李佳 欒志偉 黃星 姚軍
骨質(zhì)疏松癥( osteoporosis,0P) 是多種病因引起的一組骨病,以單位體積內(nèi)骨組織量減少為特點的一種全身性的骨代謝疾病。在多數(shù)0P中,骨組織的減少主要由于骨質(zhì)吸收增多所致,以骨骼疼痛、易于骨折為特征。在老年人群中更為多見,是導(dǎo)致老年人致殘的主要原因之一[1]。我國人群40歲以上骨質(zhì)疏松患病率約20%。我國60-69歲的老年女性的0P發(fā)生率高達50%-70%,老年男性為30%[2]。OP并發(fā)癥致殘率高,最嚴重的并發(fā)癥是骨質(zhì)疏松性骨折,以髖部骨折最為嚴重,嚴重影響患者的生活質(zhì)量,給家庭和社會帶來沉重的負擔。
目前0P的病因及發(fā)病機制并不完全清楚,正常成人的骨骼中成骨細胞與破骨細胞處于一種動態(tài)平衡,使骨組織不斷更新,以維持骨骼的強度和彈性,骨保護蛋白(OPG),核因子-κB (NF-κB) 配體激活受體(RANKL)、腫瘤壞死因子家族新成員(RANK)參與并調(diào)節(jié)骨的動態(tài)平衡,這一動態(tài)平衡被破壞后導(dǎo)致骨的丟失引起骨質(zhì)疏松[3]。隨著骨細胞分子生物學(xué)研究的進展,發(fā)現(xiàn)OPG/RANKL/RANK信號通路是調(diào)控破骨細胞及骨質(zhì)疏松癥的重要途徑,在破骨細胞的形成和抑制中起著重要的調(diào)控作用。許多激素、細胞因子、生長因子通過作用于該信號通路影響骨代謝而導(dǎo)致0P。因此,對OPG/RANKL/RANK信號通路的深入研究,可為0P提供潛在的治療新途徑。
1、成骨細胞與破骨細胞
1.1成骨細胞(osteoblast OB)OB來源于骨髓間充質(zhì)干細胞,是骨形成過程中的重要功能細胞,是唯一負責骨形成的細胞類型,主要功能是分泌骨基質(zhì)并調(diào)節(jié)其鈣化,最終形成大量骨鹽沉積。OB通過Wnt信號/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)骨形成,此外OB在骨吸收中也扮演著重要的角色。OB產(chǎn)生的M-CSF,RANKL和OPG在破骨細胞形成和功能中起著必不可少的作用。
1.2 破骨細胞(osteoclast OC)OC是一種巨大的多核細胞,在骨髓基質(zhì)細胞分泌的多種因子作用下由單核細胞前體融合而成。由骨重建單元(BRUs)內(nèi)或其
周圍的細胞分泌的巨噬細胞克隆刺激因子(M-CSF)、核因子-κB (NF-κB) 配體激活受體(RANKL)等細胞因子的作用下刺激分化產(chǎn)生[4]。研究發(fā)現(xiàn)RANKL的增高與OC的激活存在一定的相關(guān)性,RANKL與OC及其前體細胞表面上的RANK結(jié)合后,能促進OC的分化、增殖、多核化以及增強骨吸收[5]。
1.3成骨細胞與破骨細胞的相互調(diào)節(jié)作用 OB不僅與骨形成密切相關(guān),而且在骨吸收過程中也起著關(guān)鍵性作用。體外實驗發(fā)現(xiàn),OB是調(diào)控骨吸收的中心細胞,大部分骨吸收因子的受體只存在于OB而非OC上,OB接受骨吸收因子的刺激后分泌RANKL,在M-CSF存在的前提下,RANKL與M-CSF結(jié)合到OC的前體細胞表面受體RANK和M-CSFR上,RANK胞內(nèi)區(qū)的特異性位點與OC內(nèi)的腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白(TRAFs)結(jié)合,即TRAF-6,引起OC下游信號的鏈式反應(yīng)[6]。而OB分泌的OPG則以二聚體的形式競爭性地與三聚體RANKL結(jié)合,阻斷RANK與RANKL的結(jié)合,從而抑制OC的形成和成熟過程。骨髓基質(zhì)干細胞向OB分化的過程中,OPG與RANKL的比值處于動態(tài)變化之中,隨著OB與基質(zhì)細胞的分化成熟,RANKL/OPG的比值縮小,最后將失去對OC的分化和成熟過程的調(diào)控,從而使骨形成與骨吸收達到動態(tài)平衡。故OB通過OPG/RANKL/RANK信號系統(tǒng)調(diào)節(jié)著對OC分化活化與凋亡的關(guān)系。
