骨形态发生蛋白-2在骨形成过程中的作用机制(一)

骨形态发生蛋白-2在骨形成过程中的作用机制(一)
骨和软骨组织中含有多种参与调节骨骼发育及生长的多肽类生长因子。

此类因子通过自分泌、旁分泌或者内分泌的方式，在细胞与细胞之间，细胞与细胞外基质之间传递信息，参与复杂的骨形成调节过程。

在诸多因子中，骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticproteins，BMPs)是唯一能够单独诱导骨组织形成的局部生长因子。

由于BMPs与转化因子在C端都含有7个保留的半胱氨酸残基，所以属于转化生长因子-B超家族(transforminggrowthfactor-batesuperfamily,TGF-βs)成员。

本文仅对骨形态发生蛋白-2(BMP-2)在骨形成过程中分子生物学作用机制综述如下。

1骨形态发生蛋白研究概况
1965年，Urist首次将0.6M盐酸制备的脱钙骨基质(decalcifiiedbonematrix,DBM)植入鼠股肌内，成功诱导异位骨形成，从而提出了骨诱导理论(Osteoimductivetheory)。

Urist认为DBM 中存在着非特异性物质，其降解片段能够诱导血管周围的未分化间充质细胞分化为骨系细胞。

在异位或常位的骨组织或软骨组织中形成过程中〔1〕，这类骨诱导物质作为形态原(Morphogen)，可以为反应细胞所感知，通过激活或抑制细胞内的基因，调节骨系细胞的分化和增生。

1971年，Urist将这类诱导成骨物质定义为骨形态发生蛋白(BMPs)〔2〕。

在近20年中，人们不仅从多种动物骨组织中分离和纯化出天然的BMP-1、BMP-2、BMP-3和BMP-4，而且还通过基因重组技术进一步在中国仓鼠的卵母细胞和大肠杆菌中表达出了人类基因重组的骨形态发生蛋白(rhbMPs)〔3，4〕。

迄今为止，已经报导了13种BMPs，而且数目仍在继续增加〔5〕。

研究结果表明，在动物生长发育中，BMPs及其相应的受体几乎遍及动物体内所有内脏及体表器官。

因此，BMPs的功能远远地超出了单纯的骨诱导作用。

目前BMPs 的研究已经涉及到胚胎学、发育学、基因学以及进化学等多种学科〔6〕。

BMP-2是目前研究最为广泛、诱导成骨活性最强的BMPs之一。

1988年，人们首次纯化分离出天然BMP-2，这是一种分子量约为30KDs的碱性降解糖蛋白质，其降解产物的分子量分别为30、18、16KDs。

其中30KDs的分子以二聚体形式存在，是天然BMP-2的主要形式〔4〕。

目前，人们利用基因重组技术已经表达出人类基因重组BMP-2(rhBMP-2)，并且在常位和异位成功地诱导出新骨〔7〕。

但由于rhBMP-2比天然BMP-2的诱导成骨活性较低，且尚未找到十分理想的载体，所以至今仍未能在临床上得到推广应用〔8〕。

2BMP-2在骨形成中的作用
骨组织形成是一个由多种因素调节的复杂而有序的过程。

在细胞水平上看，骨组织形成有两种方式，即膜内成骨和软骨内成骨。

前者的新生骨组织在结缔组织膜中由间充质细胞直接形成，后者是指结缔组织内的间充质细胞首行先分化为软骨组织，然后在软骨组织的基础上进行钙化成骨。

从分子水平上看，骨组织的形成过程就是生物大分子在细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间的信息转导过程。

胚胎时期的骨化过程同骨折骨痂的形成以及异位骨形成过程相类似，均受到机体某种激素和某些局部生长因子的调控。

一般认为，影响骨组织形成的激素主要有甲状旁腺素(PTH)、生长素、甲状腺素、降钙素、雌激素等；影响骨组织形成的局部生长因子主要有BMPs、转移因子(TGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、胰岛素样生长因子(IGFs)、白细胞介素(ILs)等。

在骨组织形成过程中，激素与生长因子调节之间既有相对独立，又相互联系。

两种调节与神经系统共同形成了神经-内分泌-免疫-局部生长因子调节网络，参与骨组织形成的整个调节过程。

一般认为，局部生长因子在骨组织形成的调节过程中起着主导作用。

尤其BMPs是其中唯一能够单独诱导间充质细胞向骨组织方向分化的生长因子，是骨组织形成过程中最关键的调节因子。

实验表明，低浓度BMPs能够诱导间充质细胞向骨组织形成区移行；中等浓度BMPs 可以促进间充质细胞向成软骨及成骨细胞方向分化；而高浓度BMPs则能促进进间充质细胞的增生。

