牛娜，王麗，楊娓霞，趙乃倩

1山西醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院內(nèi)分泌科，太原 030001；2山西醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院老年科

骨質(zhì)疏松癥是以骨密度降低、骨組織微結(jié)構(gòu)破壞和骨折風(fēng)險增加為特征的一種多因素疾病。遺傳學(xué)研究表明，高達(dá)80%的骨密度群體變異是由遺傳因素決定的［1］。研究顯示，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5（LRP5）基因突變是骨質(zhì)疏松—假性神經(jīng)膠質(zhì)瘤綜合征（OPPG）和常染色體顯性高骨量表型相關(guān)疾病的發(fā)病基礎(chǔ)［1-2］。LRP5是一種細(xì)胞表面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體，由1 615個氨基酸組成，可分為胞外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域三部分［1］：氨基端胞外結(jié)構(gòu)域依次由信號肽、四個YWTD型β螺旋槳結(jié)構(gòu)域和三個LDLR配體結(jié)合基序組成；跨膜結(jié)構(gòu)域是由23個氨基酸組成的一重跨膜結(jié)構(gòu)域；羧基端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域含有207個氨基酸，含有16%的脯氨酸殘基、15%的絲氨酸殘基和5個重復(fù)的PPP（S/T）P基序［3-4］。有研究指出，LRP5基因突變可能是骨質(zhì)疏松癥的重要原因［5-6］。在部分原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥而無眼部病變的兒童和成人患者中，存在LRP5基因雜合錯義突變。LRP5單核苷酸多態(tài)性與年輕人群的骨密度改變密切相關(guān)，并可能最終影響峰值骨量的獲得；在老年人群中，LRP5基因突變與骨質(zhì)疏松性骨折密切相關(guān)［7］。因此，LRP5可能是一般人群骨質(zhì)疏松癥的易感基因。了解LRP5調(diào)節(jié)骨量的機(jī)制及其影響因素，有助于開發(fā)評估骨質(zhì)疏松癥、骨折風(fēng)險的遺傳標(biāo)志物，研發(fā)防治骨質(zhì)疏松癥和其他低骨量疾病的新方法?，F(xiàn)就LRP5調(diào)節(jié)骨量的作用機(jī)制及其影響因素相關(guān)研究進(jìn)展綜述如下。

1 LRP5調(diào)節(jié)骨量的機(jī)制

1.1 LRP5激活經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路在細(xì)胞膜上，配體蛋白質(zhì)Wnt與LRP5和Frizzled受體家族成員結(jié)合，誘導(dǎo)LRP5和Frizzled胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域發(fā)生構(gòu)象變化。變構(gòu)的LRP5胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域募集Frat1、Axin、結(jié)腸腺瘤樣息肉（APC）和糖原合成酶激酶（GSK）-3β等胞內(nèi)蛋白，形成Frat1-Axin-APCGSK-3β蛋白復(fù)合體。其中，Axin充當(dāng)支架結(jié)構(gòu)，F(xiàn)rat1為GSK-3β結(jié)合蛋白，可抑制GSK-3β的活性。變構(gòu)的Frizzled胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域募集Dissheveled，后者也可抑制GSK-3β的活性。GSK-3β活性抑制可抑制β-catenin磷酸化，使得β-catenin不能與Axin、APC和GSK-3β形成Axin-APC-GSK-3β-β-catenin降解蛋白復(fù)合體，使β-catenin免于被蛋白酶體降解。β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中蓄積并轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，與轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子相互作用，調(diào)節(jié)堿性磷酸酶和間隙連接蛋白等靶基因的轉(zhuǎn)錄［3，8］。LRP5/Wnt/β-catenin信號通路組成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式見圖1。

圖1 LRP5/Wnt/β-catenin信號通路組成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式（改編自參考文獻(xiàn)［3］）

骨經(jīng)典Wnt/β-catenin效應(yīng)的靶細(xì)胞主要是成骨細(xì)胞，可調(diào)節(jié)骨內(nèi)膜和骨髓基質(zhì)內(nèi)間充質(zhì)始祖細(xì)胞向成骨細(xì)胞定型和分化，并影響成骨細(xì)胞的增殖和功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨形成和骨重塑［9］。此外，成骨細(xì)胞經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路的靶基因骨保護(hù)素也是NF-κB受體活化因子（RANKL）的誘餌受體，通過與RANKL的相互作用阻斷破骨細(xì)胞的RANKL骨分解代謝通路，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的分化和功能。這表明成骨細(xì)胞經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路對破骨細(xì)胞的分化和功能具有間接的調(diào)節(jié)作用［10］。

