文摘
骨形成蛋白(bmp)构成最大的细分TGF -β家族的配体和明确参与调节干细胞的行为。适当的监管规范BMP信号是至关重要的发展和众多的人体器官系统的体内平衡,畸变的BMP通路或其监管越来越与多样化的人类疾病有关。在这次审查中,我们提供了一个wide-perspective增加或减少BMP信号的策略。我们简要概述当前fda批准的方法,突出新兴的下一代技术,假设未来的未来调查的方向。我们也详细如何激活其他通路可能间接调节BMP信号,特别强调了BMP和苯丙酸诺龙/ TGF -之间的关系β通路。
1。介绍
骨形成蛋白(bmp)构成最大的细分TGF -β配体的家庭。迄今为止,大约有三十个不同的人类蛋白质命名每个位置和另外一些人被指定为增长/分化因素(gdf)。然而,这些分子之间存在着重要的差异对通路力学和对细胞行为的影响。这种不精确的术语可能会导致混乱当讨论BMP配体及其在人类生理学或疾病中的作用。然而澄清会,通过关注下游通路激活每个配体而不是名称。研究细胞内效应器SMAD1/5/8开动(即“骨形态形成蛋白”活动。骨的autoinduction extraskeletal网站)最初被Urist [1,2]。蛋白质参与SMAD1/5/8的激活,然后,善意的组件的规范BMP信号级联。在此基础上,可以确定大约13骨的在人类BMP配体。善意的人类骨形成蛋白(bmp)(在括号中不太常见的替代名称)如下:BMP2 (BMP2A BDA2A)。BMP4 (BMP2B BMP2B1、MCOPS6 OFC11,和酶)。BMP5。BMP6 (VGR VGR1)。BMP7 (OP-1)。BMP8A。BMP8B (OP-2)。BMP9 (GDF2 HHT5)。BMP10。BMP15 (GDF9B ODG2, POF4)。GDF5 (BMP14、OS5 LAP4、BDA1C CDMP1, SYM1B,和SYNS2)。GDF6 (KFM BMP13, kf、KFS1 KFSL, SGM1, CDMP2, LCA17, MCOP4, SCDO4,和MCOPCB6)。GDF7 (BMP12)。这种狭隘的BMP信号定义,我们利用综述文章。
明确参与骨形成蛋白(bmp)调制的几种干细胞包括胚胎干细胞数量(的ESCs),诱导多能干细胞,肠道干细胞和间充质干细胞(了3- - - - - -6])。例如,在胚胎原始生殖细胞分化,BMP信号激活的转录网络和reexpression多能性标记Nanog和Sox2(7]。鼠标的ESCs还需要剂量依赖BMP途径激活维持多能性(7]。基因失活的研究证明Bmp7至关重要的维护肾元祖细胞及其缺乏促进过早逮捕nephrogenesis [8]。此外,完整切除BMP信号发送不活跃的毛囊(高频)干细胞过早扩散而BMP4的异位表达减少高频感应和导致脱发9]。这些发现支持BMP信号作为一个看门人在分化的干细胞防止执行项目;然而其他研究表明,我国也会引起相反的效果。这通常是与其他信号通路合作完成。例如,在人类的ESCs bmp与FGF2开音乐会mesendoderm分化成心脏,造血,胰腺,肝血统(10]。同样的研究表明,细胞从老鼠的ESCs进一步分化成造血中胚层细胞BMP合作推动下,TGF -β,和Wnt信号(10]。BMP途径激活是一个有效的激活骨软骨分化的间充质干细胞(11]。因此,根据问题的干细胞群,BMP信号可能特定于上下文的方式刺激分化或促进维持多能性。
这广泛的上下文相关的BMP信号在调制干细胞行为需要适当监管的BMP信号的开发和体内平衡许多人体器官系统(12]。BMP通路中的畸变或其监管越来越多样化的人类疾病(综述(13- - - - - -16])。伴随增加的临床意义,越来越多的需要开发有效的策略,调节BMP信号作为一种调节干细胞的数量。近年来取得了巨大的收益,但这些激动人心的进步往往发生在区域可能已被非专业人士写的。因此,在本文我们希望提供wide-perspective BMP信号的调制特别重视战略而不是特定的应用程序本身,尽管许多报道指出应用程序在主文本和补充表。我们简要概述当前fda批准的方法,突出新兴技术,假设未来的未来调查的方向。我们也详细如何激活其他通路可能间接调节BMP信号,特别强调了BMP和苯丙酸诺龙/ TGF -之间的关系β通路。
2。策略来激活BMP通路
在本节中,我们强调几个策略来激活BMP通路。这些不同的方法在图如图1。
2.1。自然和改造的配体
