陳靖綜述 何葦審校

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，貴州 遵義 563000

初級纖毛(primary cilia，PC)是感知和傳導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外信號從而調(diào)節(jié)細(xì)胞行為的基本感官細(xì)胞器[1]。在20世紀(jì)60 年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞中存在纖毛[2]。隨后的研究表明，纖毛也存在于成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞中。頜面骨從胚胎發(fā)育以及發(fā)育完成后不斷重塑改建以適應(yīng)和滿足外界環(huán)境變化的一切骨行為都被視為一動態(tài)過程。而PC在頜面骨發(fā)育及改建過程中則扮演著敏感、平衡的角色[3-4]。PC被認(rèn)為是胚胎骨發(fā)育和維持出生后生長板軟骨和關(guān)節(jié)軟骨生長發(fā)育的化學(xué)傳感器和機(jī)械傳感器[5-6]。許多信號通路如Hedgehog (HH)和Wnt 信號通路的傳導(dǎo)與PC密切相關(guān)，而且是骨骼發(fā)育所必需。目前，越來越多的研究已將骨發(fā)育與PC 功能聯(lián)系起來。本文旨在綜述PC在骨發(fā)育中的作用，特別是PC依賴?yán)w毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)(intraflagellar Transport，IFT)系統(tǒng)層面與骨和軟骨形成之間的調(diào)控關(guān)系，以期最終可能為骨骼和頜面骨發(fā)育畸形和相關(guān)骨疾病的修復(fù)提供新的思路。

1 PC

PC又稱靜纖毛，是突出于細(xì)胞膜表面的一種高度分化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，較為普遍的存在于多種非造血組織細(xì)胞的細(xì)胞膜表面[7]。每個(gè)細(xì)胞只有一根PC，相較于動纖毛而言，PC缺乏運(yùn)動所需的兩個(gè)單中心為微管和動力蛋白臂，因此PC 缺乏合成其自身組裝和維持所需蛋白質(zhì)的能力，故需要依賴于纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)(intraflagellar transport，IFT)家族蛋白來進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。IFT最早是在固定的衣藻鞭毛內(nèi)發(fā)現(xiàn)，在其他不同物種中也被研究過，發(fā)現(xiàn)它的基本行為都是較保守的。Kozminski 等[8]檢測了綠藻衣藻鞭毛中軸絲相關(guān)的運(yùn)動，這是一個(gè)公認(rèn)的纖毛研究模型，這種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制即被稱為IFT。

纖毛發(fā)生過程中，軸絲的伸長和細(xì)胞膜的突起形成PC。軸絲構(gòu)建和纖毛膜蛋白需要排列在特定結(jié)構(gòu)中，以確保PC 發(fā)揮正確功能，因此蛋白合成需要很好的調(diào)控。蛋白質(zhì)的生物合成發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并通過高爾基體輸送到PC，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)到達(dá)PC的基底部時(shí)，蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制是保證纖毛蛋白質(zhì)正確轉(zhuǎn)運(yùn)和排列的關(guān)鍵。IFT蛋白不僅負(fù)責(zé)調(diào)控初級纖毛內(nèi)物質(zhì)的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)，還負(fù)責(zé)介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)與PC 之間的各種信號分子的傳遞及交換運(yùn)輸。根據(jù)生化特性和運(yùn)輸方向的不同，IFT 蛋白被分為兩大類，即IFT-A 復(fù)合體和IFT-B復(fù)合體[9]。其中IFT-A復(fù)合體在Dynein-2 的驅(qū)動下主要介導(dǎo)由纖毛頂部向基底部的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)(retrograde)，IFT 蛋白包括IFT144、IFT140、IFT139、IFT122、IFT121和IFT43，而IFT-B復(fù)合體在kinesin-2的幫助下主要介導(dǎo)由纖毛基底部向頂部的順向轉(zhuǎn)運(yùn)(antero-grade)，IFTB 蛋白有IFT172、IFT88、IFT81、IFT80、IFT74/72、IFT57/55、IFT52、IFT46、IFT27、IFT20[10-11]。由于初級纖毛必需通過IFT 蛋白介導(dǎo)信號分子蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)，IFT 是負(fù)責(zé)調(diào)控纖毛內(nèi)物質(zhì)雙向運(yùn)輸?shù)募易宓鞍祝ㄟ^與軸絲連接介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)與纖毛之間物質(zhì)的交換運(yùn)輸，并持續(xù)工作。因此IFT 中任何一個(gè)蛋白的缺失都有可能導(dǎo)致初級纖毛異常，從而出現(xiàn)多種發(fā)育和細(xì)胞信號缺陷，形成纖毛相關(guān)疾病。如神經(jīng)退行性疾病、肥胖、失明、多囊腎、多指畸形、癌癥及代謝紊亂等.

