骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4與人類生殖的研究

易子琳 馬天仲

【摘 要】 ：骨形態(tài)發(fā)生蛋白4（bone morphogenetic protein 4）是BMP家族的一員。1963年，美國(guó)的Marshall R.Urist從脫鈣的骨基質(zhì)提取物中首次分離出BMPs。骨形態(tài)發(fā)生蛋白能夠同胚胎骨骼共同發(fā)生作用，從而形成蛋白質(zhì)，能夠在骨形成的多個(gè)階段中產(chǎn)生作用，可貫穿全過(guò)程。除此之外，尤其是對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生。骨形態(tài)發(fā)生蛋白最終使骨細(xì)胞形成鈣化骨組織，因此它被人們稱為骨形態(tài)發(fā)生蛋白[1]。近年來(lái)隨著研究的進(jìn)一步深入，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BMP4能調(diào)控人睪丸Sertoli細(xì)胞和卵巢的生理學(xué)功能，而且對(duì)于胚胎發(fā)育也至關(guān)重要。綜上所述，BMP-4與人類的生殖能力息息相關(guān)，隨著生殖醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)于生殖方面而言，BMP-4的研究?jī)r(jià)值更加受到重視，本文作者對(duì)此方面的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

【關(guān)鍵詞】 骨形態(tài)發(fā)生蛋白4;作用機(jī)制;生殖能力;進(jìn)展

Bone morphogenetic protein-4 and human reproduction

Yi Zilin1， Ma Tianzhong2

1.Guangdong Medical University， Zhanjiang， Guangdong 524000;

2.Guangdong Medical University Hospital， Zhanjiang， Guangdong 524000

[Abstract] Bone morphogenetic protein 4 is a member of the BMP family. In 1963， Marshall r. Urist of the United States separated the BMPs from the calcium extracellular matrix extract for the first time. BMP to proteins associated with embryonic bone formation， bone formation in all play a role in most of the stage， the morphogenesis in the early stages of beginning， until after birth. It also plays a key role in the central nervous system. Bone morphogenetic protein eventually causes the bone cells to form calcified bone tissue， so it is called[1]. In recent years， with the further research， it has been found that bmp-4 can regulate the physiological functions of human testicular Sertoli cells and ovaries， and is also crucial for embryonic development. Above all， BMP-4 is closely related to the human reproductive capacity， with the rapid development of reproductive medicine， BMP-4 in reproductive research value is becoming more and more attention and pay attention to， are in BMP-4 related research progress on human reproduction.

[Key words]Bone morphogenetic protein 4; Mechanism of action; Reproductive ability; Progress

1 骨形態(tài)發(fā)生蛋白4的基因、蛋白結(jié)構(gòu)和表達(dá)

1.1 BMP-4基因結(jié)構(gòu)

人BMP-4基因同蒼蠅的dpp（decapentaple）是很相似的，因?yàn)槎季哂?個(gè)5′非編碼外顯子以及2個(gè)編碼外顯子。人BMP-4基因位于14號(hào)染色體上，轉(zhuǎn)錄單位包括4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子，整個(gè)基因跨越9.03kb基因組區(qū)。結(jié)果表明BMP-4基因可通過(guò)在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中使用選擇性啟動(dòng)子和剪切處理產(chǎn)生各種轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。各轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的表達(dá)水平和比例的變化可能影響細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、凋亡等生命活動(dòng)。根據(jù)細(xì)胞類型，BMP4基因可以發(fā)揮不同的作用。后來(lái)，通過(guò)對(duì)生物信息學(xué)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)家畜動(dòng)物如牛、綿羊和豬的BMP4基因的結(jié)構(gòu)與人類相似，并且還具有多種轉(zhuǎn)錄組。一些新的轉(zhuǎn)錄形式在人類和小鼠研究中未被提及。這些轉(zhuǎn)錄本的出現(xiàn)將產(chǎn)生尚未找到其功能的新表達(dá)產(chǎn)物。

