脊髓损伤中的骨形态发生蛋白信号转导

介绍

脊髓损伤（SCI）可以是脊髓的创伤性或非创伤性损伤，在美国最高发病率约为每百万人906-1800例^[1-三]脊髓损伤通常会导致完全或部分运动和感觉神经损伤，并产生有害后果^[4]外伤性脊髓损伤可由道路交通事故、老年人跌倒、暴力和运动相关损伤后脊髓的严重创伤引起^[1,三]非创伤性SCI通常由缺血再灌注损伤、先天畸形、退行性疾病、恶性肿瘤、自身免疫性疾病或脊髓感染引起^[2,5,6]创伤性脊髓损伤是一种破坏性的神经系统疾病，其特征是脊髓进行性损伤的急性和慢性阶段，包括神经炎症、少突胶质细胞丢失、神经元丢失、脱髓鞘和反应性星形胶质细胞增生并形成疤痕^[7,8]急性期以少突胶质细胞死亡和脱髓鞘、反应性星形胶质细胞增殖、轴突肿胀和急性炎症细胞浸润为特征^[9,10]慢性期的特征是炎症细胞的慢性浸润，部分神经元再生和髓鞘化，以及胶质瘢痕的形成^[10,11]有害因素和通路的上调导致了进行性发病机制，导致半胱氨酸蛋白酶（钙蛋白酶和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶）激活，导致神经元和胶质细胞死亡，并导致急性和慢性创伤性脊髓损伤患者的神经功能（运动和感觉）下降^[12,13]目前的研究主要集中在创伤性脊髓损伤，以了解其发病机制并制定有效的新治疗策略。开发创伤性脊髓损伤新疗法的主要目标是最大限度地减少神经细胞损失，防止神经胶质瘢痕形成，以促进髓鞘再生和功能恢复^[8,14].

骨形态发生蛋白（BMP）是一组约15种生长调节多功能细胞因子，属于转化生长因子β（TGFβ）超家族，广泛表达于完整和受损的脊髓中^[15,16]信号激活和转导包括BMP细胞因子与BMP受体1（BMPR1A、BMPR1B或ActR-1A）和BMP受体2复合体的结合，然后磷酸化和激活Smad1/5/8细胞内受体调节蛋白或R-Smads^[15,17,18]Smad1/5/8蛋白然后与普通Smad4或Co-Smad4结合形成复合物，该复合物转移到细胞核，以上下文相关的方式调节BMP靶基因的转录^[15,17,18]信号传导抑制通常通过激活Smad6、Smad7和noggin抑制蛋白并与其竞争结合来实现。Smad6和Smad7抑制BMP受体和R-Smad之间的相互作用和/或R-Smad和普通Smad4之间的相互影响^[19-21]Noggin抑制蛋白与BMP配体蛋白高亲和力结合，并阻止其与受体结合^[22][图1].

图1。BMP信号传导的分子成分和途径。BMP信号通过BMP配体与BMPR1和BMPR2的结合启动。在典型途径中，BMP受体磷酸化Smad1/5/8，Smad1/8/8可与Co-Smad4结合并转位到细胞核以调节靶基因的表达。在非规范途径中，BMP受体激活非Smad途径。BMP信号的终止通过noggin、Smad6和/或Smad7实现。BMP：骨形态发生蛋白；BMPR:BMP受体

来自SCI啮齿动物模型的越来越多的证据^[16,23]显示BMP配体和受体在完整的脊髓中表达，并在损伤后显著上调。这一点总结于表1此外，在体外研究^[24,25]广泛阐明了BMP成分在神经元和非神经元细胞的各种细胞事件中的保护和放松调节作用，总结如下表2大多数研究主要集中于BMP信号蛋白的表达水平和由此产生的细胞损伤，仅描述了有关分子调控和下游靶点的有限知识。本文主要关注不同BMP配体和受体在神经和胶质细胞分化、神经炎症、细胞死亡和自噬中的作用体内和在体外外伤性脊髓损伤模型，总结如下图2接下来，我们将讨论这一领域的知识差距，并提出未来的研究建议，以进一步了解BMP信号在创伤性SCI发病机制中的作用，这在很大程度上仍然难以捉摸。