值得注意的是，成骨細(xì)胞經(jīng)典Wnt/β-catenin效應(yīng)主導(dǎo)的骨形成和骨重塑過程離不開能量代謝的支持。成骨細(xì)胞經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路的活化可誘導(dǎo)脂肪酸β氧化所需關(guān)鍵酶的表達(dá)，通過增強(qiáng)成骨細(xì)胞的脂肪酸β氧化促進(jìn)骨形成和骨重塑，同時伴有全身脂肪酸β氧化增強(qiáng)引起的機(jī)體脂肪減少、能量消耗增加及血甘油三酯和游離脂肪酸水平下降等表現(xiàn)［11-12］。LRP5和Wnt也可以β-catenin非依賴的方式激活成骨細(xì)胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子Rac1，進(jìn)而激活其下游的mTORC2/AKT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，誘導(dǎo)糖酵解關(guān)鍵酶的表達(dá)，通過增強(qiáng)有氧糖酵解促進(jìn)骨形成和骨重塑，上調(diào)血清乳酸水平［11，13］。

1.2 LRP5抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路5-羥色胺（5-HT）是一種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，不能通過血腦屏障，其對骨量的調(diào)節(jié)作用因合成部位不同而異，中樞部位的5-HT可促進(jìn)骨形成，而外周部位的5-HT可抑制骨形成［14］。中樞部位的5-HT是由腦干中縫核的突觸前神經(jīng)元合成的，其對骨量的調(diào)節(jié)作用不依賴于LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路。大部分外周5-HT是由十二指腸內(nèi)特化的神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞腸嗜鉻細(xì)胞合成的［14］。LRP5可抑制腸嗜鉻細(xì)胞中催化5-HT合成的限速酶色氨酸羥化酶1（TPH1）表達(dá)，抑制5-HT的合成，使外周5-HT水平降低。而外周5-HT可與成骨細(xì)胞前體細(xì)胞上的5-HT受體1B（5-HTR1B）結(jié)合，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子叉頭框蛋白O1（FOXO1）與cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）結(jié)合及FOXO1與激活轉(zhuǎn)錄因子4（ATF4）結(jié)合之間的平衡，調(diào)節(jié)FOXO1的轉(zhuǎn)錄活性。FOXO1與CREB結(jié)合可促進(jìn)骨形成，F(xiàn)OXO1與ATF4結(jié)合則抑制骨形成。外周5-HT的增加通過抑制FOXO1與CREB的結(jié)合，增強(qiáng)FOXO1與ATF4的結(jié)合，抑制細(xì)胞周期蛋白D1、D2、E3等靶基因表達(dá)，從而抑制成骨細(xì)胞增殖和骨形成［14-18］。LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路組成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式見圖2。

圖2 LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路組成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式

2 LRP5調(diào)節(jié)骨量作用的影響因素

2.1 LRP5/Wnt/β-catenin信號通路的影響因素LRP5是經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)骨量的關(guān)鍵因子，LRP5表達(dá)水平會對其骨量調(diào)節(jié)功能產(chǎn)生影響。LRP5在人結(jié)直腸癌組織中的表達(dá)受LRP5基因啟動子甲基化的調(diào)控。腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白1可通過降低LRP5基因啟動子甲基化水平從而誘導(dǎo)LRP5表達(dá)［19］，但這一調(diào)控機(jī)制在成骨細(xì)胞中的作用尚不明確。在LRP5 TSS下游的+19 kb區(qū)域有維生素D受體的反應(yīng)元件（VDRE），VDRE與VDR和維甲酸X受體（RXR）形成的異源二聚體結(jié)合后具有基因轉(zhuǎn)錄功能。1，25-二羥維生素D3［1，25-（OH）2D3］可通過誘導(dǎo)VDR/RXR異源二聚體的形成，促進(jìn)成骨細(xì)胞LRP5表達(dá)［20-21］。

LRP5的不同結(jié)構(gòu)域具有結(jié)合不同調(diào)節(jié)蛋白的特性，這些調(diào)節(jié)蛋白是調(diào)節(jié)LRP5/Wnt/β-catenin信號通路的重要因素［1，3，8，22］。Wnt是LRP5的配體，與LRP5的第二β螺旋槳結(jié)構(gòu)域結(jié)合以啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。中胚層發(fā)育蛋白（MESD）可能是一種主要與LRP5第一β螺旋槳結(jié)構(gòu)域相互作用的伴侶蛋白，可促進(jìn)LRP5由細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運，是LRP5定位至細(xì)胞膜所必需的。Dickkopf1（DKK1）和骨硬化蛋白（Sclerostin）是兩種糖蛋白，DKK1可與LRP5第三β螺旋槳結(jié)構(gòu)域結(jié)合，同時與Kremen受體結(jié)合形成三聚體，誘導(dǎo)LRP5快速內(nèi)吞并從質(zhì)膜上去除，減少細(xì)胞膜上的LRP5，抑制Wnt信號向胞內(nèi)傳遞。Sclerostin可與LRP5的第一和第二β螺旋槳結(jié)構(gòu)域結(jié)合，使Wnt配體與LRP5結(jié)合受阻，進(jìn)而抑制Wnt/βcatenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。LRP5胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域可結(jié)合Axin和Frat1以促進(jìn)Wnt信號在胞內(nèi)傳遞［23］。LRP5胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域中的PPP（S/T）P基序是Axin的結(jié)合位點。LRP5羧基末端47個氨基酸構(gòu)成的區(qū)域包含三個重復(fù)的PPP（S/T）P基序，但這些PPP（S/T）P基序并不參與LRP5與Frat1的結(jié)合，這一區(qū)域中1 569～1 588氨基酸殘基構(gòu)成的亞區(qū)域是Frat1的結(jié)合位點。Frat1可通過使Axin與GSK-3β解離，抑制GSK-3β的活性，進(jìn)而減少β-catenin的降解。

