陳天寧 霍凱倫 邵進

骨組織正常結構和功能的維持可受多種因素影響，而骨代謝失衡是引起骨量異常改變的直接原因[1]。目前，臨床上有多種骨科疾病與局部或全身骨代謝異常相關，包括骨質疏松癥(OP)、骨不連、異位骨化、骨折延遲愈合和進行性骨化性肌炎等[2-4]，可嚴重影響老年患者的生存質量，并增加社會和家庭的經濟負擔。

近年來隨著測序技術的發(fā)展，諸多與骨代謝調節(jié)相關的蛋白不斷被發(fā)現，它們與多種骨代謝疾病的進展密切相關[5-6]。研究發(fā)現，骨活素（OA）作為骨組織中的一種新型成骨因子，主要與骨代謝微環(huán)境中的細胞分化和基質骨化相關，并可在骨代謝過程中發(fā)揮復雜而精密的正向調控作用[7-9]。

1 OA的特征

OA也被稱為非轉移性黑色素瘤糖蛋白B（GPNMB）、造血生長因子誘導的神經激肽-I型、樹突狀細胞肝素整合素配體等。OA最早在非轉移性黑素瘤細胞中發(fā)現，且已被證實能夠抑制胃癌等腫瘤細胞的增殖和遷移[10-11]。也有研究發(fā)現，OA可在骨硬化模型中顯著高表達，并可正向調控成骨細胞[12]。OA的編碼基因是位于7p15位點的GPNMB基因，其中有11個在種屬進化過程中高度保守的外顯子。作為Ⅰ型糖蛋白，OA相對分子質量為63923 Da，并有分泌型和跨膜型兩種亞型，分別含有572和560個氨基酸殘基，主要分布于細胞膜和溶酶體膜處。OA可分為胞內區(qū)、胞外區(qū)和跨膜區(qū)，胞外區(qū)主要有NECl/NEC2分裂位點、多肽C末端酰胺化位點以及N端或O端糖基化位點等12個糖基化位點；胞內區(qū)則主要有分選信號和內化信號、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）作用模體、糖原合酶激酶(GSK) 3磷酸化識別位點等[13-15]。

OA可在骨組織、脂肪組織、心臟、腎臟、部分癌細胞、星形膠質細胞和巨噬細胞等多種組織、器官及細胞中表達[15-19]。在不同的物種、組織及細胞類型及其不同的發(fā)育階段或疾病進程中，OA的表達均存在一定差異[20-21]。在骨硬化鼠模型中，骨組織中的OA水平可較正常升高3～4倍。人原代成骨細胞系的OA表達，雖然在增殖期仍處于較低水平，但隨著細胞的不斷分化和細胞外基質的逐步成熟會逐漸升高，且在骨化期呈顯著高表達[13]。骨折損傷組織中的OA表達水平在愈合過程的不同階段也有差異，具體表現為在傷后第3天開始表達，第10天達到峰值，第21天開始下降[21]。

目前認為，OA不但可以參與調節(jié)細胞的黏附和遷移、增殖和分化、功能發(fā)揮以及局部損傷組織的再修復等多種機體生理過程，而且可以發(fā)揮調節(jié)激酶信號轉導通路等作用[22-23]。已有證據表明，神經性炎癥可能與OA表達相關。很多研究都發(fā)現，OA能夠下調白細胞介素（IL）-6、腫瘤壞死因子-α和IL-12等炎性因子和上調IL-10等抗炎因子，從而抑制其他類型的炎癥發(fā)展[14,24]。研究表明，OA作為主要的骨代謝正向調節(jié)因子，不但能夠促進成骨細胞分化，加快骨基質礦化，而且可以促進成纖維細胞的活化和增殖，從而加快骨折愈合[7-8]。此外，OA不但能夠維持巨噬細胞M1/M2型之間的平衡，而且能夠促進造血細胞和淋巴細胞等成熟，降低T淋巴細胞的活化能力[25-26]。OP、骨折延遲愈合和骨不連等臨床常見的骨代謝性疾病在發(fā)展過程中均會出現一定程度的炎癥反應，導致局部免疫功能失衡，進而直接影響局部的免疫因子水平，并對成骨細胞及破骨細胞發(fā)揮相應的調控作用[27]。我們的研究也發(fā)現，絕經后骨質疏松癥（PMOP）患者外周血單核細胞中的OA呈明顯低表達，而CD14+單核細胞中的OA能夠負向調控Th17細胞中核因子κB受體激活因子配體（RANKL）等與破骨細胞分化和功能相關分子的表達，從而發(fā)揮骨保護作用。

2 OA對骨組織細胞的作用及其在骨代謝中的功能

2.1 OA對成骨細胞分化和功能的正向調控

成骨細胞是骨發(fā)育和形成過程的關鍵功能單位，其發(fā)育過程主要包括增殖、分化、成熟和基質礦化等時期[28]。在骨代謝過程中，成骨細胞主要參與骨基質的合成和骨化，成熟的成骨細胞能夠合成、分泌胞外基質并形成類骨質，類骨質則在成骨細胞的介導下完成羥磷灰石沉積的礦化過程[29]。成骨細胞在調控成骨過程中可受多種激素和細胞因子等影響。

