葉天宇 郝 琪 畢宏生 吳秋欣

近年來,全球近視患者發(fā)病率高速增長,已成為世界性的公共衛(wèi)生問題。有研究預測,到2050年,近視人口將達到4.758億,占世界人口的49.800%[1]。值得注意的是,我國兒童近視和高度近視的患病率明顯高于其他國家[2]。近視及其并發(fā)癥嚴重影響人們的學習、生活和視覺質量,同時高度近視可引起青光眼、白內障、視網膜脫離和黃斑病變等嚴重并發(fā)癥[3]。因此,近視發(fā)病機制的研究在近視防控中有重要作用。研究顯示,多種信號通路參與近視的發(fā)生和發(fā)展,如多巴胺信號通路[4]、轉化生長因子-β(TGF-β)Smad信號通路[5]、Shh信號通路[6]等。骨形成蛋白(BMP)是一種多功能生長因子,屬于TGF-β中的一種,在動物及人眼組織中廣泛表達。以往研究表明,BMP及其信號通路在近視調控中起重要作用[7]。因此,本文就BMP、BMP信號通路及其在近視發(fā)生發(fā)展中的作用進行綜述。

1 BMP及其信號通路

1.1 BMP結構特點及其分布

BMP是由骨母細胞產生的多肽生長因子,除BMP1外均屬于TGF-β超家族中的成員。成熟的BMP是由一個二硫鍵連接兩條多肽鏈形成的多肽二聚體分子,40.0%～50.0%的重要結構與TGF-β高度同源。BMP主要包括3個明顯不同的亞家族,包括BMP2和BMP4、BMP3和BMP3B以及BMP5～8[8],也有研究將軟骨源性形態(tài)發(fā)生蛋白劃歸為BMP[9]。BMP及其拮抗因子是生命活動過程中多方面的調節(jié)因子,它們在胚胎發(fā)育,細胞增殖、分化、凋亡,血管生成和細胞外基質成分的分泌等過程中均起重要作用[10-12]。

BMP及其受體廣泛存在于眼組織。有研究顯示,小鼠角膜上皮基底細胞以及角膜內皮中均表達BMP4、BMPR-IA、BMPR-IB和BMPR-II[13],有研究在人角膜緣處也發(fā)現(xiàn)了BMP4的表達[14]。在小鼠虹膜以及睫狀體中同樣測得較高表達水平的BMP4和BMPR-IB,晶狀體上皮細胞以及皮質纖維細胞也存在BMP4、BMPR-IA、BMPR-IB和BMPR-II的表達[13]。在視網膜和脈絡膜中,有研究分別檢測到C57BL/6小鼠視網膜和雛雞的脈絡膜存在BMP2、BMP4和BMP7的表達,同時,小鼠視網膜中還表達BMP5[15]。鞏膜作為近視相關基因組學的研究熱點部位是導致近視眼軸伸長的最終效應組織,鞏膜中BMP及其受體的表達具有特異性,人鞏膜組織有BMP2、BMP4、BMP5和BMP7 mRNA的表達,而未發(fā)現(xiàn)BMP3和BMP6的表達;在大鼠鞏膜中僅發(fā)現(xiàn)了BMP7;豚鼠鞏膜中發(fā)現(xiàn)了BMP2、BMP4和BMP5 mRNA的表達,但未發(fā)現(xiàn)BMP7,這與人類相似[7]。BMP受體(BMPR-IA、BMPR-IB、BMPR-II)在人和豚鼠鞏膜中均有表達,這表明BMP在正常鞏膜穩(wěn)態(tài)中起到一定的作用[16]。

1.2 BMP信號通路的作用

BMP屬于TGF-β家族,該蛋白家族有兩種類型(I型和II型)的絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶受體[17],BMP與細胞膜上的BMP受體結合形成復合體后激活多種細胞內信號通路,一方面可特異性地激活Smad依賴性信號通路,另一方面也可通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK),如細胞外信號調節(jié)激酶和TGF-β活化激酶1(TAK1)激活Smad非依賴性信號通路。

