黃衛(wèi)民，張小敏，陶　亮

(1新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，烏魯木齊　830002；2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，廣州　510080)

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·綜述·

細(xì)胞縫隙連接與骨及相關(guān)疾病研究進(jìn)展

黃衛(wèi)民1，張小敏2，陶亮2

(1新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，烏魯木齊830002；2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，廣州510080)

骨穩(wěn)態(tài)的維持依賴于成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞三者間的相互調(diào)節(jié)。三者的分化、存活及功能的調(diào)節(jié)則依賴于細(xì)胞縫隙連接。Cx43既可以直接調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞間動(dòng)態(tài)平衡，又可以通過調(diào)節(jié)骨細(xì)胞基因表達(dá)間接調(diào)控成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞間動(dòng)態(tài)平衡，而Cx45的功能則與Cx43相反。Cx37是破骨細(xì)胞分化所必需的。Cxs在軟骨組織、韌帶、肌腱中的作用研究甚少。同時(shí)，研究表明Panx1、Panx2、Panx3在骨及軟骨細(xì)胞中表達(dá)，但其功能尚不明確。

細(xì)胞縫隙連接; 成骨細(xì)胞; 骨細(xì)胞; 破骨細(xì)胞

骨穩(wěn)態(tài)是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能平衡的結(jié)果，一旦兩者間平衡打破，骨骼系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)病理性改變，如骨質(zhì)疏松、骨肉瘤、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。基本多細(xì)胞單位，是骨重建的基本功能單位包括破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞，它們通過功能耦聯(lián)調(diào)節(jié)骨量穩(wěn)態(tài)。成熟骨細(xì)胞呈星狀或樹突狀，大量突起相互連接，組成一個(gè)發(fā)達(dá)的骨陷窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。骨細(xì)胞通過黏附分子附著于周圍基質(zhì)及鄰近細(xì)胞，而細(xì)胞縫隙連接(Gap Junction，GJ)連通骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞以及破骨細(xì)胞形成一個(gè)復(fù)雜而精密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三者的增殖分化及功能的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)則依賴于GJ，本文就細(xì)胞縫隙連接與骨及相關(guān)疾病的研究進(jìn)展綜述如下。

1　細(xì)胞縫隙連接

細(xì)胞縫隙連接(Gap Junction,GJ)是相鄰2個(gè)細(xì)胞間的一種膜蛋白通道，在多種組織系統(tǒng)中(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心肌系統(tǒng)、肌肉骨骼系統(tǒng)等)廣泛表達(dá)。GJ基本組成單位是連接子(Connexon,Cx)，6個(gè)Cx環(huán)繞在一起組成半通道(Hemichannel)，相鄰2個(gè)細(xì)胞上的半通道對(duì)接而成一個(gè)全通道GJ。GJ介導(dǎo)直接的細(xì)胞間通訊(Gap Junction Intercellular Communication，GJIC)。GJ允許分子量<1 ku的小分子物質(zhì)自由擴(kuò)散,易化相鄰細(xì)胞間電和化學(xué)偶聯(lián)[1]。最近研究表明，Cxs可以傳遞包括核酸在內(nèi)的大分子，表明GJ介導(dǎo)多種功能偶聯(lián)[2]。目前研究表明，人體中有21種Cxs基因[1]，Cx43(GJA 1基因編碼)是表達(dá)水平最高、最廣泛的Cx。另外，Cx45(GJC 1基因編碼)、Cx46(GJA 3基因編碼)及Cx37(GJA 4基因編碼)也在骨骼肌肉系統(tǒng)中表達(dá)。最近研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞縫隙連接存在另一種組成亞基，Pannexin。由Panx1、Panx2和Panx3基因所編碼的3個(gè)pannexins與Connexins具有極為相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要形成溝通胞漿與外界環(huán)境的半通道，在骨骼系統(tǒng)中同樣具有廣泛表達(dá)[3]。

1.1Cxs在骨骼系統(tǒng)中的表達(dá)Cx43是骨骼系統(tǒng)中表達(dá)最為豐富的縫隙連接蛋白，在骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞中均廣泛表達(dá)，Cx45、Cx46則主要表達(dá)于成骨細(xì)胞[4]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Cx37同Cx43一樣，廣泛表達(dá)于成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞中[5]。

在軟骨、韌帶、肌腱組織中，同樣存在Cxs的表達(dá)。其中Cx43在這3種組織中均有表達(dá)，其次是Cx32，而Cx45、Cx46特異表達(dá)于軟骨細(xì)胞[6]，Cx40則特異表達(dá)于韌帶組織中[7]。

1.2Panxs在骨骼系統(tǒng)的表達(dá)Panx1和Panx3在骨骼系統(tǒng)中廣泛表達(dá)[8-9]，Panx3在成骨細(xì)胞、顱蓋骨細(xì)胞以及增生的軟骨細(xì)胞等多種細(xì)胞中表達(dá)。Panx1主要表達(dá)于成骨細(xì)胞中，在牙周韌帶中也有表達(dá)，但在肌腱中尚無文獻(xiàn)報(bào)道Panx1的表達(dá)。Panx2表達(dá)具有局限性,尚未有文獻(xiàn)報(bào)道其在骨組織存在表達(dá)。

