BMP-4对胚胎鼠肺发育的影响

BMP-4对胚胎鼠肺发育的影响 麻醉学与复苏杂志2007年1O月第28卷第5期 IntJAnesthResus.0ctober2007.Vol28.No.5 BMP一4对胚胎鼠肺发育的影响 谭文斐王俊科 ? 综述? 【摘要】骨形态构建蛋白(BMPs)控制着细胞的分裂,增殖.BMP-4在胚胎鼠肺发育 过程中必不可少.在早期支气管形 态构建过程中,可以观察到BMP-4动态的表达.BMP家族其他成员的临床意义显 着,提示我们BMP-4对于成年鼠肺损伤保 护作用值得深人的研究探索. 【关键词】骨形态构建蛋白;肺发育 InfluenceofBMP-4onembryonicmouselungdevelopmentTANWen,WANGJun— ke.DepartmentofAnethesiology,theFirst AffiliatedHospitalofChinaMedicalUniversity,Shenyang110001,China 【Abstract】Membersoftransforminggrowthfactor(TGF)一 Bfamilyplaycentralrolesincontrollingcellularproliferation,differen— tiationandsurviva1.TGF— Bfamilyisdividedintothreesubgroups,amongwhichbonemorphogeneticproteins(BMPs) constitutesthe largestsubfamily.BMP-4,oneofBMPs,isinvolvedinembryonicmouselungdevelopment. Duringearlyprocessofbronchiamorpho— genesis,dynamicexpressionofBMP-4occurs.EventhoughBMP-4isinvolvedinlungdevel opment,itsprotectiveroleduringlungin— juryinadultmousehasnotbeeninvestigatedSOfar. 【Keywords】bonemorphogenetieproteins;lungdevelopment 1骨形态构建蛋白 (bonemorphogeneticproteins,BMPs) 1.1BMPs简介 骨形态构建蛋白,也称成骨蛋白(osteogenic proteins,OPs),是涉及许多生长模式的转化成长因 子p(transforminggrowthfactor—p,TGF—p)超家族 的一个亚群.过去2O年的研究表明,许多基因径 路控制着细胞的分裂,分化,增殖和死亡,而且这些 径路都被选择性地保存下来.形态构建的作用在于 由简单的上皮细胞层和基质细胞群中建立起如心 脏,肺脏,眼睛等复杂的器官结构.揭示形态构建作 用又可以简单的分为两类:其一,对基本规则一般过 程的描述,如上皮细胞是如何发育成小管形,以及垫 的生成.其二,基本规则是如何与细胞分化协调作 用,这就需要了解由原始胚胎轴所决定的器官起始 部位信使中心的作用.每个中心都是由这样一群细 胞组成,通过它们诱导产生正性或负性的细胞问信 使分子来调节周围细胞的生长方式,而这些信使分 子又是被少数相关多基因家族所编码的蛋白,这些 作者单位:110001沈阳,中同医科大学附属第一医院麻醉科(谭文 斐,王俊科) 多基因家族中就包括BMPs. 1.2BMPs作用机制 BMPs是在许多胚胎模式中已被证明的分泌信 使分子进化保留家族的成员.BMPs信使能够被专 一 的受体调控,这些受体是2种不同的跨膜丝氨酸/ 苏氨酸激酶亚单位异二聚t,/四聚体.在鼠类, 已经有一个?型受体亚单位(BMPR2)被明确,而 且至少还有3种I型受体亚单位已被发现(Activin receptor—likekinaseALK2,ALK3,ALK6).BMPs与 这些受体结合后,?型受体磷酸化并激活I型受体, I型受体又磷酸化细胞质信使蛋白,包括Smad家 族成员.这些磷酸化的Smad接着与普通信使形成 复合体,Smad-4进入细胞核调节基因表达. 2BMP-4对胚胎鼠肺发育的影响 2.1BMP-4在胚胎鼠肺发育过程中的表达 肺的形态构建涉及上皮及周围基质的相互作 用.在鼠类,这些相互作用表现为,在妊娠9.5d 肺垫腹侧前肠的生长就开始了,而肺垫是由内脏外 胚层包绕的内胚层上皮组成.在假腺期(pseud- oglandularstage),上皮组织分化增生,分支演变, 形成预期的支气管和呼吸系统.上皮一基质的相互 作用和肺的分支形态构建可能涉及多肽信使分子以 际麻醉学与复苏杂志2007年10筮鲞箜』垒望!!. 及其他器官系统发育过程中所必须的跨膜受体的作 用. 为了揭示信使分子在肺发育过程中的作用, Bellusci等分析了BMP-4,BMP一7和BMPR基因编 码的时间,空间表达.BMP-4在胚胎肺远端垫尖端 上皮高水平表达,在相邻基质也有少量表达.