2 骨骼的生長發(fā)育

骨骼的生長在人的一生中可以分為兩個(gè)基本過程，始于幼年骨發(fā)育，骨重塑于成年后并伴隨終生。在幼年骨發(fā)育過程中，骨的形狀以及大小的變化使得機(jī)體適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷。成年后，骨骼系統(tǒng)始終處于一種動態(tài)平衡中，在這過程中由成骨細(xì)胞形成和破骨細(xì)胞吸收來維持這種平衡狀態(tài)，兩者成年后骨動態(tài)平衡的過程就是骨重塑的過程。骨重建對骨穩(wěn)態(tài)的維持和骨骼損傷的修復(fù)至關(guān)重要，骨形成和骨吸收的平衡一旦被打破，就可能造成骨質(zhì)疏松等疾病[12]。

頜面骨在胚胎時(shí)期主要由神經(jīng)嵴細(xì)胞和中胚層細(xì)胞發(fā)育而來[13]。骨骼都是由間充質(zhì)細(xì)胞發(fā)育而來，間充質(zhì)細(xì)胞在生長因子的調(diào)控下分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞等。脊椎動物的骨骼有兩種主要發(fā)育機(jī)制：一種是膜內(nèi)成骨，頜面骨中的上頜骨及下頜骨體的生長發(fā)育就是以膜內(nèi)成骨方式進(jìn)行，表現(xiàn)為骨縫的沉積和表面骨的改建；而下頜支和顳下頜關(guān)節(jié)中的髁突則是通過另一種軟骨內(nèi)成骨的方式進(jìn)行[14]。顳下頜關(guān)節(jié)是由下頜骨的髁突、顳骨的關(guān)節(jié)面以及之間的關(guān)節(jié)盤構(gòu)成。髁突在下頜骨關(guān)節(jié)運(yùn)動功能行使中作為直接負(fù)載的結(jié)構(gòu)、在出生后的下頜骨生長發(fā)育中都扮演著發(fā)源地的角色。行使說話及咀嚼功能時(shí)，需要髁突軟骨來保持下頜的平穩(wěn)運(yùn)動，髁突軟骨下骨是髁突骨改建與骨重塑的最終呈現(xiàn)區(qū)域，其富含神經(jīng)血管，感受應(yīng)力的同時(shí)為軟骨提供營養(yǎng)，在解剖結(jié)構(gòu)上具有更活躍的改建基礎(chǔ)。軟骨是骨骼系統(tǒng)的重要組成部分，具有分泌軟骨基質(zhì)、緩沖應(yīng)力沖擊、承載重量、維持關(guān)節(jié)正?；顒拥泉?dú)特功能。軟骨細(xì)胞是軟骨組織中的主要細(xì)胞，高度分化、增殖和再分化的能力有限。軟骨細(xì)胞具有生物力學(xué)反應(yīng)性和應(yīng)激耐受能力。

一些纖毛疾病表現(xiàn)為嚴(yán)重的骨骼和顱面骨發(fā)育不良，如Ellis-van Creveld綜合征、Jeune窒息胸廓營養(yǎng)不良和短肋多指綜合征，表現(xiàn)為短骨、窄胸伴短肋骨和多指[15]。這些研究證實(shí)了PC 在正常骨骼發(fā)育和修復(fù)中所起的關(guān)鍵作用，而骨形成主要由成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞執(zhí)行，PC功能障礙與骨骼及顱面骨畸形之間的聯(lián)系說明了初級纖毛在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞。也已有研究報(bào)道PC參與成骨細(xì)胞的排列和極化以及成骨細(xì)胞分化和骨形成[16]。在成熟的關(guān)節(jié)軟骨中，PC識別、協(xié)調(diào)和調(diào)節(jié)許多細(xì)胞信號和過程，執(zhí)行化學(xué)和機(jī)械敏感功能。IFT蛋白在髁突軟骨發(fā)育中的重要性也已有報(bào)道，異常的信號通路對軟骨下骨改建從而導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)炎[17]。