2、OPG/RANKL/RANK信號通路概述
2.1骨保護素(OPG)OPG是1997年Simonet等[7]在測序胎鼠小腸cDNA文庫時發(fā)現(xiàn)的段序列,因其所表達的蛋白具有骨保護的作用而命名。OPG是OB和骨髓間充質(zhì)干細胞分泌的一種分泌型糖蛋白。OPG的蛋白有7個結(jié)構(gòu)域,形成3個功能區(qū):①腫瘤壞死因子受體包括1-4結(jié)構(gòu)域,形成OPG的主要結(jié)構(gòu)域,執(zhí)行抑制OC的功能。②同源區(qū)5-6屬于死亡域,與Fas蛋白跨膜區(qū)形成融合蛋白,具有很強的細胞毒性,可以引起細胞的凋亡。③肝素結(jié)合屬于第7結(jié)構(gòu)域,其作用尚未明確[8]。
2.2 RANKL RANKL是于1998年Lacey等用OPG做探針時發(fā)現(xiàn)的OB或基質(zhì)細胞表面表達的OPG配體蛋白,人RANKL基因位于染色體13q14,其分子由317個氨基酸組成,分為3種亞型,跨膜蛋白RANKL1、RANKL2以及分泌型RANKL3,以RANKL1存在最為廣泛[9]。RANKL由OB、T細胞和內(nèi)皮細胞表達,是OC形成的關(guān)鍵因子。近幾年有文章描述RANKL的逆向信號現(xiàn)象,逆信號現(xiàn)象即跨膜的信號蛋白不僅可以向它的受體傳遞信號,還可以作為“反受體”接受信號,將細胞外的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)如宿主細胞內(nèi)。有證據(jù)表明表達RANKL的T細胞可接受來自重組RANK蛋白或重組OPG蛋白的逆向信號,從而促進T細胞凋亡。對同樣表達RANKL的OB,RANK是否可以通過RANKL發(fā)送逆向信號從而影響OB的功能狀態(tài)尚未有研究證實 [10]。另外RANKL在OB高爾基體中大量儲存,OPG則可使RANKL保持在胞內(nèi),減少其釋放至胞膜及胞外[11]。
2.3 RANK? RANK于1997年Anderson等在直接測定人骨髓衍生樹突狀細胞cDNA時發(fā)現(xiàn)的。RANK在骨骼肌、小梁骨、肝臟、小腸以及腎上腺均有表達。RANK由616個氨基酸組成,可與TRAF1,2,3,5,6結(jié)合。RANK在體內(nèi)主要存在于可溶型和跨膜蛋白型兩種方式:前者在血液中存在,可發(fā)揮阻斷RANKL促進OC分化生長的功能; 后者存在于OC表面,選擇性地與RANKL結(jié)合,促使骨吸收[12]。RANK與RANKL結(jié)合后被激活,通過TRAFs啟動胞質(zhì)內(nèi)的信號級聯(lián)反應(yīng),RANK有3個結(jié)合位點與TRAF2,5,6結(jié)合,其中最重要的是TRAF轉(zhuǎn)接RANK的刺激并傳導(dǎo)給下游的NF-κB、JNK和Src通路,從而促進OC的分化、成熟及阻止OC凋亡。
3、OPG/RANKL/RANK信號通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
