骨形态发生蛋白

1965年，Urist等首先报道将牛骨置于酸溶液中去钙后的骨片植入肌内后发现能够诱导新骨生成，他们认为去钙骨基质中存在能诱导骨生长的未知物质，并将其称为骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）。

5.1 BMPs的一般特征

BMPs的结构特点：BMPs由骨母细胞产生，是转化生长因子β超家族中的一组多功能细胞因子。相关研究表明，在异位诱导骨形成方面，BMPs是唯一能够单独完成的信号分子。目前，被成功分离和克隆的BMPs已有20余种，除BMP-1（基因定位于8p22cen，是一种前胶原C蛋白酶）外，其他BMPs均是转化生长因子β超家族成员。BMPs的相对分子质量为30000左右，为酸性蛋白质，与转化生长因子β相比，BMPs肽链中含额外2个保守半胱氨酸序列，二聚体为其活性分子形式。BMPs家族成员在氨基酸数目、染色体定位、诱导成骨活性和缺失后表现等方面都不尽相同。

目前对于BMP-2、4、7的研究较多。BMP-2基因定位于20p-12，有396个氨基酸残基，参与背腹侧组织构建、附件骨的形成、骨骼系统早期发育以及心、脑、肾、牙齿的发生；BMP-4基因定位于14号染色体，有408个氨基酸残基，主要在骨折愈合过程和肺发育中发挥重要作用；BMP-7基因定位于20号染色体，含有431个氨基酸残基，是20世纪90年代发现的一种成骨能力最强的一种BMPs，在胚胎期参与心、脑、肾、牙齿的发育，此外还可以促进成骨细胞增殖以及碱性磷酸酶的表达和关节软骨缺损的修复与软骨细胞蛋白多糖的表达。

5.2 BMPs信号通路

BMPs信号系统由BMPs及其受体、Smad蛋白、相关转录因子及成骨分化特异性转录因子组成。BMPs配体是二聚分泌型配体，它们使用了一套含有9个保守的半胱氨酸的首要序列和三维折叠模式。各种BMPs的受体构成丝氨酸或苏氨酸激酶受体的一个分支。BMPs及其受体分子是成骨细胞分化成熟的重要调节因子，BMPs与其受体结合，通过Smads蛋白传递分化信号，促进间充质干细胞向成骨细胞分化。BMPs配体介导的信号传导机制，首先是形成异源四聚体受体复合物并绑定到二聚体BMPs，这导致活化Ⅱ型受体激酶介导的依赖磷酸化的休眠Ⅰ型受体激酶激活。然后，活化的Ⅰ型受体激酶磷酸化并激活Smad蛋白家族成员，称为受体激活Smads蛋白（R-Smads）。

5.3 BMPs与成骨细胞

BMPs能够增加骨钙蛋白等基因和成骨细胞分化的标志酶——碱性磷酸酶的表达，从而促进新骨形成和骨的层次化。成骨细胞分化过程在骨质疏松症中起关键作用。当前对BMPs的诱导成骨机制还不是很清楚，BMPs可诱导骨折周围未分化的间充质干细胞分化成成骨细胞和软骨细胞，随后通过钙盐的沉积而形成新骨，最终完成骨组织修复的理论是被大多数学者公认的。BMP-2从两方面促进骨形成：①促进成骨细胞分化。骨基质中的BMP-2可募集骨髓干细胞并诱导骨髓干细胞分化为成骨细胞及软骨细胞，再通过钙盐沉积形成新骨。BMP-2还诱导间叶细胞中成骨细胞的分化及幼骨的重塑。BMP-2在骨的再生和修复过程中也促进成骨细胞的分化并抑制其凋亡。②促进其他成骨因子的表达。BMP-2能够上调成骨细胞标志基因骨桥蛋白、Cbfα1、COL1Aα1、唾液蛋白、碱性磷酸酶、脂肪酸偶联蛋白4等的表达，这些基因表达的蛋白在成骨细胞分化中起着十分关键的作用。

5.4 BMPs与破骨细胞

BMPs对破骨细胞具有正向作用，可以促进骨髓基质细胞分化成为多核的破骨样细胞。有诸多学者发现，BMPs与破骨细胞之间存在着密切的联系。Takahashi等通过动物实验证实，rhBMP-2与聚合物联合应用于治疗Ⅲ度根分叉病变，第6周时可见破骨细胞形成，而对照组未发现破骨细胞。在体外研究中，Hentunen等发现，rhBMP-7可以诱导大鼠骨髓基质细胞分化成为抗酒石酸酸性磷酸酶染色阳性的多核细胞，并与其浓度呈正相关。体外研究表明，破骨细胞可表达BMPs受体，因此，BMPs可以直接与其受体结合，激活破骨细胞分化和活化其功能。总之，一定浓度的BMPs可能与成骨细胞或骨髓基质细胞膜上的BMP受体（BMPRIα和Ⅱ）结合，通过下游的信号转导分子，激活和（或）促进in-csf和细胞核因子κB受体活化因子配基基因的表达。分泌的巨噬细胞集落刺激因子和细胞核因子κB受体活化因子配基为破骨细胞的分化和成熟提供了必要条件，它们分别与前体破骨细胞膜上的细胞核因子κB受体活化因子配基与巨噬细胞集落刺激因子受体结合，共同促进前体破骨细胞分化，诱导破骨细胞形成（图6-1）。

图6-1 BMP信号转导通路与成骨细胞分化

（引自：Lin GL，Hankenson KD.JCell Biochem，2011，112（12）：3491-3501.）

（朱和平）