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Notch信號(hào)通路在骨代謝中的研究進(jìn)展

郭健民鄒軍1

(上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，上海200438)

關(guān)鍵詞〔〕骨代謝；骨細(xì)胞；notch信號(hào)通路

1上海體育學(xué)院發(fā)展規(guī)劃處

第一作者：郭健民(1990-)，男，碩士，主要從事運(yùn)動(dòng)與骨代謝的相關(guān)研究。

Notch基因是因1919年Mohr〔1〕發(fā)現(xiàn)該基因的功能缺失會(huì)導(dǎo)致果蠅翅緣缺角而命名。Notch信號(hào)通路在骨骼中的報(bào)道最早見于Conlon等〔2〕關(guān)于Notch1缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎體節(jié)發(fā)育異常的研究中。Notch是骨骼細(xì)胞活動(dòng)和骨骼發(fā)育的關(guān)鍵〔3〕，當(dāng)Notch功能發(fā)生異常或缺失時(shí)，會(huì)引起一系列的骨代謝異常和骨疾病。此外成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)在骨架模型中起著關(guān)鍵作用，這些細(xì)胞的耦合作用控制骨骼組織的重塑〔4〕。本文旨在綜合國(guó)內(nèi)外最新的關(guān)于Notch信號(hào)通路在骨代謝方面的研究，強(qiáng)調(diào)Notch信號(hào)的傳導(dǎo)在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞生理方面的作用，并討論Notch基因突變導(dǎo)致的骨疾病，為Notch信號(hào)通路未來的研究提供理論基礎(chǔ)。

1Notch信號(hào)通路的組成和激活

Notch信號(hào)通路是一個(gè)在進(jìn)化上高度保守的系統(tǒng)，是胚胎正常發(fā)育所必不可少的同時(shí)也參與調(diào)節(jié)人體組織的平衡。Notch信號(hào)通路由受體(Notch1、Notch2、Notch3、Notch4)和配體(GLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2)以及細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)分子(Hes1、Hes5)以及相關(guān)的酶組成〔5〕。

Notch的配體和受體以單次跨膜受體介導(dǎo)相鄰細(xì)胞的相互作用。Notch受體是一種異二聚體跨膜蛋白，其組成分為胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NICD)和跨膜結(jié)構(gòu)域：胞外結(jié)構(gòu)域(NECD)的糖基化是Notch受體和配體相互作用的關(guān)鍵〔6〕;NECD是由EGF樣重復(fù)序列和核管理區(qū)(NRR)組成,NRR可以阻止受體在沒有配體情況下被激活。胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NICD)由四個(gè)結(jié)構(gòu)域(RAM,ANK,TAD and PEST)和兩個(gè)核定位序列組成，NICD的缺失會(huì)導(dǎo)致CSL形成各種具有抑制性作用的復(fù)合物來抑制Notch靶基因的轉(zhuǎn)錄；Notch通路活化后被γ-分泌酶復(fù)合體識(shí)別，釋放Notch的活性片段NICD，后者轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)與DNA結(jié)合蛋白CSL結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，激活2個(gè)關(guān)鍵的堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子(Hes及HEY)，進(jìn)而調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄〔5〕。Notch配體也是Ⅰ型單通道跨膜蛋白，跨膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)吞是配體激活notch所必須的傳導(dǎo)信號(hào)〔7〕，跨膜運(yùn)輸已經(jīng)被證明在Notch的激活和調(diào)控中具有非常復(fù)雜而重要的作用〔8〕。圖1。