2　細(xì)胞縫隙連接在肌肉骨骼系統(tǒng)中的生物學(xué)功能

2.1Cxs對(duì)骨組織細(xì)胞增殖分化及功能的調(diào)控作用

2.1.1Cx43對(duì)成骨細(xì)胞增殖分化及功能的調(diào)節(jié)作用多數(shù)研究表明，Cx43對(duì)成骨細(xì)胞的分化及功能具有調(diào)節(jié)作用。Lecanda等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，Cx43整體敲除的KO小鼠，由于成骨細(xì)胞功能障礙而不能存活，而條件性敲除成骨細(xì)胞Cx43 的KO小鼠，雖然能夠存活，但由于成骨細(xì)胞分化障礙，表現(xiàn)出骨漸進(jìn)性增生[11]；在體外研究中，上調(diào)Cx43的表達(dá)或者增加Cx43的偶聯(lián)，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，而抑制Cx43的表達(dá)及GJ功能，則抑制成骨細(xì)胞分化[12]。

有學(xué)者從藥物應(yīng)用角度進(jìn)一步證實(shí)了Cx43對(duì)成骨細(xì)胞的調(diào)控作用。雙磷酸鹽類骨保護(hù)藥物，能夠通過開放Cx43半通道[13]，發(fā)揮骨保護(hù)活性；當(dāng)敲除Cx43時(shí)，其保護(hù)活性明顯減弱[14]。間歇給予PTH是FDA唯一批準(zhǔn)的增加骨量的治療方法，當(dāng)敲除Cx43時(shí)，PTH介導(dǎo)的骨礦化速率則降低[15]。

2.1.2Cx43對(duì)破骨細(xì)胞增殖分化及功能的調(diào)節(jié)作用Cx43對(duì)破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)，主要是通過成骨細(xì)胞/破骨細(xì)胞間RANKL/OPG/Cx43軸產(chǎn)生間接調(diào)節(jié)，其直接調(diào)節(jié)功能報(bào)道較少。體外實(shí)驗(yàn)，當(dāng)抑制破骨細(xì)胞GJ，能夠抑制破骨細(xì)胞的融合[16]。而Cx37在破骨細(xì)胞再生中則具有明確的生物學(xué)作用[17]，Cx37 KO 小鼠的破骨細(xì)胞，不僅細(xì)胞體積小，胞核缺失，而且破骨細(xì)胞標(biāo)記物明顯減少，Notch信號(hào)通路活性顯著上調(diào)。

破骨細(xì)胞的分化，除了受成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中Cx43的調(diào)控外[9]，也受自身Cxs表達(dá)的調(diào)節(jié)。當(dāng)在破骨細(xì)胞分化前，敲除Cx43表達(dá)，表現(xiàn)出股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨破骨細(xì)胞明顯減少，皮質(zhì)骨厚度增加，骨小梁間隙縮窄，這些均表明破骨細(xì)胞骨吸收功能降低[18]。

2.1.3Cx43 C末端功能區(qū)與其生物學(xué)功能的相關(guān)性Cx43依賴的通道功能是維持皮質(zhì)骨形成和骨基質(zhì)強(qiáng)度所必須的，而Cx43 C末端則是維持松質(zhì)骨體積和成骨細(xì)胞功能必不可少的。有學(xué)者構(gòu)建了R67W和Δ130-136缺失，2種Cx43點(diǎn)突變的小鼠模型，前者與野生型小鼠間不存在表型差異，而后者則表現(xiàn)出骨量增加，皮質(zhì)骨骨細(xì)胞凋亡增加，這些特異性癥狀同Cx43全敲除的小鼠具有相似性[19]，而當(dāng)過表達(dá)Δ130-136時(shí)，則具有明顯的骨細(xì)胞毒性[20]。而Cx43 C末端缺失(Δ245)的小鼠由于成骨細(xì)胞功能障礙導(dǎo)致松質(zhì)骨體積減小[21]。

2.2Cx43對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié)作用Cx43對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)的發(fā)育和功能同樣具有調(diào)控作用。敲除Cx43的小鼠，與同窩出生的Cx43陽性小鼠相比，表現(xiàn)出體質(zhì)量降低和肌肉抽搐的癥狀。而成熟成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞敲除Cx43表達(dá)，對(duì)體質(zhì)量并不產(chǎn)生影響[22]，說明Cx43對(duì)肌肉發(fā)育的調(diào)節(jié)主要是由未成熟的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞介導(dǎo)的，具體分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

Cx43是成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞應(yīng)對(duì)機(jī)械負(fù)荷所必需的[23]。多項(xiàng)研究表明，不論是敲除軟骨祖細(xì)胞[24]、成熟的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞[9]、單一骨細(xì)胞[25]的Cx43，機(jī)械負(fù)荷引起的骨形成是增加的，關(guān)于Cx43如何調(diào)節(jié)機(jī)械應(yīng)激下骨形成的分子機(jī)制，目前尚不明確。