迄今為止，OPPG相關(guān)LRP5功能缺失型突變分布于LRP5蛋白的各個結(jié)構(gòu)域，但超過90%的突變位于胞外結(jié)構(gòu)域［24］。LRP5有害突變可導(dǎo)致體內(nèi)無法合成LRP5蛋白或合成截短的LRP5蛋白，使Wnt信號無法向胞內(nèi)傳遞，進(jìn)而引起低骨量改變。LRP5有害突變也可損傷LRP5的結(jié)構(gòu)與功能。LRP5結(jié)構(gòu)改變可能影響LRP5與MESD的結(jié)合，LRP5不能有效向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運，使細(xì)胞膜上的LRP5不能達(dá)到應(yīng)有的數(shù)量，導(dǎo)致Wnt信號活性減弱。LRP5結(jié)構(gòu)改變還可能影響LRP5與Wnt配體的結(jié)合，導(dǎo)致Wnt信號活性減弱。LRP5功能獲得型突變均位于第一β螺旋槳結(jié)構(gòu)域，可能通過減少LRP5與Sclerostin或DKK1的結(jié)合，削弱Sclerostin或DKK1對Wnt信號的拮抗作用，導(dǎo)致骨形成增加［24］。

2.2 LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的影響因素誘導(dǎo)LRP5表達(dá)的因素可抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和骨形成。TPH1抑制劑LP533401不易通過血腦屏障，主要作用于腸嗜鉻細(xì)胞，通過減少外周5-HT的合成促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，從而治療卵巢切除小鼠和LRP5缺乏小鼠的骨質(zhì)疏松癥［25］。選擇性5-HT再攝取抑制劑（SSRIs）通過抑制5-HT轉(zhuǎn)運體、增加5-HT的利用率，導(dǎo)致進(jìn)入循環(huán)的5-HT增加，這可能是使用SSRIs治療的患者骨折風(fēng)險增高的原因［26］。除此之外，影響5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的因素還有低色氨酸飲食、5-HT受體拮抗劑和5-HT受體激動劑［16，27］，這些因素或通過降低5-HT水平、阻斷5-HT的作用，或通過增強(qiáng)5-HT的作用來調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖和骨形成，但上述調(diào)節(jié)作用都不是通過改變LRP5表達(dá)或改變LRP5對TPH1表達(dá)的調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)的。

研究顯示，LRP5純合功能缺失型突變、復(fù)合雜合功能缺失型突變及雜合功能缺失型突變患者在罹患早發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的同時，血清5-HT水平明顯升高［27-30］；而LRP5功能獲得型突變患者在骨量顯著增加的同時，血清5-HT水平明顯降低［27，29，31］。這表明LRP5基因突變可能通過改變5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的活性調(diào)節(jié)骨形成，但LRP5基因突變對5-HT表達(dá)的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

綜上所述，LRP5是骨質(zhì)疏松癥的易感基因，能夠激活經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路，抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路，從而促進(jìn)骨形成、增加骨量。人群中存在著復(fù)雜的LRP5基因突變［32］，這些基因突變可通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路和5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路功能［33-34］。然而，每位因LRP5基因突變而發(fā)生骨量改變的個體，其背后的發(fā)病機(jī)制可能都是不一樣的，需要在基因型確定后進(jìn)一步明確其功能和具體的致病機(jī)制，開展個體化治療。隨著Sclerostin、DKK1等調(diào)節(jié)蛋白作用機(jī)制的闡明，針對Sclerostin和DKK1的單克隆抗體相繼問世，有望為骨質(zhì)疏松癥的治療提供更多選擇［18，35］。此外，LRP5單核苷酸多態(tài)性與年輕人群峰值骨量的獲得和老年人群骨質(zhì)疏松性骨折風(fēng)險密切相關(guān)，而1，25-（OH）2D3可誘導(dǎo)LRP5表達(dá)，提示對于LRP5功能未完全受損的人群盡早使用維生素D治療，可能會通過增加LRP5表達(dá)進(jìn)行代償，從而有效預(yù)防和延緩LRP5相關(guān)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生和發(fā)展。