成都华西华科研究所研发生产定量CT QCT骨密度体模软件分析系统

BMP的信号调控与QCT骨密度体模软件检测方法

细胞因子与生长因子在转录水平或史岛水平对间充 质干细胞向成骨细胞的转化以及成骨细胞的功能活动进 行调节。Smad蛋白家族被证明是BMP的下游调节倍 号。BMP2、BMP4、BMP7(OP丨）通过2种丝氨酸-苏 氨酸瀲酶增特异受体（BMP R丨、BMP TH )进行细胞内信 息传递，与细胞内磷酸化了的特异咽Smad即Smadl、 Smad5和共有型Srnad4组成结合体后，向核内转运，对 靶基W进行信号传递。

BMPR1A与BMPR1B结构相似，它们的胞外段都 很短，近膜侧有保守的“Cys盒”。胞内有STK活性区 域，BMPK IA较BMPR丨B大，胞内羧基端冇富含苏氨酸 和丝衩酸的尾巴；BMPR胞内区的近膜部分（N末端）有 高度保守的丝氨酸-甘氨酸（GS>结构域，是活化起始的 部位。

BMPR2可以自身磷酸化，同时还可以磷酸化上游 的 BMPR 1A 及 BMPK I B。BMPR A、BMPK B 及 BMPR 各自与BMP的亲和力很弱，不能单独介导信号传递。 BMP与BMPR结合时，BMPR使BMPR上GS域磷酸 化。然后，BMPR (BMPR A和BMPR B)与两分子BM- PK形成具备BMP高亲和力的异四聚体，为丝氨酸/酪衩 酸激酶受体。在信号转导中BMPR A起主要作用，BMP 信号的特异性主要是由BMPR A决定的。BMPR将 Smadl、5、8的MH2结构域磷酸化，Smadl或5(8)与 Smad4结合成二聚体进人核内，对核内活动进行调控。

•旦Simdl或Sm_ad5被激活，就可以使成肌细胞转化为 成骨细胞，此时不再X要BMP的存在。目前认为 Smad8在结构上类似Smad5与Smadl，但功能不详。

Smad6通过与BMPR结合，或者结合Simdl (与 Smad4竞争）生成无活性复合体两种方式逆调节信号转 导。此外，还有一系列Smad相互作用蛋白（SIP)与 Smadl. 4二聚体结合来调控其作用。

Smads 楚 MAD( mothersagainstdpp)的同系物，目前认 为Smad家族有8个成员，拥有保守的N末端（MH1)及C 末端（MH2),中间被非保守的苏氨酸、丝衩酸、腩氨酸连 接区嗝开。不同的TGF-P超家族成员通过不同的Smad 传递信号。Smad2及SnwB介导TGF- p和Activin位号， 而对BMP2则无反应。但TGFp、Activin都不能诱导 Smadl磷酸化。Smad4表现为其他Smads的伙伴 (四）BMP与骨组织BMP与骨发育：BMPs最初足作为一种可在异位诱 导骨和软骨形成的蛋白质被发现的，以后发现其功能不 限于此。BMP-2的特异性受体不仅存在于成骨细胞表 面，而且还存在于所有的非生血干细胞衣面，每个细胞表 面上受体的数目约为1200〜6000个，受体分子质最也不 相同。由此可见，BMP的功能具有多样性特点。Ghosh 等人通过研究成骨细胞分化期间BMP-2的基因表达， 发现BMP-2的DNA 5’端侧存在着多种转录渊节因子 的结合位点，多种转录调节因子可刺激或抑制BMP-2 的mRNA表达。

BMPs在胚胎发合、器官形成中的重要作用tJ益为人 们所认识^[^³¹。Vaes等用基因芯片技术筛选受BMP调 节的C2C12间充质干细胞的耙基因，共获得95%个序 列、342个相关基囚和表达序列标记（expressed sequence tag_S，EST_S)。这些目的基因可分为细胞分化早、中、后三 期的反应性埃因簇，与MC3T3成竹细胞比较，发现9个 新的分化后朗的反应基W。De Jong等用同样技术也测 定了受BMP、TGF- p和活化索调节的15个C2C12细胞 早期分化的目的基因。另一方面，骨BMP-7可能与骨

细胞受机械负荷后引起的骨形成有关。机械负荷可通过 BMP-7诱导，增加骨内膜矿物质沉积率和讨形成率。 在早期胚胎发育时，BMPs指导身体基本形态的形成，并 在特定的部位诱导形成特异的组织。