利用 sP—C(surfactantproteinC)激活剂的作用,Bellusci等 又进一步在转基因鼠肺中使BMP-4过度表达,从妊 娠15.5d开始,转基因鼠肺发育比正常小,伴随有 总体上扩展的终末肺垫,出生后,包含并不支持正常 肺功能的大型充气囊泡.用BrdU标记揭示,转基 因肺从妊娠15.5d开始,上皮增生发生抑制.同样 还观察到基质细胞少量而明显的增生,但同时伴随 细胞的死亡. BMP-4基因敲除变异体胚胎在原始肺形成之前 就已死亡,这说明BMP-4在胚胎鼠发育过程中必 不可少.对于BMP-4过度表达的结果可能有两种 解释:其一,异位表达的BMP-4对上皮和基质细胞 作用不同,抑制前者的增生分化,激活后者的增殖死 亡.其二,在基质不同浓度水平的BMP-4可能诱发 不同的反应,以致于离上皮细胞近(异源BMP-4来 源)则细胞死亡,远则增生. 2.2BMP信使调节鼠肺发育过程中内胚层的分化 在成熟鼠肺中,P—D轴(proximal—distalaxis)可 以用两种完全不同的上皮亚群描述:近端支气管上 皮和远端呼吸上皮.在P—D轴形成肺的过程中, BMP-4在发育的肺垫尖端上皮细胞动态表达. Weaver等利用抑制BMP信使的方法进一步揭示 了BMP-4在鼠肺发育中的作用.利用SP.C激活 剂,使BMP抑制剂Xnoggin,以及控制性的BMP受 体负性调节剂dnALK6得到过度表达. 通过形态学发现和标记基因的表达说明,抑制 BMP信使导致远端上皮细胞型严重减少,同时,伴 随近端细胞型增加.另外,电子显微镜显示,一个近 端细胞型,具纤毛细胞出现在转基因肺大部分外周 区域.通过Weaver等建立的实验模型说明,BMP-4 是控制P—D轴尖端信使中心的组成部分.肺外周 的内胚层细胞,当暴露于高水平的BMP-4时,则保 持着远端分化特性,而当细胞接受少量或没有BMP一 4信使时,就起始了近端分化的程序. 2.3BMPlacz在支气管形态构建中的表达 肺的发育起始于一对原始垫的形成,它从位于 内胚层腹侧前肠的喉气管沟生发.这个早期肺垫和 支气管的立体模型可以保留于化学组份的组织培养 基,这使得早期胚胎肺培育基成为一个非常有用的 研究肺发育的模型.在鼠类,肺支气管形态构建 始建于胚胎期第10天,受转录因子,肽生长因子,细 胞一细胞,细胞一细胞外基质等因素调节". 为了研究BMP-4在肺上皮分支过程中的表达, Weaver等利用了1个BMP-4lacZ指示线来反 应BMP-4表达模式.在外侧垫起始部位,BMP-4 lacZ转录很低,当垫扩展时,BMP-4表达水平增加, 在尖端高度表达,甚至可以从非表达或低表达的近 端柄区域区分出远端区域.而且,高水平的BMP-4 lacZ表达往往伴随着垫区域的扩展,但并没有伴随 外侧垫起始.这就说明不仅垫生长需要BMP-4,而 且它可能在支气管发育过程中有其他作用. 在早期支气管形态构建过程中,可以观察到两 种风格的分支变化:一种是向外侧的分支,而另一种 为一分为二的中问分支.除了形态学区别以外,两 种分支的垫都可以观察到循环动态的BMP-4lacZ 的表达.可见,BMP-4的作用不仅仅是对分支模式 的区分,而且整个支气管发育情况有关. 3与BMP-4相关的信使因子对胚胎鼠肺发育 的影响 3.1Gremlin负性调节BMP-4诱导的胚胎鼠肺支 气管形态构建 Shi等利用Gremlin,一个BMP抑制剂DNA 家族成员,抑制BMP-4活性.在胚胎假腺期早期, 胚胎鼠肺Gremlin表达水平很高,在胎儿肺中下降. 原位杂交显示,Gremlin在肺外周基质和上皮弥散的 表达,但在支气管垫胚胎期11.5d和在大气道胚胎 期16.5d后才有相关高水平表达.在胚胎期11.5 d培养基中还发现外源性BMP-4能显着增加外周肺 上皮支气管形态构建,当用反义寡核苷酸减少内源 性Gremlin表达时,可以获得同样的BMP-4表达表 型.另一方面,腺病毒过度表达的Gremlin能抑制 内源性BMP-4激活作用.可见,Gremlin是BMP-4 在肺支气管形态构建中生理负性调节剂. 3.2Fgfl0(成纤维生长因子)在肺垫形成过程中与 BMP-4功能相反 移植性实验已经证明,从基质分泌的信使分子 控制着支气管形态构建.有证据认为,分别表 达于远侧基质和内胚层的Fgfl0和BMP-4在支气管 形态构建过程中至关重要.Weaver等利用BMP-4 lacZ线,对体内肺内胚层分析,展示垫生长,扩增,分 支过程中BMP-4lacZ表达的动态模式.在体外,无 国际麻醉学与复苏杂志2007年1O月第28卷第5期 IntJAnesthResus,October2007,Vol28,No.5 论Fgfl0是从远端或近端肺获得,它都能够诱使分 离内胚层的增殖和趋化性.当加入30g/L,50 g/L的外源性纯化BMP-4则抑制Fgf-10诱使垫的 趋化性,抑制过度增生.可见,Fgfl0和BMP-4在肺 垫形成过程中功能相反.综上所述,BMP-4充分体 现了BMP家族成员在形态构建方面的作用.无论 是外源性BMP-4浓度大小对上皮一基质细胞生长 发育方向的决定性作用,还是BMP信使对P-D轴上 皮细胞型的影响,都能说明BMP-4在胚胎鼠肺发育 过程中必不可少.