3.1 OPG/RANKL/RANK信號系統(tǒng)通過激活一系列的信號級聯(lián)反應(yīng),啟動和調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)OC的分化、活化和凋亡。RANKL可以提高NF-κB和c-Jun氨基末端蛋白激酶(JNK)的活性。因此NF-κB、蛋白激酶C途徑、JNK與OPG/RANKL/RANK信號系統(tǒng)的激活有關(guān)[13]。RANK在細胞內(nèi)的特殊位點與TRAF的結(jié)合是所有信號傳導(dǎo)中最為關(guān)鍵的一步。RANK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的激活使TRAF6蛋白積聚,IKK激活,IκB被磷酸化降解,激活 NF-κB,并進入細胞核執(zhí)行核內(nèi)轉(zhuǎn)錄過程,增加AP-1家族中的c-Fos的表達,c-Fos進一步與活化的T細胞核因子結(jié)合并相互作用,啟動OC生成基因的轉(zhuǎn)錄。一般情況下RANKL可以激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6( TRAF6),后者進一步激活NF-κB和c-Jun氨基末端激酶( JNK) 通路,同時促使C-Fos表達,故TRAF6和C-Fos是OC形成所必需的。此外,RANKL與RANK的結(jié)合激活了內(nèi)在的信號傳導(dǎo)級鏈,膜結(jié)合型RANKL或可溶性的RANKL結(jié)合并活化受體RANK,RANK刺激通過轉(zhuǎn)接分子(諸如TRAF和Gab 2) 誘導(dǎo)的NF-κB、MAPK和磷脂酰肌醇途徑以控制OC生成。破骨細胞最終形成的標志性事件是NFATc1的激活,NFATc1的表達依賴于TRAF6-NF-κB及c-Fos通路。激活的NF-κB可移至細胞核內(nèi)與NFATc1的啟動子結(jié)合,并且RANKL刺激后幾分鐘內(nèi)NFATc2亦結(jié)合于NFATc1的啟動子上,NFATc2與NF-κB共同激活NFATc1的啟動子,上調(diào)NFATc1的早期表達,并且在RANKL誘導(dǎo)下,TRAF6募集于RANK的胞質(zhì)端,進而動員細胞內(nèi)的鈣信號激活鈣神經(jīng)素,活化的鈣神經(jīng)素去磷酸化并激活NFATc1,隨后NFATc1轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi),在其啟動子上與c-Fos、c-Jun形成三元絡(luò)合物,進而刺激NFATc1的自身放大表達 [14]。研究發(fā)現(xiàn)miRNA能通過調(diào)節(jié)不同的細胞因子從而影響OC的分化,例如TRAF6是miR -125a的靶基因,而NFATc1作為TRAF6的下游靶點,能夠通過結(jié)合miR -125a的啟動子來調(diào)節(jié)其表達,因此,miR -125a與TRAF6和NFATc1構(gòu)成了一個負反饋調(diào)節(jié)通路來調(diào)節(jié)OC的分化和成熟[15]。
4、OPG/RANKL/RANK信號通路的表達調(diào)控
4.1 激素 許多激素通過作用于OPG/RANKL/RANK信號通路影響骨代謝。雌激素是參與骨代謝的一種非常重要的激素,雌激素不僅可以促進OPG的分泌,也可以直接抑制RANKL受體激活和M-CSF介導(dǎo)的骨髓單核祖細胞分化為OC。研究發(fā)現(xiàn)雄激素可以通過調(diào)節(jié)成骨細胞OPG系統(tǒng)相關(guān)基因的表達影響OB對OC的介導(dǎo)功能,并發(fā)揮其對骨形成的作用[16]。降鈣素(CT)可抑制OC,促進OB的形成,使骨組織釋放入細胞外液的鈣鹽減少,鈣鹽沉積增加。甲狀旁腺激素(PTH)是一種促進骨吸收的激素,PTH能刺激OC增殖并加強其活動,還可抑制OB活動,從而使骨質(zhì)溶解,減少鈣鹽在骨中沉積。但PTH對骨吸收的作用可被雌激素所抑制,絕經(jīng)后雌激素缺乏會使骨對PTH的敏感性增加。