1.      BMP的成骨作用虽然BMPs的作用很广泛，伹 最显著的是成骨作用。它使未分化的间充质细胞定向分 化为成骨细胞并形成骨组织，而其中最重要的足BMP- 2及BMP-7。30ku的BMP-2以二聚体形式存在，是 天然BMP-2的主要形式。目前人们用基因重组技术已 经表达出東组的人BMP-2(rhBMP-2),并且正位（eu- tope)和异位（ectope)成功地诱导出骨组织。BMP-2存 诱导成骨细胞分化和诱导体外成骨的能力。有实验表 明，将rhBMP-2注人大鼠肌肉中，可促进异位骨形成， 而抗血管生成类药物可抑制I3MP诱导的异位诗形成。 BMP-2亦可诱导成骨细胞前身细胞分化为成熟的成骨 细胞，促进骨形成。用去势大鼠观察股骨近端BMP-2 和BMP-7的基因表达，结果发现BMP-2基因表达在 去势大鼠局部敁著降低，BMP-7的苺因表达无显著变 化。用免疫组织化学方法发现，在骨折早期骨折区BMP -2的表达增麻，骨折后第2周达到高峰，第3周降至正 常水平。对骨折修复过程中骨折区BMP-2的表达的定 最和定位研究发现，对BMP-2的反应细胞主要楚骨膜 的衬里细胞、骨皮质成骨细胞、骨《及血肿中的间充质细 胞。另外，在骨缺损区存在者BMP-2的浓度梯度现象。 即靠近骨皮质断瑙侧的浓度最高，骨髄腔内和#膜处次 之，缺损的中央部浓度最低。Cas锌指蛋d(CTZCas- interacting Zinc finger protein)能抑制 BMP/Smads 信号对 成骨细胞的分化作用。CTZ过度表达的成钟细胞抑制了 BMP-2增加的ALP、骨钙素和1型胶原箪因的表达，使 培养的成针细胞矿化结节的形成受抑。

随着分子生物学进展，基因工程已逐渐用于骨的修 复^hsl。Zhao等用切除BMPR-IB优势未端的转基因鼠 观察BMP信号转导系统和在成骨中的作用，结果发现这 种鼠能生育和存活，但其纯合子在出生一个月时出现骨 形成障碍，骨密度、骨形成率明显降低，但成骨细胞和破 骨细胞的数目无明显变化，用从转基因鼠分离的成骨细 胞观察发现BMP信号转导受阻，BMP-2诱导的骨矿化 基质形成受抑。携带BMP-2的辅助依赖的腺病#栽体 (AdHD I3MP, 2, helperdependent adenoviral vectors)导人 到W-20 - 17细胞能增加碱性磷酸解的活性，将转染 AdHDBMP-2的大鼠骨髄细胞移植到SCm鼠的后腹， 在输人2周后可看到骨的形成。

2.      BMP诱导成骨机制研究衣明，BMP家族中的 所有成员均对付的代谢过程有一定的调节作用，其中 BMP-2的诱骨作用最为明显，研究得也最深入细致₉ 骨折愈合时，BMP4与型胶原及肝索相互作用参S血管 形成。重组人BMP7在体内和体外都M示了高效的骨诱 导活性，可使多种实验动物的骨缺损愈合。

目前对BMP的诱导成骨机理还不甚淸楚，但大多认 为是BMP可以诱导骨折瑚围未分化的间充质细胞，使其

分化为成软#细胞及成骨细胞，而后通过钙盐沉积而形 成新骨，最终使骨组织修复，这是一种软骨化骨过程。 Ishidou⑷等报道了 BMP-2、BMP-4, BMP-7 在鼠类 骨折愈合中的表达，丨4天后BMP-7在软骨细胞中染色 很弱，而BMP-2和BMP-4在软#中持续表达直至骨 折愈合晚期。说明不N BMP在软毋形成中存在时序表 达性。骨基质成分主要由胶原和蛋白多糖两大部分构 成，现已知的胶丨水至少有15种以上，研究表明骨基质主 要为I、1\’、\1、》、艰想胶原，软骨基质主要为11、)(1、 K、X、VI、X ID型胶原，也有交叉存在，它们构成骨及 软骨的基本成份。蛋白多糖在骨基质中含苗极丰富，结 构为不同数目的硫酸糖氨聚糖侧链及短的低聚播包裹一 个中心蛋白轴，还有一种为结构较小的蛋白聚糖。BMP 在整个成骨过程中对成骨所X物质的DNA、胶厣合成及 蛋白质的聚积都起刺激作用骨折早期，在创伤等因素的刺激下，骨折端局部骨 膜中成骨细胞及周围的间充质细胞增殖，使局部BMP 高表达细胞增多，BMP浓度增离，促使间充质细胞向成 软骨细胞及成骨细胞转化，并剌激细胞增殖。于是BMP 高表达细胞进一步增多，形成正反馈。诱导成骨有3个 必要条件：①诱导因子的存在，当局部BMP浓度达到一 定程度，就珂以诱导#生成。BMP有效摄是指可引起诱 导成骨作用的最小BMP     骨折端的坏死、吸收可以释

