高 涛 周陆陆 综述 苗春雷 唐胜建 刘方军 审校

骨形态发生蛋白2/7异源二聚体的研究进展

高 涛 周陆陆 综述 苗春雷 唐胜建 刘方军 审校

骨形态发生蛋白2/7（BMP2/7）异源二聚体，较其同源二聚体具有更强的诱导成骨潜能，是目前组织工程骨研究的重要分支之一。本文介绍了异源二聚体BMP2/7诱导成骨的相关实验，比较其与同源二聚体生物活性的差异，并对相关机制进行综述。

骨形态发生蛋白异源二聚体骨组织工程成骨分化

骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP），是一组二硫键连接的二聚体，属于转化生长因子TGF-β超家族的一员，是促进骨再生的重要因子。目前已发现的BMP有十几种，其中BMP2、4、7的生物活性最高、成骨活性最强[1]。

BMP蛋白多以同源二聚体的形式存在，并发挥其诱导成骨的潜能。临床实验证明，BMP2、BMP7同源二聚体在诱导异位成骨、增进脊柱融合、整合种植体周围骨组织等方面有明显作用。但BMP同聚体在临床应用的有效剂量非常高，患者经济负担重，而且还有产生副作用的可能，如异位诱导成骨、刺激破骨细胞分化等[2]。研究发现，天然情况下也存在BMP2/ 7异源二聚体，并且异源二聚体的诱导成骨活性比重组hBMP高4～6倍以上[3]。BMPs活性与两单体的同源性相关，两单体拥有的基因和蛋白同源性越低，则形成的BMPs的骨诱导活性越强，理论上异源二聚体比同源二聚体的骨诱导活性更强[4]。同样，Aono等[5]研究表明，BMP4/7异源二聚体也具有较强的诱导成骨潜能，据此推测体内组织中可能有BMP异源二聚体的存在。目前的研究已证明，异源二聚体替代同源二聚体诱导成骨是可行的[6]。

1 异源二聚体BMP2/7的生物活性比较

在体外实验中，以腺病毒AdBMP2、AdBMP4和AdBMP7单种、两种或三种，同时转染成纤维细胞C3H10Tl/2、骨髓基质细胞ST2或成肌细胞C2C12，发现异源二聚体BMP2/7、BMP4/7以及BMP2/4/7组诱导的细胞ALP活性是单个基因表达的2～30倍，尤以C2C12细胞差异最为明显[7]。Israel等[3]报道，BMP2/7与BMP2分别作用于小鼠基质细胞W-20-17，发现在低浓度时BMP2/7诱导的碱性磷酸酶活性是BMP2的20倍，而两者所能达到的最高ALP活性值并无显著性差异。Koh等[8]利用腺病毒AdBMP2及AdBMP7基因共转染小鼠BLK细胞以制备BMP2/7异源二聚体并作用于小鼠成肌细胞株C2C12，结果发现BMP2/7异源二聚体比其同源二聚体具有更强的成骨活性，且比BMP2、BMP7或两者的蛋白混合物更易促进Smad1/5/8的磷酸化，从而表现出更强的生物学活性。

目前的研究多在实验条件下，不能排除条件培养基中其他因素对细胞的影响，这些影响因子是否会影响异源二聚体BMP2/7的作用，则需要进一步证实。

通过腺病毒介导BMP2、4、7基因共转染小鼠胚胎成纤维细胞株，Zhao等发现体外培养基因共转染细胞株表现出较强的成骨活性，而Ad-BMP2/7共转染细胞株移植到C57BL6小鼠皮下后表现出更多的新骨组织形成[9]。在种植体周围骨缺损修复方面，低剂量的BMP2/7异源二聚体比同源二聚体诱导的再生骨质量更好，修复也更快[10]。在大鼠脊柱融合实验中，采用Ad-BMP2/7共转染的方法，可以显著增加大鼠脊椎融合率[11]，然而使用人源及马源性BMSC作为效应靶细胞时未发现类似的结果，认为可能是BMP2/7异源二聚体对人源及马源性BMSC不敏感，即其诱导成骨活性存在种属特异性所致[12]。在BMP2/7异源二聚体修复小鼠骨缺损的实验中，发现异源二聚体BMP2/7修复骨缺损的能力明显优于同源二聚体BMP2及BMP7，且新骨形成量为同源二聚体成骨量的2倍左右，然而其组织切片中亦出现了成骨过量、骨结构紊乱的现象，认为与使用BMP2/7异源二聚体剂量过高有关。因此，在以后的研究中需要优化BMP2/7的治疗剂量[3]。基因治疗虽然在一定程度上模拟了蛋白的生理效果，但BMPs的释放量难以做到精确，过量的蛋白释放势必会造成不良后果，因而需要进一步研究BMP2/7的起效浓度，以避免不良后果。