图2。脊髓损伤中BMP信号的细胞表现。此图说明了在体外和体内BMP信号的激活或抑制对SCI中神经元和/或胶质细胞增殖、分化、存活、凋亡、自噬和炎症的影响。BMP：骨形态发生蛋白；SCI：脊髓损伤；BAMBI：BMP和激活素膜结合抑制剂；OPCs：少突胶质细胞前体细胞

脊髓损伤前后BMP配体、受体、Smad和非Smad信号的表达及其与脊髓损伤后功能恢复的关系

对SCI鼠模型的研究表明，BMP配体和受体在完整的脊髓中表达，并且在SCI后其表达进一步增加。BMP2、3、4、5、7、9、12和13以及BMP受体1A、1B和2在未受损脊髓中的表达最低^[16,23,26]然而，脊髓损伤后，BMP配体及其受体在脊髓神经元和胶质细胞中的表达显著增加，并发挥不同的细胞效应^[23,27]BMP2、4和7表达水平的增加是SCI后研究最多的BMP配体之一。SCI使配体、下游典型通路和非典型通路的表达水平显著增加。陈等。^[28]研究BMP4和其他对小鼠脊髓损伤神经元发育至关重要的信号分子的表达。这项研究发现，SCI后，SCI病灶周围灰质、白质神经元和室管膜细胞（一种神经胶质细胞，已知可产生脑脊液并作为神经变性的贮存器）中BMP4上调^[28]Setoguchi公司等。^[27]大鼠急性脊髓损伤模型BMP7表达的研究^[27]本研究发现，BMP7在损伤前在胶质细胞中表达水平较低，但在脊髓损伤后，其在胶质细胞和运动神经元中的表达显著增加^[27][表1].

崔等。^[29]对SCI大鼠模型中BMP2和4的表达变化进行了研究。这项研究发现SCI后BMP2和4的表达增加，与对照组相比，这与Basso、Beattie和Bresnahan（BBB）运动评估分数低相关^[29]此外，他们发现，与半横断脊髓损伤后的未治疗组相比，使用诺金治疗抑制BMP信号传导能够改善血脑屏障评分^[29].松浦等。^[23]研究大鼠脊髓损伤后BMP2、4和BMP受体2表达的变化，以及noggin治疗对脊髓损伤后恢复的影响。他们发现BMP2和4以及BMP受体2在完整的脊髓中轻微表达，SCI后表达水平进一步增加。此外，与未经治疗的SCI组相比，noggin治疗能够改善SCI后的机车功能^[23]此外，使用内源性BMP成分或重组BMP蛋白的几种治疗方法通过调节BMP信号，产生神经保护作用并改善机车功能^[30-32].金等。^[30]比较胍丁胺（一种具有神经保护作用的内源性蛋白）对小鼠脊髓损伤后瘢痕形成和功能恢复的影响。这项研究发现胍丁胺通过增加BMP7的表达，在一定程度上减少了瘢痕大小并改善了BBB评分^[30].停车等。^[31]结果表明，在SCI小鼠模型中腹腔注射胍丁胺与神经元和少突胶质细胞中BMP2和7的表达增加有关，而损伤部位周围星形胶质细胞和少突细胞中BMP4的表达减少。该治疗改善了机车功能，抑制了神经元死亡，减少了疤痕大小^[31]类似地，德米特里夫等。^[32]研究了rhBMP2对大鼠脊髓损伤后脊髓细胞内p-Smad1、5和8表达的影响。研究发现，所有神经元细胞、胶质细胞和成纤维细胞中的p-Smad1、5和8均显著激活，这可能会影响rhBMP2治疗后脊髓损伤的恢复[表3].