1.2 BMP-4蛋白結(jié)構(gòu)

人類BMP-4結(jié)構(gòu)上是一個(gè)高度保守的由116殘基組成的蛋白質(zhì)，是從408殘基的前原蛋白質(zhì)中翻譯后切下。BMP-4作為BMPs家族的成員，其結(jié)構(gòu)也具有7個(gè)保守的Cys。在7個(gè)Cys中，6個(gè)Cys形成分子內(nèi)二硫鍵，另一個(gè)Cys形成分子間二硫鍵。多肽鏈由此連接形成二聚體結(jié)構(gòu)。這種由3個(gè)半胱氨酸組成的分子內(nèi)二硫鍵被稱為半胱氨酸結(jié)（cysteine knot），是蛋白質(zhì)的核心和主鏈。BMP4基因總的而言存在兩種產(chǎn)物：1）成熟胎盤組織中表達(dá)，是402個(gè)氨基酸共同構(gòu)成前體蛋白;2）骨肉瘤表達(dá)的BMP4，是408個(gè)氨基酸構(gòu)成前體蛋白，其中氨基酸信號(hào)肽19個(gè)，每一個(gè)又含有273個(gè)氨基酸體。另外還有一個(gè)成熟片段是由氨基酸116個(gè)組成，與信號(hào)氨基末端的胎盤中表達(dá)的BMP-4比較，多了6個(gè)氨基酸。然而，兩個(gè)活性片段都由116個(gè)羧基端氨基酸構(gòu)成。

2 BMP-4作用機(jī)制及調(diào)控

2.1 受體

糖基化的BMP4在細(xì)胞外空間或細(xì)胞外基質(zhì)中形成同型二聚體后，又會(huì)同摩羯和的受體復(fù)合物進(jìn)行結(jié)合，復(fù)合物中又包括了BMPI型絲氨酸-蘇氨酸激酶受體，并且該類型受體包括兩種類型：BMP受體（BMPR）IA，又名活化素受體激酶3;BMPRI B又名也稱活化素受體激酶6，Ⅱ型受體為BMPR Ⅱ，3種受體中又包括了兩個(gè)較為典型的跨膜保守功能區(qū)：BMP同源性二N端細(xì)胞外配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域和C端細(xì)胞內(nèi)源性激酶結(jié)構(gòu)域，一般而言，BMP4與Ⅰ型受體具有更高的親和力。

2.2 作用機(jī)制

作為分泌性配體，BMP4首先結(jié)合其跨膜絲氨酸-蘇氨酸激酶II型受體（BMPR Ⅱ），然后與BMP I受體（BMPR I，ALK2，ALK3和ALK6）形成復(fù)合物。BMPR Ⅱ會(huì)促進(jìn)BMPR I發(fā)生磷酸化。然后下游細(xì)胞質(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)蛋白，包括Smad1，Smad5和Smad8。磷酸化的Smads與共同的效應(yīng)Smad4形成復(fù)合物，Smad4不僅會(huì)轉(zhuǎn)入到細(xì)胞核，對(duì)基因表達(dá)還會(huì)起到調(diào)節(jié)作用。BMP4有多個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)發(fā)揮作用，例如誘導(dǎo)p38途徑和細(xì)胞外信號(hào)傳導(dǎo)激酶/絲裂原活化蛋白激酶途徑.BMP4和Wnt/β-連環(huán)蛋白，Notch，Ca2+/鈣調(diào)蛋白與激酶/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活信號(hào)通路之間有相互作用。

2.3 BMP4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控

BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在細(xì)胞外以及細(xì)胞內(nèi)的水平均會(huì)被調(diào)節(jié)。細(xì)胞外水平：BMP-4會(huì)受到chordin、noggin類的受結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)，會(huì)抑制細(xì)胞活性，并阻礙形成功能性受體復(fù)合物;當(dāng)受到蛋白酶tolloid調(diào)控之后，對(duì)活性BMP-4能夠起到分解以及釋放活性的作用，BMP-4也與細(xì)胞表面硫磺相關(guān);鈣調(diào)素對(duì)Smads而言，是一種抑制劑，TAK1則是BMP的信號(hào)誘導(dǎo)劑，受體酪氨酸激酶則能夠抑制BMP信號(hào)。

在細(xì)胞內(nèi)水平：BMP信號(hào)傳導(dǎo)會(huì)由Smad6、Smad7進(jìn)行負(fù)調(diào)控，影響細(xì)胞膜想細(xì)胞核傳遞信號(hào);BAMBI也可調(diào)節(jié)BMP信號(hào)，因?yàn)槠鋵儆诳缒さ鞍祝軌蚺cTGF-β家族受體產(chǎn)生作用），影響功能性受體復(fù)合物的形成，從而達(dá)到影響B(tài)MP轉(zhuǎn)到的目的。BMP信號(hào)也受到泛肽-蛋白連接酶中Smurf家族成員的調(diào)節(jié)。靶蛋白又屬于BMP受體，和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)的其他元素降解蛋白體或溶酶體。在細(xì)胞核水平，類似于Sno和Ski的轉(zhuǎn)錄抑制因子抑制，可以終止某些BMP靶基因的轉(zhuǎn)錄激活。另外，BMP信號(hào)級(jí)聯(lián)也會(huì)被不相關(guān)配體和受體結(jié)合引起的細(xì)胞內(nèi)分支位點(diǎn)和信號(hào)影響。鈣調(diào)素對(duì)Smads而言，是一種抑制劑，TAK1則是BMP的信號(hào)誘導(dǎo)劑，受體酪氨酸激酶則能夠抑制BMP信號(hào)。

