萬 雯(綜述)，于燕妮(審校)

(貴陽醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室，貴陽550004)

地方性氟中毒(簡稱地氟病)是由于環(huán)境，包括水土和食物中氟元素含量過多，導(dǎo)致生活在該地區(qū)的人群長期攝入過量氟而引起的慢性全身性疾病。地氟病涉及人口眾多，幾乎遍及五大洲50多個國家和地區(qū)，尤其以亞洲、非洲的發(fā)展中國家為重［1］。我國是地氟病流行最為嚴(yán)重的國家之一，由于其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，部分病區(qū)人群仍處于高氟的危害中。地氟病導(dǎo)致骨再建過程紊亂形成氟骨癥，病理改變以骨轉(zhuǎn)換加速為其重要特征，表現(xiàn)為骨吸收與骨形成的動態(tài)平衡破壞。成骨細(xì)胞引起的骨形成與破骨細(xì)胞引起的骨吸收是維持骨完整的關(guān)鍵，在骨形成與重建中扮演著重要角色。過量氟可造成成骨與破骨活動均增強(qiáng)的骨轉(zhuǎn)換增高狀態(tài)［2-3］。隨著大量氟中毒實驗的進(jìn)行，越來越多的證據(jù)表明，Notch信號通路在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖、分化過程中有重要作用?，F(xiàn)就目前對Notch信號通路和骨代謝以及地氟病骨組織中Notch信號通路的研究進(jìn)行闡述。

1 Notch信號通路

Notch基因早在1917年由Wharton等［4］在果蠅中研究發(fā)現(xiàn)，隨后大量的研究證明Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路廣泛存在于脊椎和非脊椎動物中，是一條影響細(xì)胞命運(yùn)的、保守而重要的細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，幾乎涉及所有細(xì)胞的增殖、分化和凋亡及一系列生理、病理過程。

Notch信號通路由受體、配體和DNA結(jié)合蛋白三部分組成，果蠅中存在Notch受體和兩個配體(Delta、Serrate)，哺乳動物中有 4個同源受體和5個同源配體，其中同源受體是Notch1-4。所有的同源Notch受體都是Ⅰ型跨膜蛋白，均由胞內(nèi)區(qū)、跨膜區(qū)和胞外區(qū)組成。同源配體有兩類，與Delta高度相似的配體稱為Delta或Delta樣，有 Delta1、Delta3、Delta4與Serrate相似的稱為 Serrate或 Jagged，包括 Jagged1、Jagged2，同源配體也是Ⅰ型跨膜蛋白［5］。Notch信號途徑從無脊椎動物到脊椎動物都是高度保守的，其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需第二信使和蛋白激酶的參與，可直接接收鄰近細(xì)胞的信號并傳到細(xì)胞核，激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)［6］。配體與受體的結(jié)合觸發(fā)了發(fā)生在受體上的兩次蛋白水解事件，第1次裂解發(fā)生在胞外，被解聯(lián)蛋白與金屬蛋白酶家族的金屬蛋白酶催化，釋放部分胞外片段，剩下部分粘連在細(xì)胞膜上，稱為“Notch-intro TM”。第2次裂解由復(fù)合酶體γ-分泌酶催化發(fā)生，這次裂解釋放了Notch受體的胞內(nèi)區(qū)(Notch intracellular domain，NICD)，NICD 直接轉(zhuǎn)位到核內(nèi)，同DNA結(jié)合蛋白CSL和CSL的輔激活物協(xié)同激活因子一起開啟下游基因的轉(zhuǎn)錄［CSL是CBF1、Su(H)、Lag-1 首寫字母的縮寫，CBF1、Su(H)、Lag-1分別是這個蛋白在哺乳動物、果蠅、線蟲的不同名稱［7］］。

Notch的胞內(nèi)區(qū)不存在時，CSL是一個轉(zhuǎn)錄抑制因子，當(dāng)Notch信號激活后，NICD進(jìn)入胞核與CSL蛋白結(jié)合，將原來的“協(xié)同抑制復(fù)合物”轉(zhuǎn)換為“協(xié)同活化復(fù)合物”。在經(jīng)典的Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，被轉(zhuǎn)錄的基因有 HES(hairy enhancer of Split)1、HES5、HES6、HES7、HEY(HES-related with YRPF motif)1、HEY2 及HEYL，其中HES1和HES5在Notch信號通路中發(fā)揮重要作用。除了CSL依賴型的經(jīng)典途徑外，Notch信號通路還存在不需CSL調(diào)控的非經(jīng)典途徑或通過與其他信號途徑發(fā)揮作用，但具體機(jī)制尚不清楚［8］。

