受体可以在无Ⅰ型受体时与配体结合，但是Ⅱ型受体在无Ⅰ型受体时不能传导信号；Ⅰ型受体在无Ⅱ型受体时不能与配体结合，故Ⅰ型受体与配体的结合则需要Ⅱ型受体。Ⅰ型受体可以和稍过量的配体结合，而Ⅱ型受体与配体的结合则是特异性的，表明受体与配体结合的特异性主要取决于Ⅱ型受体而非Ⅰ型受体。BMPs受体Ⅱ在和Ⅰ型受体结合后才能与配体有效结合，即单独的Ⅰ、Ⅱ型受体都与配体无高亲和力，而结合后则亲和力大增。这表明BMPⅠ、Ⅱ型受体可能联合形成一个高亲和力的结合位点。根据配体的不同，BMPⅡ型受体与三种Ⅰ型受体的作用能力不同，所形成的相应的受体复合物的信号传导能力也不同［9］。
2.2 BMP-4信号转导通路 BMPs的调控都通过结合受体发挥作用，其机制是典型的细胞表面接受配体信号，胞浆内进一步处理，随后信号进入胞核的过程。BMPs［10~12］信号转导通路由配体、受体、及Smads蛋白等组成，Smad蛋白直接参与TGF-β、BMPs和活化素的信号传导，TGF-β和BMPs是调节骨代谢的信息转导是由Smad蛋白家族成员承担的。Smads主要由Smad1~8构成［13,14］。配体BMP-4与BMPR-Ⅱ结合后，BMPR-Ⅱ磷酸化，激活异聚体中的Ⅰ型受体（如ALK-3/BMPR-IA，ALK-6/BMPR-IB，ALK-2）并与之形成受体复合物，复合物激活了Ⅰ型受体的蛋白激酶，导致细胞内Smads蛋白（如Smad1，Smad5，Smad8）的磷酸化，ALK-3及ALK-6可激活这三种Smads，而Smad2只激活Smad1，Smad5［15］。激活的R-Smads（主要有Smad1，Smad3，Smad5，Smad8）与共用型（CO-Smad4）结合形成Smad蛋白复合物，该复合物进入细胞核内与特异的转录启动子或辅阻遏蛋白再次结合形成复合物，最终与DNA结合，进行特异的转录调控过程［16,17］。与成骨细胞分化调节有关的骨代谢密切相关的是Smad1、Smad5及Smad4。实验证明在成骨细胞系Smad是BMPs信号转导的关键因子［18］。
3 BMP-4的作用机制
3.1 BMP-4与细胞增殖 BMP-4基因的缺陷将导致早期中胚层发育的缺陷及动物的胚胎性死亡［19］。GDF-5影响关节的发育，它的缺失导致矮足鼠的发育畸形而GDF-6可以纠正许多GDF-5缺失造成的缺陷。BMPs对于胚胎发育、器官形成具有重要作用。在器官形成时，BMP-2的过量表达导致骨发育畸形。短耳鼠的发育畸形及特定部位骨折愈合的延缓正是由于BMP-5的基因突变所致。BMPs［20］及其受体的表达存在于神经发育过程中可能充当另一种神经营养因子，以自分泌和旁分泌的方式在维持调节外周神经的健康和再生中发挥作用。马真胜等［21］等对大鼠闭合性胫骨骨折动物模型研究中，通过应用BMP-4 cDNA探针，检测了骨折愈合过程中外骨痂内BMP-4基因表达的定位与分布，表明创伤激活BMP-4 mRNA的表达，并呈区域性参与骨折的修复。由于骨骼组织内BMP-4的作用，其直接诱导软组织成骨，从而使创伤后骨组织的再生修复十分完全，修复常无瘢痕残留。
3.2 BMP-4与细胞分化
3.2.1 BMP-4与早期胚胎发育 BMPs指导身体基本形态的形成并在特定的部位引导形成特异的组织。在随后的器官形成阶段，特定的BMP-4诱导身体特定部位的骨结构及其附属组织的形成；BMP-2基因位点的缺失将导致心脏和羊膜的发育缺陷，最终导致胚胎性死亡。