3 PC及其IFT蛋白對骨發(fā)育的調(diào)控

PC 存在于各類骨骼細(xì)胞類型中，如骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞，軟骨細(xì)胞作為一種非增殖期細(xì)胞也被證實(shí)存在PC，且每個(gè)軟骨細(xì)胞僅有1 根PC[18]。PC不僅存在于骨骼細(xì)胞中，也已被證明參與了成骨細(xì)胞的排列、極化以及成骨細(xì)胞的分化和骨形成，對軟骨細(xì)胞正常生理功能的維持也至關(guān)重要，表現(xiàn)為可協(xié)助軟骨細(xì)胞的胞吞作用、促進(jìn)增殖并調(diào)控凋亡[19]。在這些骨發(fā)育細(xì)胞中PC 是許多信號機(jī)制轉(zhuǎn)導(dǎo)的舞臺，對骨骼系統(tǒng)的發(fā)育、分化和出生后的動態(tài)平衡是必不可少的，在骨骼發(fā)育早期，PC 完整性是軟骨組織細(xì)胞形態(tài)和成骨正常發(fā)育的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外均有報(bào)道，PC 在調(diào)節(jié)生長板功能和骨骼系統(tǒng)發(fā)育信號中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[20]，同時(shí)，在改建期間，PC可通過介導(dǎo)某些受體、離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以改變自身長度或彎曲程度的途徑來響應(yīng)各種外界機(jī)械刺激進(jìn)行適應(yīng)性改建[21]。而且PC自身結(jié)構(gòu)和功能的維持對于力學(xué)刺激對軟骨細(xì)胞生長發(fā)育調(diào)控也至關(guān)重要[22]。

同樣PC 的IFT 在骨發(fā)育中也起著十分重要的作用。PC本身無法合成用以組裝、功能行使和介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外信息的任何蛋白質(zhì)，需要依賴IFT 家族蛋白將胞漿中合成的纖毛蛋白運(yùn)輸?shù)嚼w毛內(nèi)部的特定位置從而發(fā)揮功能，IFT不單是運(yùn)輸?shù)鞍椎谋匦梵w系，還是初級纖毛內(nèi)與細(xì)胞質(zhì)之間化學(xué)信息雙向傳遞的信號使者。在發(fā)育的小鼠肢體中，纖毛蛋白如IFT20、IFT80、IFT88 的缺失會導(dǎo)致軟骨內(nèi)骨形成缺陷。IFT52 的變異也會導(dǎo)致不良的骨骼表現(xiàn)[23]。軟骨細(xì)胞內(nèi)IFT40的缺失可影響髁突軟骨發(fā)育，造成髁突軟骨形態(tài)及軟骨下骨礦化改變，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)分泌異常和細(xì)胞凋亡增加。IFT20 在髁突軟骨的動態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用，有研究顯示軟骨細(xì)胞中IFT20 的缺失嚴(yán)重減弱了纖毛介導(dǎo)的HH 信號，并顯著減少了X 型膠原的產(chǎn)生水平，Yamaguch 等[24]采用條件性基因敲除模型小鼠，即在小鼠軟骨細(xì)胞中特異性敲除了IFT20，觀察到小鼠軟骨細(xì)胞IFT20 缺失會導(dǎo)致小鼠肢體伸展縮短，表明IFT20的表達(dá)在軟骨內(nèi)成骨過程中起著關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)了IFT20在軟骨內(nèi)成骨過程中調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞生長因子的關(guān)鍵重要性，而成纖維生長因子信號則控制著纖毛的長度[23]。IFT20在髁突軟骨的順式高爾基體中高度表達(dá)，髁突軟骨中IFT20的缺失降低了軟骨細(xì)胞的增殖和高爾基體大小，并損害了細(xì)胞中的纖毛生成。IFT20通過調(diào)節(jié)高爾基體和HH信號來維持髁突軟骨中的軟骨基質(zhì)[25]。IFT88 是青少年骨骼發(fā)育過程中生長板的機(jī)械力依賴性調(diào)節(jié)器，確保青少年整個(gè)骨骼系統(tǒng)肢體的協(xié)調(diào)骨化，IFT88缺失損害破骨細(xì)胞向外周生長板的募集。IFT88還參與了下頜發(fā)育過程中的軟骨形成和成骨，其中部分是通過調(diào)節(jié)HH信號來實(shí)現(xiàn)的[26]。

目前，對于軟骨組織如何進(jìn)行力學(xué)信號傳遞的具體機(jī)制仍不明確，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞骨架及細(xì)胞外基質(zhì)、機(jī)械敏感性離子通道等參與了力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。隨著生物物理學(xué)的進(jìn)一步研究，PC 可作為軟骨細(xì)胞一種新型力學(xué)傳感器參與關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制也被逐步認(rèn)識。

4 相關(guān)信號因子與PC相互作用后對骨發(fā)育的調(diào)控

PC是許多信號通路的信號傳導(dǎo)中樞，如酪氨酸激酶受體、轉(zhuǎn)化生長因子-β通路、G蛋白偶聯(lián)受體、HH、Wnt、Notch通路、骨形成發(fā)生蛋白等，它們促進(jìn)了成骨細(xì)胞系的分化[27]。PC 還促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)、成骨前細(xì)胞和骨細(xì)胞中物理信號的機(jī)械傳導(dǎo)，以促進(jìn)成骨及參與骨代謝。