圖1　Notch信號(hào)通路激活示意圖 〔9〕

2Notch信號(hào)通路與成骨細(xì)胞

Notch信號(hào)通路的生理性阻斷已經(jīng)證明其在骨的調(diào)控中起著關(guān)鍵性的作用。成骨細(xì)胞來源于間充質(zhì)細(xì)胞，并存在于骨髓微環(huán)境中可進(jìn)一步分化為成骨細(xì)胞或者發(fā)生凋亡〔4〕。Dong等〔10〕的研究表明Notch1和Notch2的失活將會(huì)導(dǎo)致Notch對(duì)成骨細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用。Canalis等〔11〕的研究表明當(dāng)Notch激活時(shí)成骨細(xì)胞譜系不同分化階段中成骨前體細(xì)胞的分化受到抑制，造成骨質(zhì)疏松；當(dāng)Notch在骨中表達(dá)時(shí)可以抑制骨吸收增加骨體積。Zhang等〔12〕的研究表明在骨髓間充之干細(xì)胞中，Notch的持續(xù)激活會(huì)抑制間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，造成骨量減少。Hilton等〔13〕的研究表明：骨髓間質(zhì)細(xì)胞中Prx1-cre引起的Notch1和Notch2的缺失的小鼠中，八周時(shí)會(huì)骨量增加，但在26 w時(shí)變異組的骨量減少到對(duì)照組的10%，而且Notch信號(hào)在抑制間充質(zhì)祖細(xì)胞的分化中起重要作用。Tu等〔14〕的研究表明Notch2在抑制成骨細(xì)胞生成中起主導(dǎo)作用，其調(diào)節(jié)機(jī)制主要通過RBPik來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)RBPjk去除后NICD的功能受到抑制〔15〕。Salie等〔16〕的研究表明在12周齡的小鼠中Hey1的過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致骨量的減少而形成骨質(zhì)疏松，這項(xiàng)研究為Hey蛋白在成骨中的抑制作用提供了支持。Zhang等〔17〕的研究表明Hes和Hey蛋白抑制成骨細(xì)胞分化，Hes1和Runx-2相互作用調(diào)節(jié)骨鈣素和骨橋蛋白基因啟動(dòng)子的活性。Engin等〔18〕的研究表明，在細(xì)胞水平上NICD的過度表達(dá)會(huì)刺激成骨細(xì)胞系細(xì)胞早期階段的增殖，但是會(huì)阻止它們生長(zhǎng)為完全成熟的成骨細(xì)胞。綜合起來，Notch信號(hào)可以調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖、分化以此調(diào)節(jié)骨量的平衡。

3Notch信號(hào)通路與破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞在不同階段的特異性調(diào)控涉及到不同的Notch受體和配體：Jag1和Notch1阻礙破骨細(xì)胞的生成，而Dll1和notch2促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成〔19〕。Bai等〔3〕的研究表明巨噬細(xì)胞中Notch受體的缺失強(qiáng)化了破骨細(xì)胞的分化；并且在破骨細(xì)胞中Notch1和Notch3功能的缺失會(huì)促進(jìn)細(xì)胞增殖，使破骨細(xì)胞數(shù)量增加。相反的Yamada等〔20〕的研究表明骨髓巨噬細(xì)胞與一個(gè)固定化的Notch配合基一起培養(yǎng)會(huì)抑制M-CSF受體對(duì)刺激的應(yīng)答，并抑制破骨細(xì)胞分化。Fukushima等〔21〕的研究表明在巨噬細(xì)胞系中RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化會(huì)使notch2和Hes1上調(diào)，因此用γ分泌酶抑制劑的治療方法阻礙了細(xì)胞中破骨細(xì)胞的生成；Notch1受體的活化使M-CSF得表達(dá)降低，并使RANKL/OPG的表達(dá)提高從而降低間充質(zhì)干細(xì)胞中破骨細(xì)胞的數(shù)量。Zanotti等〔22〕的研究表明在轉(zhuǎn)基因雌性小鼠中Ⅰ型膠原控制下的Hes1的過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量增加而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。Colombo等〔23〕的研究表明骨肉瘤細(xì)胞(MM)中Notch的激活可以促進(jìn)破骨細(xì)胞生成因子RANKL的分泌，Notch2可以通過促進(jìn)RANKL信號(hào)的分泌刺激破骨細(xì)胞的分化，此外Notch信號(hào)通路的抑制可以減小人體骨肉瘤細(xì)胞生成的潛力。Notch信號(hào)通路對(duì)破骨細(xì)胞生成的作用取決于細(xì)胞的分化狀態(tài)以及特定配體和受體的表達(dá)。