1.2.1 Smad依賴性途徑

Smad依賴性途徑是經典Smad信號通路。BMP信號轉導主要通過依賴Smad通路來調控下游的基因表達。在細胞外,BMP作為配體特異性地與細胞膜表面的BMPI型受體(BMPRI)和BMPII型受體(BMPRII)結合,BMPRII自身磷酸化后激活BMPRI,并將信號傳遞給細胞漿中的受體調節(jié)型Smad(R-Smads)。BMP/Smad信號通路中R-Smads為Smad1/5/8,Smad1/5/8在酪氨酸激酶的作用下羧基端磷酸化后與共同通路型Smad,即Smad4,結合形成復合體,該復合體移動至細胞核進一步激活或抑制細胞核內相關基因的表達,從而影響細胞的生長、分化以及細胞外基質的合成[18]。此外,許多研究發(fā)現(xiàn),BMP信號通路中存在一些共受體,比如排斥性導向分子家族(RGMs),RGMs-BMP復合體在網格蛋白介導的內吞作用下形成內體,在內體中,RGMs-BMP復合體發(fā)生解離,BMP與內體中高表達的I型受體結合,并促進Smad磷酸化和下游基因轉錄[19]。

經典Smad信號通路在眼球發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用,且與多種眼病的病理生理機制相關聯(lián),例如,在視網膜發(fā)育過程中,視網膜中間神經元的分化與BMP/Smad信號通路激活Id1基因表達相關,該過程受細胞核轉錄因子Zeb2的負向調節(jié),最終影響視網膜神經元與神經膠質細胞的比例[20];BMP/Smad信號通路能夠抑制TGF-β 2/Smad信號通路誘導的晶狀體上皮細胞上皮-間質轉化,后者被認為是外傷性白內障和后發(fā)性白內障的發(fā)病機制[21];在青光眼動物模型中,BMP4/Smad信號通路能夠抑制視網膜神經節(jié)細胞凋亡,并恢復一定的視神經功能[22]。

1.2.2 Smad非依賴性途徑

Smad非依賴性途徑是非經典Smad信號通路。有研究表明,BMP還可以通過非Smad信號通路進行信號轉導,即MAPK信號通路,包括細胞外信號調節(jié)激酶、c-Jun氨基端蛋白激酶、P38蛋白等[23]。BMP在細胞外與受體特異性結合后,通過細胞內三級激酶級聯(lián)的形式將信號傳遞到細胞核內。腫瘤壞死因子受體相關因子與TAK1結合蛋白、TAK1形成聚合物,并完成TAK1磷酸化。活化的TAK1經多步酶促反應最終激活MAPK,MAPK最終移動至細胞核與Smad復合體或其他輔因子結合,調控相關基因表達[23],參與細胞分化、組織纖維化等過程[24-25]。

2 BMP及其信號通路參與近視調節(jié)

2.1 BMP及其信號通路相關基因組學研究

人類基因分析證實,BMP2與近視有關[26-27]。Tideman 等[28]研究近視相關基因位點與眼軸、角膜曲率的關系發(fā)現(xiàn),BMP2基因與眼軸和角膜曲率相關。Liu等[29]研究發(fā)現(xiàn),BMP2K基因的變異與中國臺灣人群中的高度近視密切相關。Guo 等[30]研究發(fā)現(xiàn),SLC39A5在眼球發(fā)育中發(fā)揮重要作用,它在視網膜和鞏膜組織中表達較高,能夠使BMP信號通路的下游信號因子Smad1的表達下調,SLC39A5功能缺失性突變與非綜合征高度近視密切相關,提示BMP/Smad1信號通路可能參與此類高度近視的發(fā)生發(fā)展。