2 BMP2/7异源二聚体诱导成骨的机理

迄今为止，BMP2/7异源二聚体较其相应同源二聚体具有更强诱导成骨活性的生物作用机理仍不完全清楚，极大地限制了其在骨组织工程中的应用。BMP通过结合靶细胞表面激酶受体（即BMPⅠ型、Ⅱ型受体）而激活细胞内传统smad信号传导通路以发挥其生物调控作用[13]，而依据BMP所作用的靶细胞系的不同，BMP受体亦可激活非Smad信号传导，如激活细胞外信号调节激酶ERK、丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）p38、c-Jun氮末端激酶JNK等，而发挥诱导成骨作用[14]。Koh等[15]利用腺病毒AdBMP2及AdBMP7基因共转染，以制备BMP2/7异源二聚体，并作用于小鼠成肌细胞株C2C12。结果发现，BMP2/7异源二聚体比其同源二聚体具有更强的诱导C2C12细胞成骨的活性，而且BMP2/7异源二聚体比BMP2、BMP7同源二聚体或二者的蛋白混合物更易于促进Smad1/5/8的磷酸化，而表现出更强的生物学活性。但是，研究并未发现MAPK信号通路激活，据此认为以C2C12细胞系作为靶细胞时，BMP2/7异源二聚体通过有效激活Smad信号传导通路，以发挥其更强的诱导成骨能力。同时亦有研究发现，ALK-2与ALK-3/6共转染C2C12细胞后表现出增强的碱性磷酸酶活性，且共转染后激活并增强了受体下游信号传导基因的转录活性[16]。因此，BMP2/7异源二聚体有效激活Smad信号传导通路可能与其结合BMP2以及BMP7各自受体的特性而诱导形成信号传导能力增强的四聚体受体复合物有关[17]，使3种不同的BMPsⅠ型受体ALK-2、ALK-3、ALK-6同时激活而发挥更强的生物学活性。

另外，BMP2/7异源二聚体的生物活性增强，亦可能与其信号传导抑制因子，如负显性受体BAMBI、竞争性受体抑制剂Noggin、Gremlin等的表达，及其负反馈抑制BMPs信号通路的过度激活有关。有研究认为，虽然BMP2和BMP2/7异源二聚体都能够上调MC3T3.E1细胞中内源性CIZ的转录水平，但BMP2明显比BMP2/7异源二聚体的上调作用要强，据此认为BMP2/7异源二聚体成骨活性较高可能与CIZ负反馈抑制成骨有着密切的关系[18]。以C2C12成肌细胞系作为靶细胞，Zhu等发现BMP2/7异源二聚体较BMP2、BMP7同源二聚体更能诱导明显低表达的BMP受体抑制剂Noggin，且添加外源性Noggin并未影响BMP2/7异源二聚体诱导C2C12细胞时所表现出的增强的诱导成骨潜能[11]。

综上所述，腺病毒Ad-BMP2及Ad-BMP7基因共转染效应靶细胞可形成BMP2/7异源二聚体，且其与BMP2、BMP7同源二聚体相比，具有更强的诱导成骨活性。然而，目前对其生物作用机理的研究尚不完善，且多局限于采用建系成骨细胞株作为研究靶细胞，而依据BMP蛋白所作用靶细胞系的不同，BMP2/7异源二聚体有着与BMP2、BMP7同源二聚体不同的信号激活方式，及对Noggin等负反馈抑制因素的不同调控与亲和能力，从而发挥其增强的诱导成骨潜能。

3 展望

骨形态发生蛋白及其人工骨的研究和局部基因治疗的进展，为治疗骨缺损提供了新途径。通过转基因技术使靶细胞局部有效分泌骨诱导生长因子，以调控细胞的增殖活性和成骨能力，并与支架材料复合构建成基因强化的组织工程人工骨，用以修复骨缺损，这样既保持了移植物的成骨传导作用，又提供了基因治疗中的成骨诱导作用，从而增强骨生长修复的效果。应用基因治疗增加骨诱导细胞因子的局部分泌，以促进骨修复，是目前骨组织工程研究领域的热点，为组织工程骨的临床应用提供更加有效的新途径。

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Research Progress of Bone Morphogenetic Protein 2/7 Heterodimer

GAO Tao,ZHOU Lulu,MIAO Chunlei,TANG Shengjian,LIU Fangjun.

Plastic Surgery Hospital,Weifang Medical University,Weifang 261000,China.Corresponding author:Liu Fangjun(E-mial:liufjmd@gmail.com).

【Summary】BMP2/7 heterodimer,a bone structure formation protein,has stronger osteogenesis inductive potential than its homodimer.So the study of BMP2/7 heterodimer has been one of the most important research directions in tissue engineering osteogenesis now.In this article,the osteo-inductive related experiments of BMP2/7 heterodimer were described,the differences of biological activity between heterodimer and homodimer were compared,and the mechanisms were overviewed.

Bone morphogenetic protein;Heterodimer;Bone tissue engineering;Osteogenic differentiation

O629.73

B

1673－0364（2014）06－0355－03

2014年6月25日；

2014年9月8日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.06.015

国家自然科学基金资助项目（81372091）。

261000山东省潍坊市潍坊医学院整形外科医院。

刘方军（E-mial：liufjmd@gmail.com）。