骨形态发生蛋白及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生中的作用
【关键词】 BMP；BMP感受器；BMP结合蛋白
The interactions between BMPs and their binding proteins in bone and cartilage morphogenesis
【Abstract】 This commentary is a concise discussion of the interactions between bone morphogenetic proteins （BMPs） and their binding proteins in bone and cartilage morphogenesis. BMPs are a family of growth and differentiation factors， and they act on mesenchymal cells to induce cartilage and bone differentiation in concentration-dependent thresholds. The BMP-BMP receptor binding leads to a cascade of signaling and transcription of BMP response genes. BMP binding proteins， noggin， chordin and DAN， act as antagonists and determine the bioavailability of BMPs for binding to cognate receptors to elicit the biological response. Noggin null mice with unrestricted action of BMPs exhibit defects in joint morphogenesis. BMPs and their binding proteins may reciprocally regulate the dynamic topography of joints， muscle， tendons and ligaments during morphogenesis of the skeleton. In addition， BMP actions may be potentiated by twisted gastrulation. BMPs and their binding proteins may play a critical role in regeneration of cartilage in osteoarthritis.
【Key words】 BMP； BMP receptors； BMP binding proteins
关节软骨损伤和退变，最终都会导致骨性关节炎的发生。当前，对于累及软骨下骨和全层软骨损伤的病变，已有较为完善的动物实验研究和探索性临床治疗办法；而对于非全层软骨损伤，病变仅涉及部分软骨，虽然诸如软骨下骨钻孔造成创面渗血等方法也是很可行，但形成的纤维软骨覆盖缺陷较多，仍需进一步探讨。
由于骨与软骨在再生能力方面先天就存在巨大差别，而这种差别可能就在于一些内源性生长和形态发生因子及其对抗物的差异。例如，脱钙骨基质中存在大量BMPs，这至少可以部分解释全层软骨缺损后的纤维软骨再生修复。在骨性关节炎，关节软骨受到破坏，软骨形态发生信号表达紊乱，因此有必要利用当代发生生物学在形态发生素方面的研究结果，设想胚胎时期器官的形态发生过程，用以后天病变修复，重新部署排列紊乱的形态发生素，探寻软骨再生的有效方法。本文重点详述BMPs及其相关结合蛋白在骨与软骨形态发生过程中的相互作用。
1 骨形态发生蛋白（（bone morphogenetic proteins，BMPs）
是一类生长和分化因子家族，首次在脱钙骨基质中发现［1～4］，是多效性的形态发生素，具有趋化性、浓度依赖性、促有似分裂和分化诱导的特性，目前已有超过15种BMP被克隆并在人和鼠体内表达。在结构方面，BMPs是以二硫键相连的二聚体，这种结构决定着BMPs的生物学活性。象胚胎时期肢体形态发生一样，BMPs也可在异位诱导骨与软骨形成，调节骨与软骨的排列、分化模式和方向；同样，遗传学显示BMPs还在除骨之外的其他组织内发挥作用。例如，BMP4能够促进胚胎肢芽间质细胞的软骨形态发生，并保持关节软骨的表型；BMP2和BMP4缺乏会导致中胚层缺陷；BMP5突变会引发鼠短耳畸形；BMP7缺乏引起鼠眼、肾脏和骨骼的发育障碍。
2 软骨源性形态发生蛋白（cartilage-derived morphogenetic proteins， CDMPs）
