骨代谢信号通路的研究进展

　　许多疾病与骨代谢关系密切，尤其是骨质疏松症，主要是骨吸收增加和/或骨形成减少，但涉及的机制较复杂。目前认为，骨代谢主要涉及骨形成及骨吸收两方面，受到多种因素的调控，其分子机制涉及遗传基因、转录控制、信号通路、核蛋白、细胞分裂、激素及旁分泌因子等多方面，而信号通路与骨代谢密切相关，在骨代谢的调控中起主要作用，但分子机制复杂，部分尚未清楚，故本文对骨代谢的信号通路相关研究予以综述。

　　一、BMP/Smads信号通路

　　在骨髓间充质干细胞(BMSCs)分化、增殖为成骨细胞的过程中，骨形态发生蛋白(BMP)信号转导途径起着中枢性作用。BMP是骨发育期成骨细胞生成的最初诱导者，它首先结合到Ⅱ型受体二聚体上，然后Ⅱ型受体磷酸化Ⅰ型受体的GS区，后者进一步磷酸化BMP特异的Smads-1,5和8，使BMP活化，Smads蛋白再进一步转位至细胞核内充当转录增强子,与相关转录因子核心结合蛋白(Cbfα1/Runx2)和Osterix 相互作用,从而影响成骨相关基因的转录，然后骨前体细胞进一步分化并启动成骨细胞特异性因子(如碱性磷酸酶、Ⅰ型胶原和骨钙蛋白)的表达，从而促进骨的形成。

　　在此过程中，核心结合因子cbfα1是脊椎动物成骨细胞分化的关键调节因子,其作为核蛋白与成骨细胞上的特异顺式作用元件结合，从而激活骨钙素的表达，并调节所有关键成骨细胞基因的表达，控制成骨细胞的成骨速率及进一步的成骨过程。Cbfα1在前脂肪细胞中过表达，还能诱导脂肪细胞向成骨细胞方向转变，形成矿化结节。一旦cbfαl基因缺失，将没有其它平行通路可取代cbfαl的作用。

　　而Osterix是一种含有锌指结构的成骨细胞特异性转录因子，其作为cbfαl/RunX2的下游基因发挥作用，使成骨前体细胞转化为成骨细胞,并负向调控Sox9和Sox5表达，阻止骨祖细胞向软骨细胞分化。Nakashima等认为，Osterix基因启动使成骨前体细胞转化为成骨细胞,发挥骨形成的功能,分泌骨钙素、骨唾液蛋白及骨连接蛋白等细胞外基质。此外，Zhang等还发现Osterix可通过两条路径负向调控β-catenin信号通路：一是促使Wnt抗体Dkk1表达，抑制成骨细胞增殖；二是抑制β-catenin1/TCF信号通路，从而抑制Wnt信号通路，减少成骨细胞增殖。

　　二、Wnt/β-catenin信号通路

　　Wnt蛋白是一类分泌性的富含半胱氨酸的糖基化蛋白，可在多种细胞中表达。正常功能状态下，大部分胞质内的β-catenin被束缚在由细胞膜向胞内伸出的E-钙粘着蛋白上，其余部分与大肠腺瘤样蛋白和轴素多聚蛋白复合物结合，有利于胞浆中糖原合成酶激酶(GSK-3β)磷酸化上述复合物结合的β-catenin，被磷酸化后的β-catenin易被泛素一蛋白酶体系统降解，从而保持胞质内游离β-catenin浓度处于相对较低的状态。

　　当Wnt通路活化时，Wnt蛋白与细胞表面特异性受体卷曲蛋白(Fz)结合，并进一步与辅助受体——低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(LRP5/ LRP6)结合形成功能性连接受体复合体，Fz可进一步作用于胞质蓬乱蛋白(Dvl)，使胞浆内的 Dvl高度磷酸化从而被激活，活化后的Dvl蛋白抑制了GSK-3β活性，继而拮抗GSK-3β对β-catenin的磷酸化、降解作用，使胞质内β-catenin含量积聚并移至核内，与一种具有双向调节功能的转录因子即T细胞因子(TCF/LEF)相互作用，T-Cell Factor被激活，从而介导canonical Wnt通路，调节下游靶基因的转录和表达。

　　Wnt/β-catenin信号通路在胚胎干细胞的发育分化、骨形成及胰岛素的分泌中均起着重要作用。Wnt信号通路的感受器LRP6常染色体错译变异，会减弱Wnt介导的转录，这和早期骨质疏松、冠心病及其它代谢综合征如高血压、糖尿病相关。而LRP5基因的不同突变类型可导致两种截然相反的表型：一种是功能丧失性突变，可以导致骨量减少；另一种是功能获得性突变，能够使骨量增高并降低骨折的风险，显示出LRP5在骨量积累过程中具有十分重要的作用。Wnt通路基因敲除和转基因鼠模型表明，经典Wnt通路能调节成骨细胞的分化、骨基质的形成及矿化等环节，并影响破骨细胞的发生及骨吸收。