4.2 細胞因子 許多細胞因子能通過作用于RANKL來參與骨代謝,某些促進骨吸收的細胞因子,如M-CSF、前列腺素E2(PGE2)、白細胞介素(IL)-1和IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等均可刺激RANKL大量表達,促進其與OC前體表面的RANK結(jié)合,誘導(dǎo)多核OC的分化成熟。某些骨保護因子,如轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)、IL-7等,介導(dǎo)產(chǎn)生的OPG競爭性地結(jié)合RANKL,抑制OC分化成熟和骨吸收。
4.3 生長因子生長因子是另一類OPG/RANKL的調(diào)節(jié)器,胰島素樣生長因子(IGF-1)是骨代謝的一個重要生長因子,隨年齡增長骨組織對IGF-1的反應(yīng)性降低。研究表明IGF-1能促進RANKL的表達[17]。色素上皮衍生因子表達在骨組織上可以促進OB分化,可以促進OPG在OB上分泌,也可以抑制RANKL的表達從而抑制OC的分化。
4.4維生素 1, 25-(OH)2D3是促進OC形成及發(fā)揮骨吸收作用時的一種重要刺激因子,其與維生素D3受體結(jié)合可上調(diào)OB或基質(zhì)細胞中RANKL的表達,而RANKL可特異性的結(jié)合RANK,激活相關(guān)信號的級聯(lián)反應(yīng),促進OC前體分化、融合為OC。同時,1,25-(OH)2D3還可通過調(diào)節(jié)骨微環(huán)境 M-CSF mRNA 的表達,促使M-CSF與其受體c-Fms結(jié)合,對OC的形成及增殖具有間接促進作用[18]。1,25-(OH)2D3可刺激位于OC封閉帶上整合素αvβ3的表達,而封閉帶對Ca2+濃度和pH的變化較為敏感,Ca2+作為第二信使,對下游信號的調(diào)節(jié)具有特異性作用,可影響OC的形成分化及功能發(fā)揮。
5、OPG/RANKL/RANK信號通路與骨質(zhì)疏松癥的作用
0P依據(jù)病因可分為:1)原發(fā)性骨質(zhì)疏松:是隨著年齡的增長必然發(fā)生的一種生理性退行性病變,分為絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥和老年性骨質(zhì)疏松癥;2)繼發(fā)性骨質(zhì)疏松:指因某些疾病或藥物導(dǎo)致的骨丟失,如風濕性關(guān)節(jié)炎、藥物誘導(dǎo)性骨質(zhì)疏松癥導(dǎo)致的骨丟失。
5.1原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥
5.11絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(PMO)PMO是由于婦女絕經(jīng)后雌激素的嚴重缺乏,致OC活性增加,骨膠原的成熟和鈣化被抑制,引起繼發(fā)性鈣鹽減少及骨組織微結(jié)構(gòu)的改變,造成的高轉(zhuǎn)換型骨質(zhì)疏松。雌激素可通過OPG/RANK/RANKL信號通路參與調(diào)節(jié)OC生成和抑制骨吸收作用。雌激素主要通過兩條途徑影響骨代謝:1)雌激素通過與OC和OB上的雌激素受體(ER)結(jié)合,直接調(diào)節(jié)骨代謝。雌激素與OB表面的ER結(jié)合,促進膠原酶的分泌,釋放生長因子和細胞因子來促進骨的形成。雌激素通過ER途徑直接作用于破骨細胞前體或成熟的破骨細胞,抑制OC的分化、成熟及活性,誘導(dǎo)OC的凋亡,從而縮短OC壽命,減少OC數(shù)量,抑制骨吸收。2)雌激素通過與ER結(jié)合,調(diào)節(jié)各種細胞因子的分泌,如:OPG、M-CSF等。雌激素還可以負調(diào)控炎癥因子(如白細胞介素1、腫瘤壞死因子α的產(chǎn)生,以及上調(diào)轉(zhuǎn)化因子β的表達促進OC的凋亡[19]。