研究认为，BMP-2主要对未分化间充质细胞和骨系细胞起到募集和分化作用〔6〕。

在骨形成早期，BMP-2不仅可使未分化间质细胞向骨形成中心募集，并分化为骨系细胞，而且可使成纤维细胞、成肌细胞及骨髓的基细胞逆转分化为骨系细胞。

其主要过程是：增加或抑制这些细胞内的某些特异性蛋白的分泌，使成纤维细胞分化为成骨细胞，成肌细胞快速分化为肥大的软骨细胞，并促进基质钙化。

对于成骨细胞，BMP-2则可使之维持其特有细胞表型，并诱导成骨细胞标志物的增高，促进细胞外基质钙化。

在骨形成后期，BMP-2还作为一种破骨细胞分化因子与其它支持破骨细胞分化因子直接或间接刺激破骨细胞分化，参与骨的重建〔9～11〕。

关于BMP-2是否具有促进细胞的有丝分裂和复制作用，目前尚有争议。

但可以肯定，在促进细胞有丝分裂和复制过程中，BMP-2与其它局部因子有协同作用。

因此骨组织形成是多种局部因子共同调节的结果〔12～14〕。

3BMP-2的信息转导机制及基因表达的调节
在骨组织形成过程中，BMP-2通过自分泌和旁分泌，在细胞及细胞间质之间传导信息，调节细胞的分化和增生〔9〕。

1996年，Hofbauert和Hoodless等人提出，BMPs首先与细胞膜上的丝氨酸/苏氨酸激酶受体相结合，形成Ⅰ、Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体的二聚体，然后将信息转导入细胞内，经第二信使MAD(matheragainstdpp)的磷酸化，将信息导入细胞核内，从而激活或调整DNA的结合活性，使BMPs活性相关的基因表达，产生相应的生物效应。

BMP-2的调节作用就是以此信息传导途径完成的。

目前BMP-2的膜受体及BMP-2的转录调节机制比较清楚〔15，16〕。

BMP-2受体属于丝氨酸/苏氨酸激酶受体家族。

其中Ⅰ型BMP-2受体是ALK-2、ALK-3和ALK-6，其主要结构特征是在细胞外侧含有10个保留的半胱氨酸残基，一个跨膜区和一个细胞内的富含甘氨酸/丝氨酸区(GS区)，之后就是丝氨酸/苏氨酸激酶；Ⅱ型BMP-2受体为T-ALK，与Ⅰ型受体的区别是细胞外侧不一定含有保留的半胱氨酸残基，而且GS区缺如。

研究结果表明，Ⅰ型受体和Ⅱ型受体相结合后，可以使BMP-2发挥出最大的效应。

1995年，Iwaski等证明了BMP-2的特异性受体不仅存在于骨系细胞表面，而且几乎存在于所有的非造血干细胞表面，每个细胞表面上受体的数目约为1200～60000个不等，受体分子量也不相同。

由此可见BMP-2功能的多样性〔17，18〕。

1994年，Ghosh等人通过研究成骨细胞分化期间BMP-2的基因表达，发现BMP-2的DNA5＇端侧存在着多种转录调节因子的结合位点，多种转录调节因子可以刺激或抑制BMP-2的mRNA表达。

其中负性转录调节因子(TGF-β)可以抑制BMP-2的的转录，降低BMP-2的蛋白表达；而正性转录调节因子(如维甲酸、SP-1、P53、RB)则可以刺激BMP-2基因的转录，提高BMP-2的蛋白表达。

此外，BMP-2的DNA5＇端侧还存在着1，25羟维生素D3、雌激素和糖皮质激素相结合的位点，由此可以说明BMP-2与其它生长因子、某些激素可能具有相互制约或相互协同的作用，而且这些相互作用在BMP-2的转录调节中得到统一。

预计随着人们对BMP-2转录调节机制的深入了解，将进一步揭示骨组织形成和骨折愈合的机制。

同时，也为人们从分子水平理解神经-内分泌-免疫-生长因子调节网络提供了理论基础〔19〕。

目前，BMP-2转录调节的研究多为体外培养。

体外培养的研究条件容易控制，但是没有在体研究更符合生理或病理环境，更能说明BMP-2在机体内的调节作用。

在近年兴起的骨组织工程学研究中，人们已将细胞、成骨诱导因子与载体进行了较合理的组合，并植入骨缺损区。

但是目前仍存在许多问题，因此在体BMP-2转录调节机制的研究有望使这种方法更趋于合理。

4BMP-2在骨折愈合中的作用
骨折愈合的修复过程实质上是骨损伤后骨组织的再生过程，此过程类似于胚胎时期骨组织的发育和异位骨的形成过程。

其主要的形态学表现为，骨折区间充质细胞募集、增生，软骨细胞的形成、分化、软骨基质的钙化，新生血管的形成、迁移，成骨细胞的形成，骨基质的形成、分化和钙化，新生骨组织的改建和骨髓的再现。

在骨折愈合过程中，BMP-2的主要生物
性作用是：①募集间充质细胞，并诱导其向成骨细胞或成软骨细胞方向分化；②协同其他调节因子参与骨组织形成。

骨折愈合是研究BMP-2转录调节的理想模型，利用此模型不仅有利于更深入地探讨骨折愈合的分子机制，而且还有利于发现促进骨折愈合的新方法，比如利用各种转录调节因子促进骨折愈合。