　　Stavros等发现年龄依赖的疾病如骨代谢、脂代谢以及糖代谢疾病都源于一个共同的Wnts通路：β-catenin、T-Cell Factor、FOXO和 Oxidative Stress。其中氧化应激类似Wnt/β-catenin信号通路，影响到基本细胞的转化过程：包括干细胞的形成和分化，并与年龄相关，易发展年龄相关疾病。研究表明，Oxidative Stress是年龄相关骨丢失的主要因素，可导致成骨细胞数量和骨形成的下降。β-catenin作为FOXO的辅助因子，近来被用作防御Oxidative Stress的主要因子。

　　此外，Laudes研究发现，Wnt信号通路中几个Wnt家族成员可以在脂肪形成的早期阶段发生抑制作用，减少人类间充质干细胞分化成前脂肪细胞。相反，Wnt通路的内源性抑制物却会提高脂肪细胞的形成。从病理生理角度看，在Wnt通路体系中，基因的多态性已被证明和肥胖、2型糖尿病相关，某种Wnt分子参与了脂肪组织中的炎症反应。Jennifer等研究发现在Wnt蛋白的信号途径中，Wnt10b是骨形成中canonical WNT配合体表达物，对于BMSCs的活动是独特的。Wnt10b缺陷导致年龄相关的骨丢失及进行性的间充质干细胞减少，因此，在衰老与疾病相关环境中，研究WNT配合体和它们各自潜在的独特作用是非常重要的。

　　三、OPG/RANKL/RANK信号通路

　　核因子κB 受体活化因子配体(RANKL)与核因子κB受体活化因子(RANK) 结合对破骨细胞存活、分化和活化是非常关键的。RANK的激活导致下游信号通路NF-KB,P38kinase,C-Jun和N-terminal kinase JNK的激活。RANK通路是促进骨吸收的重要途径，可能成为主要的靶向抗骨吸收剂。

　　而在OPG/RANKL/RANK信号通路中，骨保护素(OPG)属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)超家族，主要由成骨细胞前体和间质细胞产生，具有抑制破骨细胞分化及吸收活性的一种分泌型糖蛋白，其作为诱饵受体与NF-KB受体活化因子配体RANKL发生竞争性结合，抑制RANKL与RANK的相互作用，从而封闭成骨细胞诱导的破骨细胞前体分化与融合，调控破骨细胞的分化、增殖与凋亡，并影响其生理功能。

　　OPG水平降低或者RANKL/OPG比值升高导致破骨细胞活性增加，促进破骨细胞的分化成熟。例如在风湿性关节炎中，骨损部位的局部RANKL/OPG比值升高，重组OPG可以完全抑制骨损部位破骨细胞的吸收活性。相反，在骨肉瘤中OPG水平很高而RANKL/OPG比值降低，破骨细胞的活性受到抑制，使得成骨细胞快速增殖。OPG在骨质疏松症、风湿性关节炎、Paget病以及恶性骨组织疾病如骨肉瘤、巨细胞瘤等的发病机制、预防和治疗中具有重要作用，研究表明骨质疏松性骨折与OPG基因多态性相关。

　　四、其他信号通路

　　1、低氧/低氧诱导因子(HIF)-la通路

　　低氧/低氧诱导因子HIF-la通路对成骨细胞与破骨细胞耦联作用及其发生机制日益受到关注。HIF-la是组织细胞在低氧状态下由激活基因编码的转录因子，在常氧条件下其氧感应元件HIF-1a上的氧依赖降解结构域(ODD)被活性脯氨酰羟化酶(PHD)羟化，然后结合VHL蛋白进入蛋白酶体被降解，而在低氧或缺氧环境中PHD活性消失或降低，导致HIF-1a聚积并转运至细胞与β亚基结合，激活HIF敏感的靶基因如VEGF而发挥作用。在骨发育、代谢、骨折愈合及肿瘤等过程中均存在不同程度的低氧环境，从而激活HIF信号通路，VEGF作为HIF-1a最直接的靶基因之一通过信号转导来调控血管生成和骨形成。Wan等还发现HIF-la通路可调控成骨细胞OPG/RANKL的表达而影响破骨细胞的分化功能，当低氧/HIF-la通路被激活时，成骨细胞可抑制破骨细胞的分化功能，当低氧/HIF-la通路被阻断时，则成骨细胞促进破骨细胞的分化功能。