3.2.2 BMP-4与神经干细胞分化 侧脑室附近的室管膜下层，是目前公认的成年个体神经干细胞最为集中的部位，室管膜下层神经干细胞分化过程中具有较高的BMP-4启动子活性，且明显高于皮层神经干细胞［22］。室管膜下层神经干细胞的BMP-4启动子活性与神经元分化高度正相关，显示BMP-4在室管膜下层神经干细胞分化过程中的独特作用。成年哺乳动物脑内的神经发生限于侧脑室的室下区和海马齿回的颗粒下区。BMP-4作用下新生的神经元能迁移到颗粒细胞层分化为成熟的颗粒神经元。对于成年海马神经发生的调控机制的研究显示，局部微环境控制神经发生，对神经干细胞微环境的认识在理解神经干细胞如何增殖、分化，最终整合到成熟的神经环路中。Mabie等［23］研究发现部分BMPs可以促进星形胶质细胞的蛋白合成与分化，认为BMPs可能具有神经营养的作用，BMPs可以刺激胶质细胞合成及释放胶质细胞来源的神经营养因子。BMP-4以自分泌和旁分泌的方式不仅在维持调节外周神经的健康和再生中发挥一定的作用，BMP-4可以促进神经嵴干细胞的自主神经元分化［24］。
3.2.3 BMP-4与内耳感觉上皮祖细胞分化 Li等［25］等对离体培养的小鸡听泡研究发现，加入拮抗剂Noggin或可溶的BMP受体后，BMP信号通路被阻断，毛细胞和支持细胞生成显著减少，而加入外源性BMP-4后毛细胞数量增加，证明BMP-4诱导增殖感觉上皮祖细胞向分化为特殊功能上皮细胞--毛细胞。BMPs还可能还参与了内耳神经纤维的形成和发育。Smad4蛋白是BMP-4受体复合物的下游信号调节蛋白，可将信号从细胞膜直接转导至细胞核，从而对BMP-4胞内信号转导起着关键的作用。Smad4作为BMP-4信号转导通路中的通用Smad之一，在细胞增殖、分化、移行、凋亡等过程中可能起着尤其重要的作用，从而参与内耳形成与感觉上皮分化的调控。
3.2.4 BMP-4诱导成骨 体外实验证明其具有促进成骨细胞分化的能力。BMPs受体包括BMPⅡ型受体和Ⅰ型受体，活化的BMPⅠ型受体磷酸化调节型Smad（Smad1，Smad5，Smad8），与通用型Smad（Smad4）结合形成异源寡聚体后，进入细胞核，参与调控靶基因的转录［26］。
BMP-4对骨胶原生成起促进作用。观察兔下颌骨牵引成骨过程，牵引成骨新骨生成区BMP-4主要定位于成骨细胞和软骨细胞中，表达高峰出现在稳定期的1、7天，此后逐渐下降，第28天阳性表达微弱［27］。
BMP-4能单独诱导异位成骨，体外实验证明其具有促进成骨细胞分化的能力［28］。BMP-4反转录病毒体系的构建及裸鼠肌内成骨实验研究表明，在体外培养的条件下，pCI-neo-BMP-4转染的肌母细胞表达BMP-4蛋白并抑制细胞系向肌细胞分化，不仅有效地抑制肌管的形成，而且促使肌母细胞系的分化通路向骨母细胞转化，并伴有典型的骨母细胞表型，如ALP活性增高，实验动物肌注射部位均出现了异位形成的新骨。提示反转录病毒载体，提供反转录病毒工具。反转录病毒体系能够诱导成骨，可能为病毒颗粒感染了肌中的间充质细胞，再通过自分泌或旁分泌的作用诱导了新骨形成。