2 Notch經(jīng)典通路與成骨

以往對Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究主要集中在免疫和腫瘤方面，近來有許多證據(jù)表明Notch信號參與了成骨細(xì)胞的分化和骨形成，并可能對成骨細(xì)胞的分化和骨質(zhì)形成有抑制作用。Baron等［9］檢測Kusa-A1(屬于成骨前體細(xì)胞)成骨分化過程中Notch相關(guān)基因 Delta1、Jagged1、CBF1、HES1的表達(dá)及變化，發(fā)現(xiàn)4種分子在Kusa-A1細(xì)胞均有表達(dá)，說明Notch信號參與成骨細(xì)胞分化。Wang等［10］實驗表明，Notch的主要核調(diào)節(jié)者——主要在成骨細(xì)胞中表達(dá)的Rbpj(即CSL)參與成骨過程，并可能在成骨細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用。Rbpj的過度表達(dá)促進(jìn)了鼠Kusa-A1細(xì)胞的成骨分化。瞬時轉(zhuǎn)染Rbpj表達(dá)載體至Kusa-A1細(xì)胞，上調(diào)成骨細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子和作用元件的活性。在建立穩(wěn)定過表達(dá)Rbpj的Kusa-A1(Kusa-A1/Rbpj)細(xì)胞株中檢測到增強(qiáng)的成骨潛力，包括高堿性磷酸酶活性，快速的鈣沉積以及增加的鈣化結(jié)節(jié)形成。與Kusa-A1細(xì)胞相比，轉(zhuǎn)染的Kusa-A1/Rbpj細(xì)胞礦化程度提高。另外，Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并不是通過影響成熟成骨細(xì)胞的功能來發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，而是通過調(diào)節(jié)其前體的分化來發(fā)揮作用的。Engin 等［11］和 Zanotti等［12］將 NICD 的表達(dá)分別置于2.3 kb和3.6 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下的轉(zhuǎn)基因小鼠時，出現(xiàn)了不同的表型，前者抑制了成骨細(xì)胞分化的終末階段致使形成了較多未成熟或功能紊亂的成骨細(xì)胞，導(dǎo)致骨量增加及生長遲緩，而后者則在成骨細(xì)胞分化的早期發(fā)揮抑制作用，從而致使成熟成骨細(xì)胞的數(shù)量減少，導(dǎo)致骨量下降。除了體外研究，許多體內(nèi)研究報道亦有利于Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的認(rèn)識。Hilton等［13］運(yùn)用條件等位基因從基因水平上去除骨骼發(fā)育過程中Notch信號系統(tǒng)的組成部分，發(fā)現(xiàn)Notch信號通路的受阻顯著增加了未成年小鼠體內(nèi)骨小梁的骨量。然而，在高骨量小鼠的骨髓中間充質(zhì)祖細(xì)胞幾乎消耗殆盡，隨著年齡的增長，這些小鼠會出現(xiàn)嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松。此外，Notch似乎是通過HES或HEY蛋白與成骨分化特異性轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用，降低Runx2的轉(zhuǎn)錄活性而抑制成骨細(xì)胞分化的，表明骨髓中的Notch信號通路通過降低成骨細(xì)胞的分化起到了維持間充質(zhì)祖細(xì)胞池的作用。另外，Tao等［14］研究發(fā)現(xiàn)，激活成骨細(xì)胞的Notch信號促進(jìn)細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞分化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠出現(xiàn)骨質(zhì)硬化表型。隨后預(yù)先條件性地激活Notch1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，在體內(nèi)向成骨細(xì)胞的特異性表達(dá)使其出現(xiàn)同樣的表型，再選擇性刪除一個Notch核受體——成骨細(xì)胞中的Rbpj，發(fā)現(xiàn)骨硬化和生長發(fā)育遲緩的表型完全受到抑制。同時，從獲救小鼠的細(xì)胞和分子分析證實成骨細(xì)胞中NICD依賴的分子轉(zhuǎn)化完全被Rbpj去除途徑所逆轉(zhuǎn)?？梢?，成骨取決于成骨細(xì)胞Notch信號的激活本質(zhì)上是經(jīng)典的，因為它完全依賴于Rbpj信號，標(biāo)志著Rbpj作為一個特異的目標(biāo)在Notch失調(diào)的成骨細(xì)胞自主經(jīng)典的骨疾病中操縱著Notch信號通路。