BMP信号在脊髓损伤后胶质细胞分化中的作用

星形胶质细胞、少突胶质细胞、室管膜细胞和小胶质细胞是维持脊髓完整性、内环境稳定和髓鞘形成的非神经元异质性细胞类型^[33]SCI引起星形胶质细胞分化显著增加，导致SCI组织中胶质瘢痕的形成^[34]一方面，胶质瘢痕提供了保护机制来限制SCI后病变的大小；另一方面，它通过抑制轴突再生而导致有害影响^[34,35]最近的研究表明，BMP信号促进神经干细胞（NSC）和少突胶质前体细胞（OPC）分化为星形胶质细胞^[36-38].王等。^[36]研究反应性星形胶质细胞所创造的微环境对大鼠脊髓损伤后OPC分化的影响。他们发现SCI增加了从损伤部位分离的星形胶质细胞中BMP4的表达，并在其调节介质中进一步释放BMP4。他们还发现在体外在星形胶质细胞衍生的调节介质中培养OPC激活Smad1、5和8，导致大量OPC分化为星形胶质细胞，同时抑制少突胶质细胞的分化^[36].

相比之下，noggin治疗降低了星形细胞分化，增加了少突胶质细胞分化^[36]同样，肖等。^[37]进行了一项研究，以测试BMP信号对小鼠SCI后NSCs分化的影响。本研究发现BMP2、4和7在完整的脊髓中表达，SCI后其在以下细胞类型中的表达进一步增加：神经元、NSC、小胶质细胞和少突胶质细胞，但在星形胶质细胞中没有表达^[37]他们还发现SCI后上述细胞类型、OPC和星形胶质细胞中磷酸化Smad1、5和8的表达增加^[37]此外，他们发现，BMP4在脊髓培养的中性粒细胞（神经干细胞的自由漂浮簇）中高度表达，并促进了神经干细胞向星形胶质细胞的分化，而使用noggin治疗抑制BMP信号降低了星形胶质细胞分化^[37]Setoguchi公司等。^[38]检测BMP对移植NPC分化的影响在体外小鼠SCI后。这项研究发现，BMP2在脊髓损伤前表达，在损伤后显著上调^[38]他们还发现BMP2和7促进NPC向星形胶质细胞的分化在体外而使用Smad6、Smad7或noggin过度表达的NPC抑制BMP信号传导，导致NPC分化为神经元细胞，并抑制NPC分化成星形胶质细胞^[38]类似地，将上述修饰的NPC移植到SCI小鼠模型中，可以通过抑制星形细胞分化和促进神经元和少突胶质细胞分化来改善运动评分体内^[38]总之，这些研究表明靶向BMP信号可能有助于改善星形胶质细胞瘢痕形成，并有助于增强少突胶质细胞分化以促进脊髓损伤后的再髓鞘形成。

此外，北方等。^[39]结果表明，室管膜干细胞中β1整合素的条件性缺失导致其向星形胶质细胞的分化增加，这可能会促进SCI后胶质瘢痕的形成，并降低SCI小鼠的BBB运动评分，发现这与典型（Smad1/5/8）和非典型（p38）信号的增加有关。此外，Song等。^[25]研究发现，BMP4治疗培养的NSCs通过激活Smad1/5/8促进星形细胞分化，而诺金治疗导致星形细胞分化减少和少突胶质细胞分化增加在体外相反，恩兹曼等。^[16]结果表明，noggin过度表达的NSC或祖细胞的鼠间移植无法限制SCI后大鼠的星形细胞分化，提示其他调控机制是控制星形细胞分化。