潜在的临床应用BMP通路被发现之前的几十年的识别BMP配体(1,2]。在这些原始报告,BMP活动解放从骨基质促进异位骨形成。几个成骨的蛋白质被克隆,表达为重组人类蛋白质,并演示了诱导骨形成(17),预示着潜在的临床适用性矫形手术,来实现在2001年重组人类(rh) BMP7 (OP-1 Stryker)收到了人道主义设备免税(HDE)从美国食品及药物管理局“作为替代自体顽固的长骨骨折不愈合,使用自体扯淡和替代治疗失败了”(FDA)。这是2002年之后当rhBMP2(注入骨移植物,美敦力公司)获得FDA医疗设备批准用于前椎体间融合术。FDA随后批准rhBMP2用于几个额外的脊柱融合的方法。rhBMP7收到第二个2004年HDE用于后外侧腰椎融合和rhBMP2收到额外的2004年FDA批准用于开放性胫骨骨折和颌骨的应用程序包括窦增大和局部牙槽嵴扩张在2007年(FDA)。几个正在进行或即将进行的临床试验评估的有效性rhBMP2和额外的整形/ rhBMP7牙科应用程序(https://clinicaltrials.gov/)。
重组bmp生产成本高的临床使用,这引发人们关注他们的成本效益18,19]。详细表1,这促使几组产生相对较短的仿生肽和/或优化BMP序列合成的大肠杆菌(20.- - - - - -40]。此外,大量研究表明基因转移的可行性方法生产的自然或工程BMP配体在活的有机体内(表S1-S7在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/7290686)。这些研究完成的几个特定细胞类型和/或监管BMP合成。一个非常有趣的想法提出包括摄入细菌表达的每个本地化生产的胃肠道(41),这可能是有利的治疗条件如炎症性肠病(表S7)。
高成本的一部分rhBMPs有关事实,大量的蛋白质所需的临床使用,导致多个组工程师版本,有更高的活动比自然形成的配位体(表1)。例如,BMP2不可理喻包含段从激活素已被证明对封存的拮抗剂‘诺金’(35,42- - - - - -47),导致更大的信号活动。Noggin-resistant版本的BMP7和GDF5轴承增强活动也被描述(48- - - - - -50]。其他的研究利用nonsignaling配体诱饵中和‘诺金’(51- - - - - -53)或加强受体复杂装配(54- - - - - -59]。此外,heterodimeric配体,如BMP2/6 BMP2/7, BMP4/7,设计优化受体:配位体的相互作用和每一个显示活动大于各自为(60- - - - - -70年]。我们所知,没有与这些第二代配体进行人类临床试验。可以想象结合最好的特性之一这些智能设计分子和/或生产方法优化成一个BMP通路激活适合特定的临床应用。
2.2。中和抗体和小分子的方法
BMP途径激活是由大量的可溶性拮抗剂(71年]。因为这些蛋白质在细胞外空间,他们有吸引力的目标策略旨在阻止与每个位置的交互。研究已经证明了这种方法的可行性使用中和抗体的大脑或上下文的小鬼肺动脉高血压(多环芳烃)和脊髓损伤(72年- - - - - -74年]。此外,据报道肽CK2.3干扰抑制酪蛋白激酶2之间的交互和BMP BMPR1A 1型受体(75年]。同样,一个在网上屏幕已经确定了一些化合物,可以绑定到‘诺金’破坏其与BMP配体(76年)和领导候选人从屏幕上出现了小分子可能抑制E3泛素连接酶SMURF1通过阻止其与BMP效应器SMAD1/5交互并降解[77年- - - - - -79年]。我们不知道这些抗体的临床试验或小分子增加BMP信号在活的有机体内目前。fda批准的免疫抑制剂他克莫司(阿斯特拉制药),它也被称为吸收FK506,激活BMP信号通过抑制FKBP12和被测试在一个临床试验治疗多环芳烃(NCT01647945)。
2.3。监管的表达和/或增效活动
增强骨形态发生蛋白的表达途径组件可以作为一种手段增加信号。许多刺激已报告BMP配体和受体的表达水平增加(表S8)。值得注意的是,几种临床相关的物理刺激,如脉冲电磁场,超声波,和机械加载,可以在多个层次上积极调节BMP途径[80年- - - - - -89年]。此外,几个fda批准的药物已被证明规范的表达BMP和/或加强BMP信号通路组件。例如,他汀类药物洛伐他汀和辛伐他汀增加BMP2表达式,在几个细胞类型和信号在活的有机体内(90年- - - - - -95年]。BMP2表达和信号也增加了Rho-kinase抑制剂fasudil [96年,97年]。Pan-phosphodiesterase抑制与rolipram pentoxifylline或选择性抑制或西地那非报告来加强BMP信号(98年- - - - - -104年]。