2.2 BMP及其信號通路在近視患眼視網膜-脈絡膜-鞏膜中的表達

2.2.1 BMP及其信號通路在視網膜中的表達

視網膜是視覺通路的重要組成成分,分為外側的色素上皮層和內側的神經上皮層,其中視網膜色素上皮層(RPE)作為視網膜與脈絡膜、鞏膜分子信號轉導的重要組織結構在近視發(fā)生發(fā)展中起重要作用,其能夠分泌多種神經遞質與信號因子參與眼軸伸長和鞏膜重塑[31]。

近視的發(fā)展是一個動態(tài)過程,與眼球的生長發(fā)育密切相關,主要以眼軸增長為特點,RPE中BMP的表達水平影響眼球徑的大小。Mai等[32]研究發(fā)現(xiàn),在小鼠RPE中,過表達的膽固醇調節(jié)元件結合蛋白2(SREBP2)能夠抑制BMP2與低密度脂蛋白受體相關蛋白2(LRP2)的轉錄,后者也可以作為上游分子激活BMP2,最終造成小鼠眼軸長度和眼球赤道直徑的增長,這表明RPE中表達的BMP2是影響眼球生長、調節(jié)近視的關鍵信號分子,在眼球的生長發(fā)育過程中作為負向調節(jié)因子抑制眼軸的伸長,與SREBP2等正向調節(jié)因子共同動態(tài)調節(jié)眼球的生長。

BMP在RPE中的表達受形覺剝奪性近視(FDM)和透鏡誘導性近視(LIM)的影響。在近視的發(fā)生發(fā)展過程中,RPE表達的BMP可能在視網膜-脈絡膜-鞏膜生長調節(jié)信號轉導機制中發(fā)揮關鍵作用。有實驗表明,形覺剝奪可下調RPE中BMP2、BMP4和BMP7的基因表達,同樣地,給實驗雞配戴負透鏡,可產生遠視離焦誘導眼軸伸長,RPE中BMP mRNA表達水平隨著戴鏡時間延長而下降[33]。Goto等[34]利用-10 D的硬性接觸鏡誘導豚鼠近視,單取其RPE作為樣本,結果發(fā)現(xiàn),近視豚鼠RPE中BMP2表達下調,因此,BMP2可能起到抑制近視的作用。此外,有研究表明,在RPE中,ARPE-19細胞分泌BMP2受視黃酸、多巴胺等信號分子的調控,最終導致鞏膜組織形態(tài)學的變化[35-36]。

因此,BMP在RPE中的表達水平受到視覺刺激的影響,BMP是參與眼軸伸長和近視發(fā)生發(fā)展的負向調節(jié)因子。

2.2.2 BMP及其信號通路在脈絡膜中的表達

脈絡膜在調節(jié)眼球發(fā)育和近視的發(fā)展中起著重要作用,與正視眼和遠視眼相比,近視患眼脈絡膜厚度顯著變薄,脈絡膜血流量顯著降低,視網膜和鞏膜為缺氧表現(xiàn)[37]。不同光學離焦刺激通過改變BMP表達水平來影響脈絡膜厚度,Zhang等[38]研究發(fā)現(xiàn),雛雞配戴+10 D透鏡后,RPE中BMP2、BMP4和BMP7表達水平升高,其中BMP2表達水平升高最明顯,并推測RPE分泌的BMP蛋白增加,可能促進了正透鏡誘導的脈絡膜增厚;反之,雛雞配戴-10 D透鏡或形覺遮蓋后,RPE中BMP2、BMP4和BMP7表達下降,脈絡膜變薄,并促進了眼軸的伸長;同樣地,Riddell 等[39]用正透鏡和負透鏡對雞進行近視和遠視誘導后發(fā)現(xiàn),后極部視網膜、脈絡膜中BMP2表達水平在不同離焦形式和誘導時長上存在差異;另外,把實驗動物近視屈光度、眼軸長度與代謝、免疫通路進行信息交叉研究發(fā)現(xiàn),氧化應激等生理過程與近視之間具有相關性,例如,BMP信號通路可以上調脈絡膜PTX3基因表達,而PTX3作為炎癥因子可使細胞外液體積聚,這可能是遠視誘導上調BMP2表達,最終表現(xiàn)為脈絡膜增厚的原因。綜上所述,BMP及其信號通路參與了近視的發(fā)展。