研究还表明，SCI后BMP受体的表达增加，尤其影响星形细胞肥大（星形细胞生长大于其正常大小以适应变化）和分化。创伤性脊髓损伤后，星形胶质细胞发挥生理和病理双重作用，导致星形胶质细胞最初肥大，随后出现星形胶质细胞增生。在星形细胞肥大中，星形细胞与更大的小体、更厚的突起以及中间丝蛋白（如胶质纤维酸性蛋白和波形蛋白）的过度表达反应，以帮助修复血脑屏障并减少脊髓损伤部位炎性细胞的扩散。另一方面，在星形细胞增生中，星形细胞在损伤部位周围的数量增加，并产生更精细的突起，促进胶质瘢痕的形成，而胶质瘢痕是脊髓损伤后轴突再生的障碍。小鼠星形细胞BMPR1A的条件性缺失通过损害星形细胞肥大、降低轴突密度和促进炎症，对SCI后的恢复产生不利影响^[26]相反，星形胶质细胞BMPR1B的条件性缺失通过增加脊髓损伤后小鼠中肥大星形胶质细胞的数量、减轻胶质瘢痕和缩小病变大小而具有更有益的作用^[26]此外，BMPR1A、1B和2在移植到大鼠脊髓的OPC中的表达主要促进了OPC向星形胶质细胞的分化^[40]类似地，在有或无BMP2/4和noggin的情况下培养OPC表明，BMP处理增加了OPC向星形胶质细胞的分化，而noggin处理则增强了OPC的分化^[40].

BMP信号在脊髓损伤后轴突生长和胶质细胞增殖中的作用

反应性星形胶质细胞增生症（也称为星形胶质细胞增多症或星形细胞增多症）和神经元再生是对脊髓损伤后胶质细胞和神经元丢失的反应，以部分促进组织损伤的愈合并尝试神经元恢复^[10,41]最近的研究表明，BMP信号传导可导致SCI后星形细胞增殖和神经元生长^[23,37,42].帕里赫等。^[42]研究Smad1激活是否对SCI后小鼠轴突再生有有利影响。脊髓损伤后小鼠背部运动神经元中BMP4的过度表达是通过向其体内注射BMP4过表达的病毒载体实现的^[42]结果显示，脊髓损伤后背部神经元Smad1激活，这与促进轴突生长有关^[42]注射重组小鼠noggin可改善脊髓损伤后的运动功能和轴突再生^[23].肖等。^[37]发现SCI后，神经元、小胶质细胞、少突胶质细胞和神经干细胞中BMP2、4和7的表达水平均增加，这增强了星形胶质细胞的增殖，而noggin治疗减少了星形细胞的数量。

BMP信号在脊髓损伤后自噬中的作用

自噬或“自噬”是一种调节健康和疾病中组织稳态的中心分子机制^[43]自噬的特征是受损线粒体、错误折叠的蛋白质和其他细胞碎片的直接或间接溶酶体降解，以循环利用，维持对应激刺激的能量代谢^[43]大自噬是自噬的主要类型，包括自噬体形成、自噬小体与溶酶体融合和货物自溶小体降解的顺序事件^[44]自噬通量被定义为自噬的总动力学，因此它是货物滞留到自噬体、输送到溶酶体以及溶酶体酶降解的过程^[45]自噬通量通常在机械损伤（如轻度创伤性脊髓损伤）或代谢应激（如饥饿）时增加，但由于上游（自噬体形成）或下游步骤（自溶体形成）的自噬受到抑制，自噬流量减少^[46]最近的研究表明，中重度SCI后自噬流量受损，导致神经元细胞死亡，并对少突胶质细胞介导的神经元髓鞘形成和功能恢复产生不利影响^[47,48]另一方面，由于自噬体形成的激活和/或自噬通量的增强，激活自噬可以改善SCI啮齿类动物模型的神经恢复^[49-51]尽管自噬的调节在SCI的发病机制中起着至关重要的作用，但BMP信号在SCI后自噬调节中的作用尚不清楚。BMP和激活素膜结合抑制剂（BAMBI）是一种缺乏激酶活性并抑制TGFβ家族信号传导的假受体^[52]BAMBI在大鼠脊髓损伤后表达下调，而脊髓损伤后注射BAMBI表达载体可促进自噬并改善大鼠运动功能^[52]BAMBI过度表达导致Beclin-1和LC3B II激活，这两种蛋白质对诱导自噬和维持自噬通量至关重要；另一方面，它导致自噬抑制剂蛋白如Bim和p62的下调^[52]BMP配体和受体在SCI后自噬破坏中的作用尚不清楚；然而，通过调节BMP信号通路恢复自噬可能为SCI的治疗提供新的途径。