刘振东等［29］报道小鼠胫骨牵引成骨模型，发现机械张力能刺激BMP-4主要由成熟的肥大骨细胞和骨细胞持续表达，在牵引成这一持续的骨再生过程，通过刺激局部生长因子BMP-4持续表达，维持骨痂的不断形成和再塑，以填充被逐渐延长的骨间隙。BMP-4诱导成骨过程中骨胶原氨基酸的变化规律及TGF-β对骨胶原生成的促进作用，进一步阐明BMP的诱导成骨机制和TGF-β的骨损伤调节作用［30］。TGF-β可使骨胶原在BMP诱导成骨过程中生成增加，改变BMP的软骨内成骨组分，从而增强BMP-4的诱导成骨作用。TGF-β主要通过促进成骨细胞生成使Ⅰ型胶原生成增加，BMP-4、TGF-β两者在骨损伤修复中具有协同作用。
3.2.5 BMP-4与牙齿发育 BMP-4信号在牙齿发育中起重要的作用［31~34］。牙齿发育的帽状期，BMP-4的信号从上皮进入间充质；钟状期，牙乳头可见丰富的BMP-4 mRNA，在成牙本质细胞和成釉细胞中也可见明显BMP-4表达；帽状期，釉结已经完全形成，牙齿的形状开始确定。Msx2在内外釉上皮、釉结和星网层中表达，说明它也参与了牙胚的发育。BMP-4在牙胚中有表达，说明它也参与了牙胚的发育，但其表达区域小于Msx2的表达区域，主要在釉结区域表达。在体外培养的上皮细胞中BMP-4可以诱导Msx2的表达，因此，Msx2在牙胚中的表达可能是被BMP-4所诱导的。BMP-4和Msx2均在凋亡区域有表达，并且Msx2的表达区域稍大于BMP-4的表达区域，但其表达区域与凋亡区域并不完全相同，它们可能参与了釉结细胞凋亡的调控［35］。
BMP-4作为信号转导通路上重要成分，完成细胞内、外信息的传递。在原发性肺动脉高压及环境因素刺激下，正常的BMPR-Ⅱ表达下降或功能缺陷，导致信号转导异常，引起肺血管细胞生长状态改变并诱发肺血管重构。离体培养的血管平滑肌细胞中，TGF-β1具有抑制肺动脉平滑肌细胞增殖、分化作用，以及抑制细胞外基质的合成。BMP-7具有抑制人主动脉平滑肌细胞增殖的作用，并且增加平滑肌细胞分化标志的表达。BMP-2抑制了泡沫化大鼠肺动脉平滑肌细胞的增殖。总的来说，BMPR-Ⅱ信号转导通路抑制平滑肌细胞及内皮细胞的增殖及迁移，并促进平滑肌细胞表型的分化，这种作用机制最可能的原因是由于细胞周期原癌基因的功能活性下调［36］。
BMP-4在重要组织器官如心、肺、脑、肾、骨及软骨等表达，能够分化诱导软骨细胞、骨母细胞、成脂肪细胞、神经干细胞、内耳感觉上皮祖细胞、成牙本质细胞和成釉细胞的活性物质，对多种细胞间充质细胞、成纤维母细胞、角质化细胞、星形细胞、肾脏皮质细胞、内皮细胞以及肿瘤细胞等的增殖、分化、迁移、凋亡具有调控作用。BMP-4在不同的时期对于不同的细胞可能发挥着选择性的作用，但BMP-4究竟如何发挥作用，以及与其他因子的作用如何进行协调，以及BMP-4的表达程度与预后的关系都有待于进一步研究。BMP-4有可能成为各种固有干细胞和移植干细胞修复和治疗急慢性器官损伤的重要调控因子，促使实质器官固有细胞、间质细胞、血管的再生，从而促使器官再生、修复、重构定向定量地发展。进一步对BMP-4的研究可能为再生医学提供更多理论依据。
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作者单位：湖南长沙，中南大学湘雅二医院小儿肾脏病研究室（△通讯作者）