放内源性BMP, BMP向周围弥敗，形成一个由近及远逐 渐降低的浓度梯度。成骨S与BMP浓度成正比，与扩 散距离成反比。在一定距离内，由于BMP在两骨折端 之间重#分布，浓度高于周围组织，故骨再生总在骨端 之间进行。而当骨端间距离足够大时，内两性BMP的 分布将不受对侧影响而表现出自己的特性。②BMP的 靶细胞群，骨髄中存在定向性成骨细胞（DOPC)及诱导性 成骨细胞（IOPC),前者可以自行分化为成骨细胞，而后 者需要分子信号诱导分化。作为BMP靶细胞的诱导性 成骨细胞。体外实验认为BMP靶细胞还有结缔组织中 未分化、有活力的间充质细胞，骨膜基质细胞，骨膜细 胞。③允许骨生长的正常环境。

BMP诱导成骨包含有三步，每一步都是多分子放大 反应：①诱导趋化，指细胞对于化学信号分子浓度梯度 变化所做出的方向性移行。在BMP趋化下，血浆纤维 连接蛋白与产胶原的骨基质连接，促进间充质细胞黏附 其上发生坩殖。天然牛BMP3和BMP4在体外可以直接 趋化血争核细胞。趋化性与BMP浓度及细胞上的受体 密度有关：②诱导有丝分裂，细胞通过有丝分裂得到增 飱；③诱导分化，BMP2可以诱导成纤维型细胞分化为成 骨嘲细胞◊ BMP在诱导软骨化#时伴有型胶原，碱性 磷酸酶苺因表达。

(五）BMP与骨质疏松

BMP能够诱导促进软骨和骨的形成，在骨诱导、伢 里维持以及卄的修复与审建过程中发挥着核心的调节作 用，所以对于#质疏松的病因学和临床治疗研究等方面 A有十分重要的意义。在已经发现的二十几种这类蛋白质中，以BMP-2、BMP-4、BMP-7的诱骨作用敢为 明显，研究得也最深人细致。Rawadi G^[8•等研究表明， BMP-2可以通过Wnt自分泌/旁分泌环的级联信号环 路，促进碱性磷酸酶的表达，增加成骨细胞矿化，从而调 整骨组织代谢，抑制破#活动，促进成骨，达到预防或控 制骨质疏松的目的。

M_errihewC^h5]等研究了人类关节软骨细胞中白细胞 介索l(IL-l)对BMP-7表达水平的影响。发现在关 节软骨细胞培养体系中，如果无IL-1作用，BMP-7浓 度及活性保持在一定相对稳定的水平；在低剂里丨L- 1 作用下，BMP-7的表达水平及活性成倍提高，但去除 IL-1后，BMP - 7的合成并不相应减少；在较高浓度 IL-1的作用下，可以明显上调BMP-1的表达，在培养 体系屮有较高水平的活性BMP-7蛋白发挥作用。从而 认为，人类关节软骨细胞可以通过上调内源性BMP-7 水平而发挥其对成骨过程的分解及合成代谢调节作用。

的研究也从另一方而证明了这一点。他们 观察到头发生蛋白（noggin,—种BMP抑制因子）的过度 表达，可以抑制小鼠的成骨细胞分化，减少骨形成，从而造 成严敢的骨质疏松。在生物袞老过稃中，这一方面可能具 有很市要的意义，因为在机体衰老过程中，头发生蛋白的 表达水平是很高的，抑制了 BMP的牛物活性，从而导致骨 代谢的功能性异常，骨大里丢失，M终形成骨质藐松。

老年女性的骨质疏松多与雌激素水平下降有 关^[^⁸¹。有研究表明，雌激家对骨代谢调节也是通过 BMP来实现的。雌激素发挥作用是通过与靶细胞的特 异受体结合而完成的。传统观点多认为雌激素只是通过 抑制骨吸收而达到维持骨婧的冃的。而新近研究表明， 雌二醉可以提卨小鼠骨组织内BMP-2箪W的mKNA 合成，从(fri通过提高BMP-2的水平而促进骨的形成。 大豆黄素可以促进成讶细胞的生长，也通过调节人体内 性激素水平而间接实现对骨代谢的谰控，而大豆典家的 调控作用也受到成骨细胞内的BMP-2水平的影响细胞因子因具有调节成骨细胞和破#细胞功能的双 求功能，具有其他治疗骨质疏松药物不可比拟的优 势^[|91。BMP在骨科、牙科及整形外科等领域有宥广泛的 应用前景，已经发现此类蛋白质有十几种。现在已经知 道它们在生物体中广泛存在，特别是在骨组织中，但是含 量极微，提取工艺十分复杂。W此利用基因技术生产 BMP,成为牛物科学和K学工作荇的主要研究目标，国 内、外均相继开展了大供的这方面的研究工作。N内此 研究方向已经得到科技部863等甫点项目的大力支持。 目前BMP-2和BMP-7(0P1)已通过基因重组技术进 行工业生产，并正应用于临床。rhBMP-2的成功开发 及其产业化将惠及包括骨科、U腔外科、整形外科和新材 料研发等多个领域，把rhBMP-2与适当材料结合就可 成为多种应用于不同目的的高效骨修复材料，满足科研 与临床的斋要。成都华西华科研究所研发生产QCT定量CT骨密度体模软件分析系统  
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