2.3Cx37對(duì)骨組織細(xì)胞增殖分化的調(diào)節(jié)作用Cx37是最近發(fā)現(xiàn)廣泛表達(dá)于成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的另一種縫隙連接蛋白[4,13]。Cx37對(duì)骨組織細(xì)胞的調(diào)控作用具有性別相關(guān)性。Cx37整體敲除導(dǎo)致骨量增加，而這個(gè)特點(diǎn)在雄性小鼠中尤為顯著[4]。日本的一項(xiàng)人群研究同樣表明，攜帶Cx37-319P 等位基因與攜帶Cx37-319S的男性相比，前者表現(xiàn)出軀體高大及椎間盤、頸椎和股骨轉(zhuǎn)子骨密度高的特征[26]。針對(duì)這一點(diǎn)，有學(xué)者認(rèn)為骨量增加是由于破骨細(xì)胞分化障礙導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨吸收降低所引起的[13]。

2.4Cxs在軟骨、韌帶和肌腱中的生物學(xué)功能研究Cxs在軟骨，韌帶和肌腱中的生物學(xué)功能報(bào)道較少，主要是對(duì)于機(jī)械負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用。Cx43通道開放能夠介導(dǎo)軟骨，韌帶和肌腱對(duì)力的傳導(dǎo)[27]。而在肌腱中，Cx43和Cx32具有相反的生物學(xué)作用[28]，關(guān)于其作用機(jī)制及其他方面的功能尚未見報(bào)道。

2.5Pannexs對(duì)骨組織細(xì)胞增殖分化的調(diào)節(jié)作用Panx1 和Panx3表達(dá)于成骨細(xì)胞中[8]，在成骨細(xì)胞分化過程中，其表達(dá)是上調(diào)的[29]。當(dāng)用siRNA干擾Panx3表達(dá)時(shí)，能夠抑制成骨細(xì)胞再生。體內(nèi)腺病毒過表達(dá)Panx3時(shí)，能夠提高小鼠跖骨成骨細(xì)胞再生和增加骨長度。Panx3的這種生物學(xué)功能不僅僅是通過介導(dǎo)細(xì)胞間或細(xì)胞與外界環(huán)境的信息交流發(fā)揮的，還能對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣通道發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Panx1在成骨細(xì)胞中的生物學(xué)作用及Panx1和 Panx3在破骨細(xì)胞中的角色，目前還未進(jìn)行研究。

3　細(xì)胞縫隙連接與骨相關(guān)疾病的關(guān)系

Cxs表達(dá)與骨發(fā)育異常相關(guān)。Cx43基因突變能夠引起眼齒指發(fā)育不良癥(ODDD)[30]、顱骨干骺端發(fā)育不良癥[31]。G60S-Cx43小鼠，除了具有骨量降低的表型外，還表現(xiàn)出進(jìn)行性骨髓減少[32]、脂肪細(xì)胞增多的癥狀[24]。

在多種骨腫瘤疾病中，Cxs的表達(dá)也不盡一致。在濕疹樣癌，異常成骨細(xì)胞高表達(dá)Cx43[16]，而在骨巨細(xì)胞瘤、骨尤文肉瘤中，Cx43表達(dá)明顯下調(diào)，其下調(diào)程度與預(yù)后呈正相關(guān)[33]，這些均表明Cx43對(duì)于正常骨代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用。

Cxs參與多種疾病的發(fā)生，不僅與Cxs自身表達(dá)及涉及通路相關(guān)，還與疾病狀態(tài)及發(fā)病的細(xì)胞微環(huán)境相關(guān)，然而其具體發(fā)病機(jī)制目前尚未有深入研究。

4　總結(jié)與展望

Cx43在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、骨量獲取及維持機(jī)械負(fù)荷中的生物學(xué)功能得到了大量研究和證實(shí)。Cx43 C末端與生物學(xué)功能的相關(guān)性也得到了初步探討，也有研究揭示了Cx37在骨穩(wěn)態(tài)中的生物學(xué)作用。然而，針對(duì)其他Cxs與Panxs在肌肉骨骼系統(tǒng)中的生物學(xué)功能的研究卻相對(duì)較少，深入研究Cxs與Panxs對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用的多樣性，不僅能夠?yàn)橹委熛嚓P(guān)疾病提供新靶點(diǎn)，也對(duì)提高現(xiàn)有治療藥物的治療效果具有重大意義。

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(本文編輯王艷)

新疆維吾爾自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(201233150)

黃衛(wèi)民(1967-)，男，副教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：脊髓損傷與骨質(zhì)疏松。

陶亮，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：細(xì)胞縫隙連接與疾病，E-mail:taol@mail.sysu.edu.cn。

R329.2

A

1009-5551(2016)11-1474-04

10.3969/j.issn.1009-5551.2016.11.032

2016-02-23]