　　2、PDGF、TGF-beta和FGF的信号通路

　　Ng等发现PDGF、TGF-beta和FGF的信号通路对于间充质干细胞的分化非常关键，阻止任何一条路径将减慢干细胞的生长，而激活这三条路径可大大提高其生长与分化。其中TGF-β对骨有主要调节作用，它主要是通过ALK-5、SMAD3、PKA和PI3K路径调节β-catenin信号通路及人类间充质干细胞的成骨细胞分化，通过ALK5、PKA和JNK 路径调节成骨细胞生成。研究表明TGF-β对BMSCs的作用与细胞分化阶段有关，它早期促进增殖，而晚期促进分化。且这种作用与TGF-B剂量有关，低浓度时主要促进增殖，并有轻微的诱导分化能力，而高浓度时则抑制增殖、促进分化，TGF-β不仅能抑制BMSCs向脂肪细胞分化，而且对糖皮质激素和成纤维细胞生长因子所诱导的BMSCs向脂肪细胞分化也有抑制作用。在FGF信号通路中，FGF和FGFR 可调节成软骨细胞活性，促进骨细胞增殖。

　　3、AKt2选择通路

　　Akt2调节RUNK2基因表达，成为骨形成分化的决定因子。该通路促使BMP-2介导的成骨细胞分化，而BMPS通过与骨形成转录因子DLX3、DLX5和RUNX2相互作用，同时与胰岛素样生长因子(IGF)结合，促使骨祖细胞向成骨细胞分化。

　　4、G蛋白信号通路

　　异源三聚体G蛋白亚基体α(Gsα)激活G蛋白耦合受体的下游CAMP依赖通路，其调节骨形成机制主要是提高Wnt信号通路，促使间充质干细胞分化为成骨细胞，同时抑制定型成骨细胞分化，使骨形成最佳质量和强度。

　　5、硫酸乙酰肝素和硫酸软骨素通路

　　硫酸乙酰肝素(HS)和硫酸软骨素(CS)蛋白多糖通过调节生长因子活性及形态发生梯度影响许多生化过程，包括干细胞移植、组织形态发生、创伤修复和新血管形成。实验表明用肝素酶及软骨素酶水解HS和CS链，破坏HS和 CS通路，可减少HS和CS的表达，从而增加成骨基因的表达，提高PSMAD1/5/8表达，增加BMP通路，活化LEF1，增加canonical Wnt信号通路。

　　6、黏着斑激酶及胞外信号调节激酶通路

　　黏着斑激酶(FAK)及胞外信号调节激酶(ERK)可诱导间充质干细胞形成骨表型。FAK是一种络氨酸激酶，其依赖中心粘附部位整合到胞外的基体而被活化，可组合几类复杂的信号分子，以启动下游信号通路包括：有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路，从而促进中胚层组织发育及干细胞分化。研究表明，MAPK通路可刺激成骨基因和功能的表达；持续激活ERK2，促成骨细胞分化；磷酸化Smad-1,激活P38，促Alp表达及成骨细胞活化；磷酸化及活化Runx2。

　　小  结

　　实际上骨代谢非常复杂，涉及到多种信号通路，并且各条通路间还会相互协调和影响。从目前已知的研究结果来看，BMP/Smads及Wnt通路影响着骨形成的一系列过程，包括BMSCs的形成、分化及增殖为成骨细胞；而OPG/RANKL/RANK通路则抑制RANK骨吸收通路，从而促进骨形成。虽然BMP/Smads和Wnt信号通路足以调节骨细胞生长与分化，但是在骨形成中BMP/Smads还与其它信号通路如AKt2选择通路或MAPK cascade 路径之间存在相互调节，Wnt信号通路也和PDGF、TGF-beta、FGF或G蛋白信号等通路之间存在相互调节作用。

　　展望未来，Wnt信号通路调节骨代谢是一个复杂的网络，仍需大量的研究来明确。未来关注的焦点可能是LRP5/6的结构、功能、活性的调节过程及其在成骨发育与重建中的作用。已经发现在Wnt通路中，存在胞外拮抗LRP5 /6的核内蛋白DKK家族，Kremem家族，sFRP以及硬化蛋白等，DKKl蛋白与细胞膜上的LRP5/6结合，再结合Kremen2，促使胞膜LRP6内陷，使其从Wnt受体复合物脱离，阻止经典Wnt信号下传，抑制了Wnt通路效应。此外，BMP或FGF通路等调节骨祖细胞向成骨细胞分化作用，这为骨代谢疾病提供了可能潜在的以细胞为基础的治疗新途径。