通过在早期支气管形态构建过程 中观察到动态的BMP-4的表达,我们更加确信其对 整个胚胎肺发育过程的控制作用.虽然大量文献证 实了BMP-4在肺发育过程中的作用,但是BMP-4对 于成年鼠肺损伤保护作用还未见报道,而这其中的 确切机制更值得我们进行深入的研究探索. 参考文献 1HoganBL.Bonemorphogeneticproteins:multifuctionalregulatorsof vertebratedevelopment.GenesDev,1996,10:1580-1594. 2HoganBL.Morpogenesis.Cell,1996,96:225-233. 3LiuF,VenturaF,DoodyJ,eta1.Humantype2receptorforbonenor- pogeneticproteinsextensionofthetwokinasereceptormodeltothe BMPs.MolCellBoil,1995,15:3479-3486. 4BeppuH,MinowaO,MiyazonoK,eta1.cDNAcloningandgenomic organizationofthemouseBMPtype2receptor.BiochemBiophysRes Commun,1997,235:499-504. 5MassagueJ.TGF-betasignaltransduction.AnnuRevBiochem,1998, 67:753-791. 6RomanJ,LittleCW,McDonaldJA.PotentialroleofRGD-bindingin- tegrininmammalianlungbranchingmorphogenesis.Development, 1991,l12:55l一558. 7TenHaveOpbroekAA.Lungdevelopmentinthemouseembrye.Exp LungRes,1991,17:111—130. 8BellusciS,HendersonR,WinnierG,eta1.Evidencefromnormalex? pressionandtargetedmisexpressionthatbonemorpogeneticprotein (BMP-4)playsaroleinmouseembryonic:lungmorpogenesis.Devel— opment,1996,122:1693—1702. 9WinnierG,BlessingM,LaboskyPA,eta1.Bonemophogeneticpro? tein-4(BMP4)isrequiredformesodennformationandpatterningin themouse.GenesDev,1995,9:2105—2116. 10WeaverM,YinglingJM,DunnNR,eta1.Bmpsignalingregulates proximal—distaldifferentiationofendoderminmouselungdevelop— ment.Development,1999,126:4005-4015. 11JaskollTF,Don—WheelerG,JohnsonR,eta1.Embryonicmouselung morphogenesisandtype2cytodifferentiationinsemmless,chemically definedmediumusingprolonginvitrocultures.CellDiffer,1988,24: 1O5.117. 12WarburtonD,OliverBE.Coordinationofgenetic,epigenetic,anden— viormentalfactersinlungdevelopment,injuryandrepair.Chest, 1997,111:S119一S122. 13WarbrutonD.Schwa~M,TemD,eta1.Themolecularbasisoflung morphogenesis.MechDev,2000,92:55—81. 14LawsonKA,DunnNR,RoelenBA,eta1.BMP-4isrequiredforthe generationofprimordialgermcellinthemouseembryo.GenesDev, 1999,13:424-436. 15WeaverM,DunnNR,HoganBL.BMP-4andFgn0playopposing rolesduringlungbadmorphogenesis.Development,2000,127:2695- 2704. 16ShiW,ZhaoJ,AndersonKD,eta1.Gremlinnegativelymodulates BMP-4inductionofembryonicmouselungbranchingmorphogenesis. 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