[发明专利]用于诱导软骨形成的GDF‑5突变体

说明书

描述

本发明涉及GDF-5相关蛋白，其具有改善的诱导软骨形成的能力和降低的诱导骨形成的能力。该新型蛋白在治疗软骨缺损中是特别有用的，其中骨组织的形成是不希望的。

滑膜关节对于骨骼的生物力学功能是必不可少的。如在关节炎疾病中观察到的异常功能直接导致生活质量的严重降低。因此，关节生物学数年来一直集中在广泛的研究中，使我们理解关节解剖学和组织学以及关节软骨和其他成分在关节功能和维护中的生物力学性质和作用。

GDF-5(等人1994,Biochem.Biophys Res.Commun.204,646-652)是已显示在多种组织中促进细胞增殖、分化和/或组织形成的形态发生素。蛋白也称为形态发生蛋白MP52、骨形态发生蛋白-14(BMP-14)或软骨源性形态发生蛋白-1(CDMP-1)。GDF-5显示软骨形成活性并且先天GDF-5突变导致小鼠和人的手指或足趾(digit)、腕和踝关节缺陷(Storm等人,1994；Thomas等人,1997)。GDF-5的表达最显著地限制在关节将发育的区域，并且是关节形成的最早期的标志之一(Storm和Kingsley,1999)。需要BMP受体信号以对关节软骨进行出生后维护(Rountree,2004,PLoS Biol.2004November,2(11))。

GDF-5与GDF-6和GDF-7密切相关。这三种蛋白形成TGF-β超家族的独特亚组，从而显示相当的生物学特性和超高度的氨基酸序列一致性(参见Wolfman等人1997,J.Clin.Invest.100,321-330)。所有家族成员最初作为更大的前体蛋白合成，该前体蛋白随后在距离C末端约110-140个氨基酸的一组碱性残基处经历蛋白水解切割，从而将C末端成熟蛋白部分从N末端前结构域(prodomain)释放。成熟多肽在结构上相关并且含有包含六个或七个标准(canonical)半胱氨酸残基的保守的生物活性结构域，所述结构域导致这些蛋白的性质上三维的“胱氨酸结”模体。天然GDF-5相关蛋白是同型二聚体分子并主要通过与特异受体复合物的相互作用而起作用的，所述受体复合物由I型和II型丝氨酸/苏氨酸受体激酶组成。受体激酶随后活化Smad 蛋白，其随后将信号传播到细胞核中以调节靶基因表达。

已经反复地证明GDF-5/-6/-7亚组的成员首先是骨和软骨的重要的诱导物和调节物(Cheng等人.2003,J.Bone&Joint Surg.85A,1544-1552；Settle等人.2003,Developm.Biol.254,116-130)。GDF-5和相关蛋白结合到两种类型的膜结合丝氨酸-苏氨酸激酶受体(称为I型和II型)并使其寡聚化。在配体结合时，这些复合物通过磷酸化转录因子的SMAD家族的成员来转导信号，所述转录因子的SMAD家族的成员在活化时进入细胞核并调节应答基因的转录(Massague,1996)。最近的实验在骨型、BMPR-IA和BMPR-IB中涉及两种不同的I型受体。两种受体在正常的发育过程中均以动态模式表达。在数种肢体结构中，例如，在关节间带和软骨膜中，观察到BMPR-IA和BMPR-IB的重叠表达(Mishina等人,1995；Zou等人,1997；Baur等人,2000)。对于BMPR-IA和BMPR-IB表达模式，GDF-5信号转导应通过与BMPR-IA和BMPR-IB两者的相互作用来实现(Chang等人,1994；Zou等人,1997)。在bmpr-1b基因中的无效突变产生在骨和关节形成中有缺陷的存活小鼠，所述缺陷非常接近在缺失GDF-5的小鼠中见到的那些(Storm和Kingsley,1996；Yi等人,2000)，而已知bmpr-la/小鼠在胚胎形成的早期死亡(Mishina等人,1995)。然而，在GDF-5-Cre驱动子控制下的BMPR-IA的条件敲除避开了胚胎死亡并产生了具有正常形成的关节的存活小鼠。但是在出生后，关节内的关节软骨在与骨关节炎类似的过程中磨损，这指出了该受体在软骨稳态和修复中的重要性(Rountree等人,2004)。

GDF-5相关蛋白家族的野生型蛋白的活性通常导致软骨和骨的形成。然而，存在不同的医学病症，其中希望软骨形成，然而，不希望骨组织形成。例如，明显的是，在关节缺陷的情况下，希望软骨形成而应避免骨化。