近年的研究發(fā)現，OA作為一種新型糖蛋白，在成骨細胞分化過程中表達明顯上調，是成骨細胞分化后期和基質礦化過程中的重要調節(jié)因素[7]。骨重塑和骨改建過程均涉及成骨和血管生成之間的相互偶聯，OA不但能夠以劑量依賴的方式誘導靜脈內皮細胞增殖和遷移、成纖維細胞生長因子受體-1磷酸化、成骨細胞分化以及體外和體內毛細血管形成，而且可以使顱骨缺損模型局部的血管和新骨形成明顯增加[30-31]。當小鼠體內OA過表達時，骨形成和體外骨祖細胞分化為成骨細胞的能力均明顯增強；而當小鼠體內發(fā)生OA功能喪失性突變或使用外源性抗OA抗體時，堿性磷酸酶活性、骨鈣素和鈣沉積等與骨形成和體外成骨細胞分化相關的指標水平則顯著下降[8,32]。上述結果均表明，OA作為骨代謝的調節(jié)過程中的正向調節(jié)因子，能夠在調節(jié)成骨細胞分化及其功能中發(fā)揮重要作用。

在正常人體生理狀態(tài)下，諸多信號轉導通路可參與骨穩(wěn)態(tài)的維持，其中包括核因子-κB受體激活因子（RANK）/RANKL/骨保護素（OPG）、Wnt/β-連環(huán)蛋白（β-catenin）、骨形成蛋白（BMP）/Smad、MAPK等多條經典信號轉導通路[33-34]。但目前OA介導成骨的分子機制尚不明確。早期研究認為，OA是促進C2C12成肌干細胞成骨分化的關鍵因素，OA過表達能夠顯著提升C2C12成肌干細胞中局部粘著斑激酶（FAK）的磷酸化水平，從而促進C2C12成肌干細胞定向分化為成骨細胞[35]。在OA誘導骨髓間充質干細胞（BMSC）成骨分化的過程中，miR-26b上調能夠直接靶向激活GSK3β/β-catenin并激活經典Wnt信號轉導通路，從而發(fā)揮協(xié)同作用[36-37]。在成骨細胞分化過程中，BMP-2能夠誘導Smad1的磷酸化，后者與OA啟動子的Smad1反應元件相結合后，能夠促進OA轉錄，高水平的OA不僅能夠增加成骨細胞中堿性磷酸酶的活性，促進成骨細胞分化，同時還能促進鈣結節(jié)形成、基質礦化和骨鈣素分泌[38]。另有研究證實，OA能夠通過上調整合素β1并激活細胞外信號調節(jié)激酶（ERK）/MAPK通路來促進成骨細胞的分化和功能[39]?？偠灾?，OA作為成骨細胞中的正向調控因子，能夠促進成骨細胞分化及其功能的發(fā)揮。因此，OA有望作為OP、骨折不愈合等疾病的潛在治療靶點。

2.2 OA對破骨細胞分化及功能的調節(jié)

骨代謝平衡的維持有賴于骨形成與吸收過程的相互偶聯，以及成骨細胞和破骨細胞的功能均保持穩(wěn)定[40]。破骨細胞在生理狀態(tài)下主要發(fā)揮骨改建功能，而病理條件下可造成骨質大量丟失[33]。眾所周知，OA能夠靶向作用于成骨細胞，是促進骨形成的有效調節(jié)劑。但有研究認為，OA也是一種新型破骨細胞蛋白，可在成熟破骨細胞中高表達，并且可因受到RANKL激活而上調[30,41]。