2.2.3 BMP及其信號通路在鞏膜中的表達

鞏膜組織由兩部分組成,極少部分的細胞成分和大部分的細胞外基質。近視患眼鞏膜的重塑多被認為是鞏膜細胞外基質的改變,膠原是鞏膜細胞外基質的主要成分,鞏膜組織中的膠原纖維主要由Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白和Ⅳ型膠原蛋白組成,而Ⅰ型膠原蛋白占比較大,位于眼球赤道部和后極部之間。研究表明,在近視鞏膜重塑中,膠原蛋白的表達均下降,以Ⅰ型膠原蛋白表達下調最為顯著[40]。

大多數(shù)脊椎動物的鞏膜內含有軟骨細胞層,而哺乳動物(包括人類)、蛇和晰蝎的鞏膜則只有纖維細胞層,但是人類鞏膜仍然保留軟骨層的特征[41]。人類鞏膜蛋白多糖合成率的年齡相關性變化也與關節(jié)軟骨的變化一致,因此,調節(jié)軟骨細胞生長的生長因子,如BMP等,可能也調控鞏膜的生長。在視覺發(fā)育過程中,鞏膜是一個動態(tài)變化的組織,它能夠隨外界視覺環(huán)境的變化而變化[42-43]。有研究認為,由局部視網膜信息調控的鞏膜細胞外基質主動重塑是近視發(fā)生發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié),即來自外界環(huán)境的視覺信息激活視網膜,啟動視網膜和脈絡膜信號轉導系統(tǒng),產生一系列調控信號,引起鞏膜膠原蛋白合成減少、降解增加,導致后極部鞏膜進行性變薄,在眼壓的作用下眼軸伸長,最終導致近視的發(fā)生[44-45]。

BMP2表達的改變與近視患眼鞏膜重塑有關[46]。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn),BMP2在眼軸變長的FDM豚鼠后鞏膜中表達降低。Li等[47]研究發(fā)現(xiàn),-4 D 透鏡誘導豚鼠近視3周后,后極部鞏膜BMP2表達下降,去除-4 D透鏡后1周BMP2表達恢復,與對照眼相比無差異。張玉等[48]對C57BL/6小鼠進行FDM誘導后發(fā)現(xiàn),BMP2表達明顯下調,且鞏膜的形態(tài)學特征發(fā)生了變化。以上研究顯示,BMP2在體外可能是通過Smad1通路作用于人鞏膜成纖維細胞,促進細胞增殖和分化,細胞形態(tài)發(fā)生變化,促進Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白、糖胺聚糖和蛋白聚糖的合成,從而促進鞏膜細胞外基質的合成。有研究表明,BMP2在體外可以使人鞏膜成纖維細胞基質金屬蛋白酶2(MMP2)表達水平降低,組織蛋白酶抑制因子2(TIMP2)表達水平升高,從而調節(jié)細胞外基質的生成[49]。以上研究表明,BMP2和BMP/Smad信號通路與近視發(fā)生過程中鞏膜重塑密切相關。

