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骨形态发生蛋白及其相关结合蛋白在骨与软骨形(2)

2014-07-25 01:15

　　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。