BMP信号在脊髓损伤后炎症反应中的作用

炎症在脊髓损伤的急性期和慢性期都会发生，并导致初始病变的扩大、邻近组织的破坏、神经元丢失、轴突脱髓鞘、纤维化或瘢痕形成^[53]SCI后不久，中性粒细胞大量浸润，24小时后，反应性小胶质细胞/巨噬细胞的浸润逐渐增加^[9]脊髓损伤后几周，CD45阳性细胞和CD68阳性反应性小胶质细胞/巨噬细胞的浸润增加，标志着脊髓损伤的慢性炎症阶段，并与机车功能受损有关^[11]最近的研究表明，BMP信号抑制在脊髓损伤后炎症反应中的作用是相互矛盾的。在SCI大鼠中移植表达noggin的神经干细胞导致巨噬细胞浸润显著增加^[16]相反，BAMBI在SCI大鼠模型中的过度表达导致神经炎症的抑制，其特征是白细胞介素（IL）-1β、IL-6、IL-10、TGFβ的表达水平降低，以及雷帕霉素的机制靶点^[54].

BMP信号在脊髓损伤后神经元和胶质细胞死亡中的作用

脊髓损伤后，神经元和少突胶质细胞极易受到细胞损伤和死亡的影响，导致轴突脱髓鞘和神经功能缺损^[7,55].体外和体内研究表明，BMP7对神经元和少突胶质细胞的存活具有有益作用^[24,56].德里韦罗·瓦卡里等。^[24]研究BMP7对脊髓损伤后神经元存活的保护机制在体外和体内.BMP7促进大鼠脊髓损伤后神经元存活并抑制谷氨酸诱导的神经元细胞死亡在体外^[24]同样，王等。^[56]测试BMP7对少突胶质细胞存活的影响在体外结果表明，BMP7治疗可防止肿瘤坏死因子α诱导的少突胶质细胞死亡。这些结果表明，BMP7在SCI模型中保护神经元和少突胶质细胞免受细胞死亡。另一方面，哈特最近进行的一项研究等。^[57]研究表明，BMP4通过激活脊髓损伤后caspase-3（凋亡的最终执行者）诱导神经元和少突胶质细胞凋亡，而使用BMP信号抑制剂的抑制作用减弱了caspase-3.的激活。这些结果表明不同BMP配体对脊髓损伤后神经元和胶质细胞存活的不同作用，这需要进一步研究。

结论和未来展望

BMP配体、受体和抑制剂在啮齿动物完整的脊髓中有不同的表达。SCI后BMP配体、受体、规范和非规范通路上调。一般来说，BMP信号增强会导致脊髓损伤动物模型中的不良细胞反应和功能恢复受损。另一方面，BMP信号的抑制可改善脊髓损伤后神经元细胞的存活、神经元的生长和功能恢复。尽管有报道称BMP在SCI中失调，但BMP信号在SCI中的细胞类型特异性作用仍知之甚少。关于BMP失调的分子机制、单个BMP配体和受体之间的直接因果关系以及SCI发病机制的进展、BMP信号在SCI急性期、亚急性期和慢性期发病机制中的时空效应，仍存在一些知识空白，以及BMP配体调节自噬、炎症、分化和凋亡的机制。进一步体内需要使用条件敲除啮齿动物模型进行研究，以了解不同BMP配体在SCI和神经恢复中的具体需求，参与SCI发病机制调节的配体-受体对，以及影响SCI后神经元存活的下游典型或非典型途径。