2.3 BMP與視網膜-脈絡膜-鞏膜信號系統(tǒng)中其他信號通路的關系

2.3.1 BMP與多巴胺信號通路

有研究表明,多巴胺代謝與近視調節(jié)以及眼球發(fā)育密切相關[50-51],左旋多巴為多巴胺的前體,可能是近視發(fā)展的終止信號。Landis等[52]研究發(fā)現(xiàn),給小鼠體內注射左旋多巴可以防止FDM模型小鼠眼向近視移位,同時,他們利用多巴胺由細胞內釋放到細胞外的過程依賴于囊泡單胺轉運蛋白2(VMAT2)介導的囊泡運輸這一特點,選取VMAT2基因編輯小鼠制作FDM模型,其中,VMAT2基因敲除小鼠無法表達VMAT2,導致合成的多巴胺無法釋放,結果顯示,VMAT2基因敲除小鼠與VMAT2基因過表達小鼠相比,VMAT2基因敲除小鼠FDM模型眼明顯向近視移位。Thomson等[53]對發(fā)育中的LIM模型雛雞給予左旋多巴玻璃體內注射或滴眼處理,與對照眼相比,左旋多巴顯著抑制眼軸伸長和近視屈光度的增加,聯(lián)合注射D1/D2樣多巴胺受體拮抗劑進一步發(fā)現(xiàn),左旋多巴通過D2樣受體機制抑制LIM發(fā)展。還有研究表明,BMP信號通路可能參與多巴胺調控近視的過程。Li等[35]通過體外培養(yǎng)RPE(ARPE-19)細胞發(fā)現(xiàn),多巴胺會上調RPE細胞BMP2的表達,揭示了多巴胺調節(jié)眼軸伸長的機制是通過視網膜中BMP2等生長因子將信息傳遞到鞏膜實現(xiàn)的。以上研究顯示,BMP還可能作為多巴胺信號通路的下游信號來調控近視。

2.3.2 BMP與視黃酸信號通路

視黃酸是維生素A活性形式視黃醇的代謝產物,不僅參與細胞增殖、分化、凋亡的調節(jié),也是視網膜-脈絡膜-鞏膜信號轉導系統(tǒng)中的重要一環(huán)。視黃酸由脈絡膜基質細胞合成,有研究表明,視黃酸的合成反應受視黃醇脫氫酶2的調控,合成的視黃酸最終轉運至鞏膜發(fā)揮作用,影響眼軸的伸長[54-55]。另外,Yu等[56]研究白光或短波藍光對LIM模型豚鼠近視發(fā)展的影響,結果顯示,白光下口服外源性視黃酸可以加快眼軸伸長速率,但同樣飼養(yǎng)條件下藍光處理的豚鼠視網膜中視黃酸表達水平降低,眼軸伸長速率下降,可知短波長的藍光可能是通過視黃酸信號通路來抑制近視的發(fā)生發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn),視黃酸信號通路也可以影響視網膜TGF-β和BMP信號因子的表達[36,57]。Gao等[36]體外培養(yǎng)ARPE-19細胞發(fā)現(xiàn),視黃酸可以與細胞上的視黃酸β受體結合,提高BMP2和MMP2的分泌水平進而影響鞏膜重塑。還有研究表明,視黃酸還可以通過磷脂酶C途徑刺激視網膜分泌TGF-β2,進而影響鞏膜膠原蛋白合成[57]。因此,不同視覺刺激可影響視黃酸信號通路的表達進而調控RPE分泌二級信號因子,如TGF-β和BMP,來控制鞏膜細胞外基質的分泌過程,調控眼軸的伸長。

3 結束語

BMP家族及其相關信號通路在眼球發(fā)育及近視發(fā)生發(fā)展中起重要作用,一方面,BMP/Smad信號通路通過參與近視視網膜-脈絡膜-鞏膜生長因子信號轉導直接影響RPE和脈絡膜的生長發(fā)育,進而調控鞏膜成纖維細胞合成膠原蛋白等細胞外基質成分。另一方面,BMP也可作為多巴胺信號通路、視黃酸信號通路等信號通路的下游信號調節(jié)鞏膜重塑。然而,許多視網膜-脈絡膜-鞏膜信號轉導系統(tǒng)中其他機制及信號通路,如HIF-1α介導的鞏膜缺氧、前列腺素信號通路、MMP2信號通路與BMP信號通路的相互作用關系尚不明確,因此,未來還需對BMP信號通路進行相關研究,為精準治療近視提供候選的靶點。