5.12 老年性骨質(zhì)疏松癥 老年性骨質(zhì)疏松癥是隨著年齡的增加,體內(nèi)干細胞向脂肪細胞轉(zhuǎn)化,OB的成分和功能下降,呈現(xiàn)成纖維細胞的重分化狀態(tài),而OC在多種細胞因子的調(diào)控下分化增加,導(dǎo)致骨代謝軸失衡,造成的低轉(zhuǎn)換型骨質(zhì)疏松。另外OPGmRNA表達降低和RANKLmRNA表達增高可能是增齡性骨流失的重要原因之一 [20]。通過觀察老年性骨質(zhì)疏松患者血清細胞因子水平發(fā)現(xiàn),體內(nèi)的細胞因子通過影響骨髓微環(huán)境內(nèi)OPG/RANKL的比率來調(diào)節(jié)骨代謝。TNF-α在骨代謝中扮演著重要角色,能夠促進M-CSF和RANKL的表達。TNF-α通過增加M-CSF的受體c-fms在骨髓前體細胞表面的表達來調(diào)節(jié)骨髓中破骨前體細胞的充裕量 [21]。IFN-γ是OC分化的啟動因子,可以促進組織相容性復(fù)合體II類抗原(MHC-II)的表達,進而促進T細胞的增殖與活化,導(dǎo)致RANKL、TNF-α的高表達,致使OC的分化,誘發(fā)OP。
5.2繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥
5.21風濕性關(guān)節(jié)炎(RA) RA是一種常見的慢性全身性炎性疾病,屬于自身免疫性疾病。研究發(fā)現(xiàn),在RA病人病灶部位發(fā)現(xiàn)大量OC前體和成熟OC,證明OC與RA密切相關(guān)。OC的過度增殖和異?;钴S打破骨代謝平衡,使骨吸收占優(yōu)勢,增加RA的風險。而OPG/RANKL/RANK信號通路可以直接調(diào)節(jié)OC的功能和活性。Geusens等[22]研究發(fā)現(xiàn)RANKL/OPG比值高的RA患者關(guān)節(jié)破壞程度要明顯高于對照組。Gurban等[23]研究證實RA病人關(guān)節(jié)中存在sRANKL含量升高和OPG水平下降,可能是RA骨質(zhì)破壞的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。此外,OC介導(dǎo)的骨破壞是通過細胞間相互作用和多種細胞因子調(diào)控而實現(xiàn)的,炎癥關(guān)節(jié)產(chǎn)生的促炎因子主要有:IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-11、TNF-α,促炎因子可上調(diào)RANKL和RANK水平,促進OC發(fā)育,從而加劇骨吸收作用[24]。值得關(guān)注的是研究發(fā)現(xiàn)IL-6可以通過誘導(dǎo)OB和激活的T細胞表達RANKL來間接促進OC分化和成熟 這可能和風濕性關(guān)節(jié)炎軟骨退化和關(guān)節(jié)破壞的發(fā)生機制有關(guān)[25]。