破骨細胞的增殖分化及其功能發(fā)揮均受OA表達水平影響。體外實驗研究發(fā)現，破骨細胞來源的OA可以提升破骨細胞活性及其骨吸收能力，是破骨細胞功能發(fā)揮的新型激動劑。小鼠破骨細胞OA轉基因模型研究也證實，OA的靶向過表達不但能增加破骨細胞的體積和細胞核數量，促進細胞間融合，而且能夠促進破骨細胞中基質金屬蛋白酶（MMP）9、整合素金屬蛋白酶（ADAM）12、降鈣素受體等基因的表達[41-42]。目前認為，破骨細胞來源的OA雖然不是破骨細胞的主要調節(jié)劑，但是能夠在一定程度上通過RANKL促進破骨細胞的融合和活化。也有研究發(fā)現，OA不但具有調節(jié)破骨細胞分化的能力，同時能夠在一定程度上增強破骨細胞的吸收能力，從而增加局部骨質流失。OA突變能夠誘導成骨細胞合成和分泌RANKL，從而促進破骨細胞生成和功能；此外，當OA上調細胞內MAPK磷酸化水平時，破骨細胞的分化能力就會增強，破骨細胞生成因子的表達水平也會提升。OA還可以通過蛋白激酶B（AKT）-GSK 3β通路和調節(jié)B淋巴細胞瘤-2基因（BCL2）和細胞死亡調節(jié)子Bim表達來提高破骨細胞的存活率[43]。整合素已被證實與破骨細胞的調節(jié)相關[44]。硫酸軟骨素E能夠通過阻斷OA與硫酸肝素蛋白多糖和整合蛋白αvβ3之間的相互作用，從而使OA在破骨細胞分化時發(fā)揮負向調控功能[45]。近年的研究結果顯示，OA能夠以劑量依賴的方式抑制破骨祖細胞向破骨細胞分化，而CD44+細胞可參與OA抑制破骨細胞生成的整個過程，表現為敲除破骨細胞中的 CD44后，OA對破骨細胞分化和募集的抑制作用即被解除。此外，由OA特異性抑制的RANKL介導的ERK激活和破骨細胞分化過程也由CD44介導。因此，OA能夠通過CD44受體抑制破骨細胞中的ERK信號轉導通路[46]。此外，脛骨延長小鼠模型研究也發(fā)現，新生骨組織中的OA表達在整個成骨過程中均顯著增加，且OA能夠減少破骨細胞對損傷組織的吸收[47]。我們的研究也發(fā)現，在PMOP患者外周血或C57BL/6小鼠脾臟的CD14+單核細胞中，OA過表達能夠顯著抑制RANKL+Th17細胞介導的破骨細胞活化和功能發(fā)揮。在對OA介導破骨細胞功能的研究中，不同的報道顯示了矛盾的結果，其可能原因如下：首先，在體外細胞實驗中，由于影響因素單一、作用體系簡單，OA可能直接介導破骨細胞表面受體的活性，從而影響破骨細胞的分化和功能；其次，在體內介導間充質干細胞分化時，OA可能處于更為復雜的體系中，通過成骨細胞及間充質干細胞的影響間接引起破骨細胞改變。

基于近期的研究數據，我們更有理由認為，OA可能是通過RANKL等信號轉導通路調控破骨細胞分化和活性的。因此，我們更應該關注OA在成骨細胞和破骨細胞中的雙重作用，并綜合探究在人體復雜條件下OA調節(jié)骨代謝的深層機制。

2.3 OA對其他細胞的影響

在介導骨代謝過程中，OA除能夠調控成骨細胞和破骨細胞外，還具有調節(jié)間充質干細胞和成纖維細胞等的功能。在骨折愈合過程中，血腫機化后能夠形成豐富的纖維骨痂，同時成纖維細胞也發(fā)揮一定的成骨作用[48]。有研究認為，成纖維細胞不但具有成骨細胞的表型，而且能為成骨提供鈣化過程所必需的鈣，同時能夠分泌鈣化基質和膠原纖絲，因此成纖維細胞的功能可以滿足骨形成所需要的全部要求[49-51]。近年的研究發(fā)現，成纖維細胞的成骨能力可受PDZ-LIM結構域蛋白（PDLIM）5、Toll樣受體（TLR）2、TLR4以及Wnt/β-catenin信號轉導通路等諸多因素的調節(jié)[52-54]。OA是成纖維細胞活化過程中的重要靶點。早期學者認為，OA能夠在骨折部位成纖維細胞的成骨過程中發(fā)揮關鍵作用[13,16]。有關牽張成骨的研究發(fā)現，被OA明顯上調的成纖維細胞能夠滲入截骨部位，促進骨延長[47]，但其介導成纖維細胞成骨效應的具體機制仍有待進一步研究。

目前，越來越多的細胞因子被證實可參與骨形成的調節(jié)過程。OA能夠誘導并增強間充質干細胞的成骨分化能力，并可促進骨形成過程。過表達OA的C2C12成肌細胞能夠明顯提高細胞中FAK的磷酸化水平和骨特異性標志物的表達水平，并下調骨骼肌標志物成肌細胞融合蛋白（MF）-20的表達，從而誘導成肌細胞分化為成骨細胞[35]。該效應也在BMSC中得到驗證，BMSC來源的GPNMB外泌體，能夠靶向激活Wnt/β-catenin信號轉導通路，促進BMSC的增殖和成骨分化，從而減輕卵巢切除術誘導的PMOP大鼠模型的骨丟失[9]。

3 結語

骨代謝穩(wěn)態(tài)的維持是多種因子共同參與的過程，明確骨代謝調控通路中的高效靶點，將對OP、異位骨化和骨折不愈合等骨代謝性疾病的診療具有重要意義。早期認為，OA在骨代謝中主要作為正向調控因子，可介導成骨細胞增殖分化和功能，從而發(fā)揮成骨效應。而近年來的研究發(fā)現，OA不但能夠調節(jié)成骨細胞，而且能夠作為一種新型破骨細胞蛋白，調節(jié)破骨細胞分化及其活性。另有研究表明，OA對間充質干細胞和成纖維細胞也有一定的促成骨作用。在骨代謝過程中，OA對不同細胞的調節(jié)，可能取決于與其配體及細胞類型。OA在骨代謝調節(jié)過程中的機制尚需深入研究，以便為骨代謝性疾病的精準靶向防治提供可能，同時為高效靶向新藥的研發(fā)提供理論支持。