3 Notch經(jīng)典通路與氟中毒

氟是人體必須的微量元素之一，其化學(xué)性質(zhì)活潑，能直接與多種元素化合，并以各種形式分布于水、土壤、空氣和動植物體中，對人類的健康有著直接的影響。然而，氟的安全范圍很窄，缺氟或攝氟過量均會引起機(jī)體代謝發(fā)生紊亂從而引起地氟病。我國地氟病病區(qū)范圍廣、病情重、受威脅人口多，目，全國地氟病病區(qū)人口已達(dá)1.1億，其中氟斑牙患者2102萬人，氟骨癥患者136萬人，受威脅人口8395.6萬多人，而尚無有效的預(yù)防控制和治療措施，進(jìn)一步研究氟病的發(fā)生機(jī)制、發(fā)展規(guī)律顯得尤為重要［15］。

氟中毒對機(jī)體的損傷多樣，主要表現(xiàn)為氟斑牙和氟骨癥，而氟骨癥的一系列(如骨硬化、骨質(zhì)疏松、骨變形和骨折等)骨骼病變伴發(fā)的氟性關(guān)節(jié)病，引起關(guān)節(jié)疼痛、行走和運(yùn)動困難又是對人體最為嚴(yán)重的危害［16］。近年來，隨著大量動物實驗和體外細(xì)胞培養(yǎng)的進(jìn)行，已有充分依據(jù)證明成骨細(xì)胞功能活躍是一個發(fā)生較早并起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上的骨轉(zhuǎn)換加速是氟骨癥的特征性病變，是形成骨病變多樣性的病理基礎(chǔ)［1，17］。結(jié)合目前已知氟骨癥的發(fā)病機(jī)制可以看出，骨骼損傷的環(huán)節(jié)是氟中毒骨骼病變的關(guān)鍵，而Notch信號通路在成骨過程中的重要作用推測其在氟骨癥的研究中有著不可忽視的重要價值。然而，Notch信號的激活或抑制并非以該通路中單一上下游分子的線性作用進(jìn)行，還有很多其他信號途徑的成員或分子參與其中，從而形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。已有大量文獻(xiàn)報道了Notch與核因子κB的相互作用，這兩大信號途徑的聚焦點在NICD與核因子κB的表達(dá)水平，而在與Wnt通路的串話中，則既有一些直接的交叉，如Wnt蛋白可通過與一些亞型的Notch受體結(jié)合調(diào)控其下游，CBF1可促進(jìn)一些編碼Fz(Wnt信號通路的受體——卷曲蛋白)基因的表達(dá)，又有諸多間接的關(guān)聯(lián)，如兩個通路中的一些途徑都參與對共同基因的表達(dá)調(diào)節(jié)等［18-21］。以往研究p38通路、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路、核因子κB通路等信號通路與氟骨癥關(guān)系密切，但氟中毒對骨組織損傷的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制仍不清楚［22-24］。因此，結(jié)合氟中毒骨骼損傷的多種病理變化類型，深入研究Notch信號通路，并聯(lián)系各通路間的網(wǎng)絡(luò)信號調(diào)控非常必要。

4 結(jié)語

Notch信號通路在細(xì)胞增殖分化及凋亡中起著重要作用，是許多重要細(xì)胞信號通路的交匯點，研究已經(jīng)表明Notch信號通路參與了成骨細(xì)胞的分化和骨形成，與地方性氟中毒骨損害關(guān)系密切，深入探討該信號通路及其相關(guān)信號分子在氟中毒骨組織中的變化規(guī)律，對進(jìn)一步研究地方性氟中毒的發(fā)病機(jī)制及其預(yù)防、治療措施具有重要意義。

［1］李廣生，劉曉秋.慢性氟中毒的骨相損害［M］//李廣生.地方性氟中毒發(fā)病機(jī)制.北京:科學(xué)出版社，2004:20-31.

［2］范偉，張華，喻茂娟，等.燃煤型氟中毒對大鼠骨保護(hù)素及配體表達(dá)影響［J］.中國公共衛(wèi)生，2008，24(3):327-329.