近年来带来了相当大的关注,小分子核糖核酸(microrna)扮演的角色在基因表达,和几个microrna与消极调节组件(表BMP的表达途径2和部分3)。这将打开门,然后,一个RNA干扰策略称为“anti-miR”或“antagomiR”microrna的目标,从而减轻翻译镇压。到目前为止,一些研究已经证明了anti-miRs增强BMP途径活性的可行性在体外和在动物模型(表2)。这项技术可能是有用的作为一种手段,提高表达BMP通路成员,特别是在情况异常microrna的表达参与了疾病的发病机理(105年]。
3所示。策略来抑制骨形态发生蛋白通路
在本节中,我们将强调一些策略来抑制骨形态发生蛋白通路。这些不同的方法在图如图1。
3.1。自然和工程拮抗剂和小分子抑制剂
BMP的配体存在于细胞外环境使他们容易受到封存上游靶细胞上的受体结合,细胞外拮抗剂的大脑,小鬼,Chordin可能以这种方式被用来调节BMP信号(71年]。大量研究利用这种关系管理重组BMP拮抗剂或交付通过基因转移(表S2、S4, S6-S8)。一旦交付,这些对手通常隔离多个BMP亚型,这取决于特定的应用程序,可能是有利的。另一种方法来提高BMP: BMP将采用可溶性诱饵受体拮抗剂交互组成只有个别受体的配体结合域,因此,根据特定的关联性(表与配体相互作用3)。一个例子可以观察到这种特异性与可溶性ALK1 (ALK1-ECD, Dalantercept, Acceleron制药公司),目前在临床试验中作为癌症治疗(NCT01458392,NCT01642082,NCT01720173,NCT01727336,NCT02024087);ALK1-ECD优先扣押BMP9,而且BMP10 [106年- - - - - -111年]。更大的特异性配体隔离也可以通过使用中和抗体针对个人BMP配体(表3)。然而,调查人员应该意识到高度的同源性之间存在一定的骨形态发生蛋白配体,如BMP2和BMP4 92%相同,这可能使其挑战性专门中和他人存在时只有一个同种型。还可以,一个特定的骨形态发生蛋白配体可以通过交互与prodomain(灭活112年)或通过定制的DNA寡核苷酸适配子(113年]。
骨形态发生蛋白受体丝氨酸/苏氨酸激酶,使他们有吸引力的目标块的小分子激酶口袋,抑制他们的活动。相当大的注意力一直集中在1型受体(ALK1/2/3/6)和第一个激酶抑制剂报道Dorsomorphin [114年]。虽然重要的脱靶效应现在指出Dorsomorphin(表4),这个分子是一个关键的发展领域,并担任指导后代类似物的特异性(表4)。一些1型受体选择性报道中每一种化合物,可以想见,在不久的将来,一名调查员可以选择最适当的小分子对于一个给定的应用程序。例如,激活突变在ALK2导致fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP)和儿童内在弥漫性神经胶质瘤(PIDG) [115年- - - - - -119年]。四个候选分子,ldn - 212854, ldn - 214117 ml - 347和1星,最近被描述为有显著增强选择性ALK2 (ALK1密切相关)的1型受体(120年- - - - - -123年];我们没有意识到的数据直接比较在活的有机体内这四个分子针锋相对的效果。同样,Tsugawa等人得出的结论是,差1型受体的目标是发现ldn - 193189, DMH2, VU5350有效促进肝脏再生在啮齿动物模型1星不是[120年]。
应该注意的是,这些小分子也目标2型受体BMPR2, ACVR2A和ACVR2B(表4),这可能是有利的在一些实验设计,但可以在其他领域的问题。鉴于ACVR2A和ACVR2B也利用苯丙酸诺龙和Activin-like配体如肌肉生长抑制素,一个还必须记住Dorsomorphin和ldn - 193189能有效阻止SMAD2/3激活这些配体(124年]。
3.2。监管的表达