3 BMP4對(duì)生殖的影響

3.1 BMP4與卵泡發(fā)育的關(guān)系

當(dāng)體外加入BMP-4時(shí)，BMP-4有助于冷凍保存后人卵巢組織原始卵泡向初級(jí)卵泡的轉(zhuǎn)化，能降低體外顆粒細(xì)胞孕酮的基礎(chǔ)分泌，促進(jìn)卵泡體外存活。原始卵泡的形成和發(fā)育直接影響雌性哺乳動(dòng)物整個(gè)繁殖階段可用卵泡的數(shù)量，是影響雌性生殖性能的重要方面。BMP-4可以提高卵泡刺激素誘導(dǎo)的雌二醇產(chǎn)生并抑制黃體酮的產(chǎn)生，BMP-4可能是卵泡生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素[2]。

3.2 BMP4在胚胎發(fā)育中的作用

在胚胎發(fā)育中，BMP-4對(duì)胚胎干細(xì)胞具有調(diào)節(jié)作用，能夠向內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行分化，通過(guò)對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞管腔形成等進(jìn)行刺激，達(dá)到穩(wěn)定血管腔以及改善內(nèi)皮細(xì)胞功能的目的[3]。從背主動(dòng)脈壁及周圍的間質(zhì)BMP-4可誘導(dǎo)嵴細(xì)胞成為交感神經(jīng)和腎上腺嗜鉻細(xì)胞前體，腎上腺BMP4能夠促進(jìn)腎上腺嗜鉻細(xì)胞成熟。BMP4對(duì)于胚胎發(fā)育的早期階段而言，具有非常關(guān)鍵的作用，還可以調(diào)節(jié)內(nèi)皮因子對(duì)卵黃囊造血發(fā)育過(guò)程。BMP4對(duì)胚胎發(fā)育的多個(gè)方面都會(huì)起到作用，例如：抑制腫瘤血管生長(zhǎng)以及抑制腫瘤生長(zhǎng)體積等。目前，在大鼠等實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)證實(shí)BMP可促進(jìn)中胚層造血組織進(jìn)行分化。

3.3 BMP-4與干細(xì)胞分化

BMP-4可誘導(dǎo)BMSCs分化成生殖細(xì)胞。有學(xué)者用全骨髓培養(yǎng)獲得小鼠BMCS（骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞），用不同濃度的BMP-4可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源生殖細(xì)胞表達(dá)不同發(fā)育階段特異性基因，證實(shí)BMSCs可以在BMP-4的作用下誘導(dǎo)分化成生殖細(xì)胞[4]。

4 BMP4的臨床應(yīng)用前景和展望

BMP4對(duì)男性和女性的生殖功能有重要影響，它的表達(dá)影響卵細(xì)胞的活力和功能，精子的健康以及胚胎的正常發(fā)育。臨床上，它可以用來(lái)評(píng)估個(gè)體生殖功能的濃度。制定個(gè)性化治療計(jì)劃以提供參考數(shù)據(jù)。其深入研究也可為不孕病因提供理論依據(jù)。這將有助于為輔助生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的體外培養(yǎng)和生殖儲(chǔ)存提供新思路[5]。

5 總結(jié)

原始卵泡的形成和發(fā)育直接影響雌性哺乳動(dòng)物在整個(gè)生殖期的可用卵泡數(shù)目，并且是影響人類繁殖性能的重要方面[6]。隨著人們對(duì)該領(lǐng)域的不斷研究，骨形態(tài)發(fā)生蛋白在調(diào)節(jié)卵細(xì)胞發(fā)育中越來(lái)越重要。本文作者總結(jié)探討了骨形態(tài)發(fā)生蛋白4和人類生殖的發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學(xué)的不斷實(shí)踐，人們會(huì)更加深入理解這種BMP4在未來(lái)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展中具有的巨大作用和非常廣闊的應(yīng)用前景。

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