［3］李廣生，井玲，徐輝.地方性氟中毒發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展［J］.中華病理學(xué)雜志，2005，34(10):632-634.

［4］Wharton KA，Johansen KM，Xu T，et al.Nucleotide sequence from the neurogenic locus notch implies a gene product that shares homology with proteins containing EGF-like repeats［J］.Cell，1985，43(3 Pt 2):567-581.

［5］Radtke F，F(xiàn)asnacht N，Macdonald HR.Notch signaling in the immune system［J］.Immunity，2010，32(1):14-27.

［6］Watanabe N，Tezuka Y，Matsuno K，et al.Suppression of differentiation and proliferation of early chondrogenic cells by Notch［J］.J Bone Miner Metab，2003，21(6):344-352.

［7］Struhl G，Adachi A.Requirements for presenilin-dependent cleavage of notch and other transmembrane proteins［J］.Mol Cell，2000，6(3):625-636.

［8］Peters WA 3rd，Liu PY，Barrett RJ 2nd，et al.Concurrent chemotherapy and pelvic radiation therapy compared with pelvic radiation therapy alone as adjuvant therapy after radical surgery in high-risk early-stage cancer of the cervix［J］.J Clin Oncol，2000，18(8):1606-1613.

［9］Baron M，Aslam H，F(xiàn)lasza M，et al.Multiple levels of Notch signal regulation(review)［J］.Mol Menbr Boil，2002，19(1):27-38.

［10］Wang S，Kawashima N，Sakamoto K，et al.Osteogenic differentiation of mouse mesenchymal progenitor cell，Kusa-A1 is promoted by mammalian transcriptional repressor Rbpj［J］.Biochem Biophys Res Commun，2010，400(1):39-45.

［11］Engin F，Yao Z，Yang T，et al.Dimorphic effects of Notch signaling in bone homeostasis［J］.Nat Med，2008，14(3):299-305.

［12］Zanotti S，Smerdel-Ramoya A，Stadmeyer L，et al.Notch inhibits osteoblast differentiation and causes osteopenia［J］.Endocrinology，2008，149(8):3890-3899.

［13］Hilton MJ，Tu X，Wu X，et al.Notch signaling maintains bone marrow mesenchymal progenitors by suppressing osteoblast differentiation［J］.Nat Med，2008，14(3):306-314.

［14］Tao J，Chen S，Yang T，et al.Osteosclerosis owing to Notch gain of function is solely Rbpj-dependent［J］.J Bone Miner Res，2010，25(10):2175-2183.

［15］中華人民共和國衛(wèi)生部.2008中國衛(wèi)生統(tǒng)計年鑒［M］.北京:中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2008:219-220.

［16］Whyte MP，Essmyer K，Gannon FH，et al.Skeletal fluorosis and instant tea［J］.Am J Med，2005，118(1):78-82.

［17］李廣生，井玲，徐輝.地方性氟中毒發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展［J］.中華病理學(xué)雜志，2005，34(10):632-634.

［18］謝蒼桑，林玲.Notch與NF-кB信號通路串話的研究進(jìn)展［J］.福建醫(yī)藥雜志，2009，31(6):89-91.

［19］Wesley CS.Notch and Wingless regulate expression of cuticle parreming genes［J］.Mol Cell Biol，1999，19(8):5743-5758.

［20］Zhou J，Cheng P，Youn JI，et al.Notch and wingless signaling cooperate in regulation of dendritic cell differentiation［J］.Immunity，2009，30(6):845-859.

［21］趙淵源，李春艷.Wnt與Notch信號通路的串話與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系［J］.國際病理科學(xué)與臨床雜志，2010，30(3):255-259.

［22］楊丹，于燕妮.P38絲裂素活化蛋白激酶在氟骨癥發(fā)病機(jī)制中的作用［J］.中國地方病學(xué)雜志，2010，29(6):115-118.

［23］朱海振，于燕妮，鄧超男，等.氟對大鼠骨組織3-磷酸肌醇激酶和蛋白激酶B1表達(dá)的影響［J］.中國地方病學(xué)雜志，2011，30(3):261-265.

［24］鄧超男，于燕妮，楊丹，等.氟對大鼠腎臟 NF-κB相關(guān)蛋白及mRNA 表達(dá)影響［J］.中國公共衛(wèi)生，2011，27(8):1021-1022.