就像前面提到的2,几个microrna负调控的表达BMP通路组件(表2)。特别是,翻译的BMP效应SMAD1由至少有四个不同的microrna压抑。一些microrna, mir - 155等目标SMAD1和SMAD5。这引发了某些microrna的序列的基因转移可能单独或组合可能是有用的作为一个手段损害效应器的规范化BMP的回应。证明这种方法的原理是在几项研究中发现,利用病毒转导或裸DNA交付microrna影响BMP信号(表2)。同样,击倒的BMP的减少信号通路组件在活的有机体内已经通过基因转移在多个场景和通过各种方法(表S2、S4, S6)。值得注意的是,一个新兴的基因治疗策略使用allele-specific RNA干扰(ASP-RNAi)选择性沉默一个蛋白质同种型,如持续活跃(ca)的突变(125年]。两个独立的组织应用ASP-RNAi BMP通路在体外打倒致病caALK2表达式(126年,127年]。这种策略特别适合FOP因为相同的点突变是绝大多数的情况下,从而使一组验证siRNAs治疗大多数病人(128年]。ASP-RNAi可能适用于显性负致病突变,之类的BMPR2发现在某些遗传PAH患者和与早期的发病和严重的疾病比nonexpressed突变体(129年]。
相比刺激积极调节BMP途径,描述了相对较少的代理来减少表达和/或途径活性(表S9)。值得注意的是,fda批准的防心绞痛的药物perhexiline减少BMP信号在体外,减少在一个异位骨化试验(130年]。BMP抑制也观测到的视黄酸receptor-gamma受体激动剂和临床试验目前正在研究这种方法在减少患者异位骨化经典FOP (https://clinicaltrials.gov/)。
4所示。间接调制BMP途径活性通过激活其他途径
大量的文献描述了BMP通路当其他信号通路的影响是有针对性的。许多这些研究旨在增强BMP信号,特别是在骨科和牙科应用(表S1)尽管其他场景也被评估(表S2-S7)和几种方法可以改变细胞或组织微环境更宽松的BMP信号光。这方面的一个例子是协同作用观察当间歇甲状旁腺激素疗法结合BMP2或BMP7在骨愈合131年,132年]。
相对很少有人知道如何激活不同的途径可以对抗BMP信号的影响在活的有机体内。一个重要例外是广泛的上下文的苯丙酸诺龙/ TGFβ和BMP途径引起了截然相反的反应在同一细胞类型。早期的一些例子包括身体模式(133年),血管生成(134年),2型肺泡上皮细胞(细胞的命运135年),维护上皮细胞极性(136年),和骨骼肌质量监管137年,138年]。此外,TGF比例的失衡β总科越来越多的细胞因子与人类疾病有关,包括肺和肾脏纤维化(139年,140年)、青光眼(141年,142年),哮喘143年),肺动脉高血压[144年,145年]。这就提出了一个有趣的可能性:苯丙酸诺龙/ TGF的影响β通路抑制,例如,在骨骼肌质量或骨体积,可以在一定程度上是由于减少BMP拮抗作用途径。支持这个想法来自这样一个事实:增加BMP通路抑制TGF也产生了类似的效果β信号(例如,146年- - - - - -148年])。而苯丙酸诺龙/ TGFβ受体激酶抑制剂SB431542报道增加preosteoblasts BMP信号(149年)和BMP目标基因表达在软骨细胞(150年),大多数研究没有评估如何调制BMP通路改变苯丙酸诺龙/ TGF转导β通路,反之亦然,所以这种双向对抗影响开发的程度和疾病目前不是很清楚。说,一般来说,所有细胞类型检查日期有能力应对我国苯丙酸诺龙、TGFβ年代,这些分子往往同时存在于细胞外环境。因此,如何细胞BMP与苯丙酸诺龙/ TGF集成β信息和特定的决策是一个重要的未来的研究领域。
5。方法
研究有密切关系的这一主题被确定http://pubmed.com/通过结合以下搜索条件:对立;拮抗剂;骨形态发生蛋白;骨形态形成蛋白;基因治疗;抑制;抑制剂;核。文章被索引检索MEDLINE在1月6日,2016年。临床试验被确定https://clinicaltrials.gov/和https://www.clinicaltrialsregister.eu/在2016年1月21日。特定应用程序突出是代表而不是详尽的字段,没有背书的任何特定的应用程序的作者应该推断。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
补充材料
具体的报道BMP通路调制和相关应用程序提供的补充材料。特定应用程序突出是代表而不是详尽的字段,没有背书的任何特定的应用程序的作者应该推断。