5.22 糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松癥(GIOP)GIOP在藥物導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松癥中最為常見。目前GIOP發(fā)病率僅次于絕經(jīng)后OP和老年性骨質(zhì)疏松癥,位居第3位。糖皮質(zhì)激素除了通過促進OB和骨細胞凋亡、降低成骨功能,抑制骨膠原及促進OC生成并延長其生存時間等直接抑制成骨,還可通過調(diào)節(jié)相關(guān)的細胞因子抑制骨局部血流量間接影響骨形成[26]。研究顯示人成骨細胞和骨細胞具有糖皮質(zhì)激素受體,糖皮質(zhì)激素可通過受體介導(dǎo)作用直接抑制OB的功能,誘導(dǎo)OB和骨細胞的凋亡,減少骨質(zhì)的形成。研究發(fā)現(xiàn)地塞米松通過下調(diào)磷酸化c-Jun蛋白和磷酸化的p46同型Jun N端激酶來下調(diào)OB中OPG的表達,同時上調(diào)RANKL基因的表達。張彥秋等[27]的實驗動物研究顯示使用高劑量糖皮質(zhì)激素后RANKL蛋白表達水平明顯升高,OPG蛋白表達水平明顯下降,同時大鼠骨組織中骨小梁紊亂并存在骨折,脂肪細胞空泡變性,骨髓腔水腫,造血細胞稀少,骨小梁周邊OB數(shù)量減少,多核OC增多。說明大劑量糖皮質(zhì)激素誘發(fā)了骨質(zhì)疏松的發(fā)生。研究結(jié)果表明hRANKL敲除老鼠,通過抑制OPG/RANKL/RANK能防止激素性骨量減少和強度下降。綜上,糖皮質(zhì)激素不僅能促進OC生成和抑制OPG產(chǎn)生,并且刺激OB譜系產(chǎn)生OPG受體,與RANKL競爭OPG,從而促進骨的吸收導(dǎo)致骨量減少,骨強度降低。
6、OPG/RANKL/RANK信號通路在抗骨質(zhì)疏松治療藥物中的研究進展
OPG/RANKL/RANK信號通路是調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收的關(guān)鍵信號通路,其在調(diào)節(jié)骨代謝方面的作用使其相關(guān)信號分子成為預(yù)防和控制OP備受關(guān)注的治療靶點。外源性的OPG、Fc-OPG、抗RANKL抗體及RANK-Fc融合蛋白等拮抗劑能夠有效地抑制RANKL對OC的作用。外源性O(shè)PG可抑制諸多刺激OC的因素從而抑制動物和人體的各種骨質(zhì)疏松模型。用重組OPG是提高OPG含量最直接的途徑之一,基因重組OPG應(yīng)用于卵巢切除小鼠骨質(zhì)疏松模型,其脛骨骨密度有明顯升高。研究證實重組的OPG與抗體Fc段融合的鑲嵌抗體OPG-Fc,具有抗骨吸收的作用,對OC的發(fā)育、分化和存活具有多重效應(yīng),能呈劑量依賴性抑制絕經(jīng)后婦女骨吸收。通過基因轉(zhuǎn)染技術(shù)治療腫瘤和骨吸收等代謝性骨病中骨改建速率有一定的進展,研究證實OPG與RANKL基因轉(zhuǎn)染技術(shù)的應(yīng)用能顯著增強成骨及骨改建的速率。此外,RANKL全人源單抗denosumab已進入臨床階段,用于低骨量骨質(zhì)疏松女性,能顯著降低絕經(jīng)后婦女的骨轉(zhuǎn)換標志物水平,增加其骨密度。
7、結(jié)語
OP及其并發(fā)癥給社會帶來了嚴重的精神及經(jīng)濟負擔,而OP的控制與治療相當有限,故OP的發(fā)病機制及防治受到了越來越多的醫(yī)生和研究者的關(guān)注。OPG/RANKL/RANK信號通路是近幾年骨細胞分子生物學(xué)領(lǐng)域最為重要的發(fā)現(xiàn)之一,OPG/RANKL/RANK信號通路與OC的分化、活化及成熟之間存在著密切的關(guān)系,并且調(diào)控著OC骨吸收作用及OB骨形成作用之間的平衡,這為OP提供潛在的以細胞為基礎(chǔ)的治療新途徑。該信號通路的發(fā)現(xiàn)不僅闡明了OP的發(fā)病機理,而且其在骨骼正常生理活動中扮演著重要的角色,與多種骨疾病密切相關(guān),深入研究此信號通路的調(diào)控機制,有助于新藥的研發(fā)和治療手段的更新。
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