4Notch信號(hào)通路與軟骨

軟骨的形成是軟骨細(xì)胞增殖、肥大、分化、聚集的過程，并且軟骨為脊柱動(dòng)物骨架提供最初的支架。人體骨架主要由兩部分組成：四肢骨和中軸骨，四肢骨主要有上肢、下肢以及肩帶和腰帶；中軸骨主要有顱骨、肋骨和脊柱〔24〕。脊柱和肋骨主要由體節(jié)間質(zhì)發(fā)展而來，四肢骨主要由COP細(xì)胞發(fā)育而來。在胚胎發(fā)育過程中間充質(zhì)干細(xì)胞凝集、分化并通過COP階段轉(zhuǎn)化成軟骨細(xì)胞并形成軟骨支架；隨后由軟骨的骨化被鈣化的骨所取代〔25〕。Dong等〔10〕的研究表明軟骨細(xì)胞中Notch信號(hào)的抑制會(huì)引起軟骨細(xì)胞增殖和肥大，這將會(huì)導(dǎo)致骨形成減少。Zanotti等〔26〕的研究表明Notch可以抑制活化T細(xì)胞的核因子在軟骨細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。Chen等〔27〕的研究表明Rbpjk依賴的Notch信號(hào)通路通過抑制Sox9蛋白的表達(dá)來抑制軟骨祖細(xì)胞的分化。Kohn等〔28〕的研究表明軟骨細(xì)胞和軟骨膜細(xì)胞中Rbpjk的缺失會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞的成熟延緩；此外notch可以影響軟骨細(xì)胞的形態(tài)，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的增殖以及不成熟軟骨細(xì)胞的凋亡。Dishowitz等〔29〕的研究表明在脛骨骨折和骨缺損的愈合中Notch的表達(dá)增強(qiáng)其中Jag1和Notch2的表達(dá)增強(qiáng)最明顯，而在間充質(zhì)細(xì)胞中則會(huì)降低軟骨形成的表達(dá)；因此Notch可以調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)和膜內(nèi)成骨的愈合。Tian等〔30〕的研究表明小鼠肢芽間充質(zhì)干細(xì)胞中Notch的激活可抑制軟骨的形成。Serrano等〔31〕的研究表明Notch信號(hào)的阻斷會(huì)抑制下頜髁突軟骨(MCC)中軟骨細(xì)胞的增殖，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化。Hosaka等〔32〕的研究表明在小鼠軟骨細(xì)胞系A(chǔ)TD5和原代軟骨細(xì)胞的分化中，Notch1、Notch2、RBPj和Hes1的表達(dá)增加，而Notch3、Notch4以及Hes和Hey家族的表達(dá)減少；這說明Notch信號(hào)可以調(diào)控軟骨細(xì)胞的分化。綜合起來Notch信號(hào)通路可以調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖、分化、成熟以及軟骨前體細(xì)胞的生理活動(dòng)。

5Notch信號(hào)通路和骨疾病

阿拉吉?dú)W(Alagille)綜合征是一種具有骨骼畸形、腎發(fā)育不良等特點(diǎn)的常染色體顯性疾病，而Notch2基因突變?cè)贏lagille綜合征的病人中被發(fā)現(xiàn)〔33〕。Sparrow等〔34〕研究表明在人體中4型脊柱肋骨發(fā)育不良與Hes7的失活和突變有關(guān)，這為Notch信號(hào)通路失調(diào)導(dǎo)致此類疾病提供了有力的證據(jù)。豪-謝(Hajdu-Cheney)綜合征是指骨遠(yuǎn)端骨溶解、骨丟失和骨折為特征的成染色體顯性遺傳病，而Hajdu-Cheney綜合征與Notch2的持續(xù)激活有關(guān)〔35〕。Engin等〔36〕的研究表明骨肉瘤的侵襲能力與Notch信號(hào)通路有關(guān)，骨肉瘤中Jag1、Notch1、Hes1的表達(dá)增加。Sethi等〔37〕的研究表明通過RNA干擾下調(diào)Jag1可以降低乳腺癌的骨溶性，這揭示了Notch信號(hào)通路在溶骨性轉(zhuǎn)移方面的作用〔37〕。在中國(guó)人口和中歐混血人口中關(guān)于全基因組關(guān)聯(lián)的研究表明：骨密度與Jag1存在關(guān)聯(lián)性〔38〕，這說明notch信號(hào)通路與骨質(zhì)疏松存在一定聯(lián)系。Sugita等〔39〕的研究表明在小鼠中Hes的缺失會(huì)抑制骨關(guān)節(jié)炎(OA)的發(fā)展。

6小結(jié)

Notch信號(hào)通路是骨骼發(fā)育和骨重建一個(gè)重要的調(diào)節(jié)器，通過與其他信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)的相互作用調(diào)控成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及軟骨的生理活動(dòng)以維持人體骨量的平衡。隨著研究的深入人們對(duì)Notch信號(hào)通路越來越了解，但Notch的作用不是孤立的，在體內(nèi)當(dāng)細(xì)胞接受多個(gè)信號(hào)時(shí)會(huì)做出一個(gè)集成的應(yīng)答，因此Notch與其他信號(hào)系統(tǒng)的相互作用以及Notch在有機(jī)整體的作用需要進(jìn)一步的探索。

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〔2015-01-17修回〕

(編輯滕欣航)

通訊作者：鄒軍(1969-)，男，教授，主要從事運(yùn)動(dòng)與骨代謝的相關(guān)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81170323)；上海市人類運(yùn)動(dòng)能力開發(fā)與保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海體育學(xué)院)(11DZ2261100)

中圖分類號(hào)〔〕R68〔

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A〔

文章編號(hào)〕1005-9202(2015)24-7260-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.24.141