Luyten等［5］首次在关节软骨中发现CDMP－1，而且性质与生长分化因子5相同；Lee等通过更加深入的研究，克隆出了生长分化因子5，6，7，并发现短足畸形鼠体内生长分化因子5的变异［6］；进一步证实，Hunter-Thompson型软骨发育不良、C型短趾（短指）畸形、Grebe型软骨发育不良伴有严重的肢体短小和形态发生障碍的患者体内，CDMP－1发生突变［7，8］。因此，BMPs和CDMPs对骨与软骨以及其他组织的形态发生起关键性作用，而BMPs最早诱导软骨形成，进而产生骨。因此，所有的BMPs均可看作软骨形态发生素。从上述角度出发，BMPs应当被称作机体形态发生蛋白。
3 BMP感受器
两类BMP感受器（Ⅰ型和Ⅱ型）均为丝氨酸－苏氨酸激酶。成熟BMP单体形成两个手指形投射，含有7个标准半胱氨酸，其中6个涉及链内二硫键，1个参与链间二硫键，家族各成员与特定的感受器发生相互作用，如重组人类BMP4和BMP7与两个Ⅰ型BMP感受器结合，BMPR-ⅠA和BMP-ⅠB；BMP7和Ⅰ型activin感受器结合； BMPs和Ⅱ型BMP感受器也结合；秀丽隐杆线虫 （Caenorhabditis elegans）体内的基因daf4与重组人类BMP4结合，抑制幼虫成形；同时，daf4信号表达时发现了秀丽隐杆线虫体内Sma2、Sma3和Sma4三种基因；通过对果蝇体内系统的基因检测，发现了MAD（mother against decapentaplegic）基因。进一步实验发现秀丽隐杆线虫体内Sma2、Sma3和Sma4三种基因，和果蝇体内的MAD基因具有序列同源性，因此，将哺乳动物体内Sma和MAD基因的名称合二为一，称作Smad基因。通过X线衍射晶体分析法揭示了该基因的三聚体结构，共有三大类，其中感受器调节型R-Smad1、R-Smad5、R-Smad8均被BMP感受器受体激酶磷酸化［9］。
R-Smads基因和共同的信号表达伙伴Smad4（Co-Smad）发生相互作用，而Smad1、Smad5、Smad8的多聚体蛋白复合物可易位至胞核内，启动BMP反应基因的转录，而存在于胞核内的抑制性Smads基因Smad6、Smad7充当平衡因素，受到刺激时转移至胞质溶胶内抑制Ⅰ型BMP感受器受体激酶催化Smad1、Smad5磷酸化。这种复杂的信号表达依赖于在稳定状态下BMPs对于相关感受器的生物药效率，即BMP水平及其与感受器的相互作用，依赖于与细胞外基质和BMP结合蛋白间的结合，因为BMPs与胞外基质成分结合后，其与BMP结合蛋白的结合就受到限制，因此，细胞外基质可加强BMPs的生物学活性［10］。
4 BMP结合蛋白……BMP活性对抗物
4.1 Noggin基因 是BMPs活性的对抗物，从非洲蟾蜍体内分离［11］，由Spemann组织原产生，能诱导神经组织发生和腹侧中胚层背侧化。与BMP2和BMP4具有高度亲和力，从而阻止它们与BMP感受器间的相互作用［12］。因此，依赖生物药效率的感受器活性受到BMP对抗物noggin基因的抑制性调节。
Noggin基因与关节软骨以及骨性关节炎关系密切。因为在关节形态发生过程中，形态发生素的作用需要准确的调节限制，以界定肌肉、软骨和肌腱韧带，防止发生不良或过度发生。这一点，已被应用同源重组所产生的无noggin基因鼠实验证实［13］，即在关节发生部位，由于CDMP-1的过度作用，被正常调节的细胞死亡、关节空泡形成、间质细胞浓集［13］。由此可见：BMP/CDMP无节制的作用会引发关节正常发生障碍。已发现，同型结合的突变体导致脊柱、肋骨和肢体发生缺陷，肢体短小，关节界定不清，易出现关节融合，而杂合鼠却表现正常。由此可见，最佳的BMP/CDMP表达是正常关节发生的基础。实验证实，BMP2能诱导成骨细胞［14］和骨髓细胞中［15］noggin基因的表达，从而下调BMP2活性，达到平衡状态。针对noggin基因在关节形态发生中的作用，还值得进一步探讨。
4.2 Chordin基因 是BMPs活性的对抗物，作为BMP4的结合蛋白在非洲蟾蜍体内被发现［16］。在果蝇体内，有chordin基因的同系物sog （short gastrulation）基因，能够和BMP2/4的同系物decapentaplegic基因结合。由此推断，这类BMP对抗物已存在了几百万年。Chordin基因主要与BMP2、BMP4结合，并进一步被金属蛋白酶BMP1、tolloid和非洲蟾蜍xolloid调节［17～19］。需要说明的是，作为起蛋白水解作用的金属蛋白酶BMP1（在牛骨中提纯BMP2/7时同时被提取，与虾红素家族密切相关），能抑制性调节chordin基因活性，还具有溶胶原蛋白酶－C的作用，但不具备诱导骨形态发生的作用，并非真正的骨形态发生蛋白。
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