在過去的幾十年里，關(guān)于軟骨內(nèi)骨化的分子機(jī)制國內(nèi)外都已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。研究者們已經(jīng)認(rèn)識到轉(zhuǎn)化生長因子-β/骨形態(tài)發(fā)生蛋白(TGF-β/BMP)、Wnt和HH信號相互作用以控制骨軟骨祖細(xì)胞的增殖和存活，而如何能夠準(zhǔn)確的將生長信號因子傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)從而控制軟骨內(nèi)成骨的研究仍然在起步階段。

4.1 Hedgehog 信號通路纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的有序進(jìn)行及原纖毛的正常生長和維持，對于HH 信號通路的正常運(yùn)作至關(guān)重要。而當(dāng)前已有許多研究發(fā)現(xiàn)，HH信號通路對于哺乳動物的骨骼和顱面部發(fā)育也有至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用，HH 信號通路的突變可能導(dǎo)致顱面畸形，如Hammond 等[28]發(fā)現(xiàn)HH信號通路異常會造成脊柱裂、露腦畸形及唇腭裂等[29]；Lorberbaum等[30]也證明了HH信號在胚胎腭突間充質(zhì)中發(fā)生變異會使胚胎口鼻成型發(fā)生異常，并導(dǎo)致腭骨的缺損和完全性的腭裂。哺乳動物HH基因有三類：Shh、Ihh、Dhh。初級纖毛的HH 信號傳導(dǎo)需要功能正常的IFT 機(jī)制，Patches-1(Ptch1)是HH 途徑的直接靶點(diǎn)，是成骨細(xì)胞分化和骨形成以及骨修復(fù)的重要調(diào)節(jié)器，研究者在IFT52 缺失下研究骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化時(shí)發(fā)現(xiàn)，HH 上調(diào)的信號被減弱，Ptch1 的轉(zhuǎn)錄水平也顯著下降，IFT52 突變小鼠表現(xiàn)出骨骼異常、頭面部缺陷。IFT52缺失的MSCs中，SAG介導(dǎo)的HH激活后成骨細(xì)胞的分化也不能完全恢復(fù)，表明IFT52與HH信號相互影響并介導(dǎo)成骨[28]。IFT80的缺失已被證明擾亂了小鼠MSCs 的PC 發(fā)生，并減弱了HH 信號和成骨細(xì)胞分化[31]。另一種IFT-A蛋白IFT140在分化的軟骨細(xì)胞和成骨前體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)高表達(dá)，但隨著年齡的增長其表達(dá)逐漸減弱，這會進(jìn)一步導(dǎo)致生長遲緩和侏儒癥表型的骨質(zhì)疏松癥以及與增齡性相關(guān)的骨丟失[32]?？茖W(xué)家在缺失IFT20的小鼠中發(fā)現(xiàn)對于成骨細(xì)胞分化非常重要的血小板衍生生長因子表達(dá)減少[33]。綜上所述，這些研究一致強(qiáng)調(diào)了依賴于IFT蛋白的PC通過調(diào)節(jié)HH信號通路在骨骼以及顱面骨發(fā)育中的重要性，同時(shí)也進(jìn)一步為治療骨相關(guān)疾病提供思路。

4.2 Wnt 信號通路Wnt 信號通路分為依賴β-catenin 的經(jīng)典Wnt 信號通路和不依賴β-catenin 的非經(jīng)典信號通路。Wnt 信號通路是骨、軟骨和關(guān)節(jié)發(fā)育及內(nèi)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，它同時(shí)參與膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨。是骨和軟骨發(fā)育中各類生物學(xué)過程不可或缺的環(huán)節(jié)，如間充質(zhì)細(xì)胞的凝聚和分化、成熟關(guān)節(jié)軟骨表型的維持、軟骨內(nèi)成骨過程中肥厚組織的成熟等。Wnt 信號通路除了在骨和軟骨發(fā)育成熟過程中發(fā)揮功能外，對于完全分化后的軟骨細(xì)胞表型也至關(guān)重要。研究還發(fā)現(xiàn)了Wnt 信號通路可以在不同的時(shí)期對下頜髁突軟骨細(xì)胞的功能產(chǎn)生調(diào)控并參與軟骨的發(fā)育[34]。這就表明Wnt 信號通路在青春期骨發(fā)育、成年期軟骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。所以研究Wnt 信號通路在青春期和成年期骨或軟骨發(fā)育及維持的各類生物學(xué)環(huán)節(jié)對于進(jìn)一步研究骨或軟骨發(fā)育不良、骨質(zhì)疏松、各類骨關(guān)節(jié)炎及骨折修復(fù)等就至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)Ift88 條件性基因敲除的小鼠由于面部中線融合和腭架形成中的嚴(yán)重顱面缺陷而在出生時(shí)死亡。此外，在腭裂發(fā)生過程中，IFT88介導(dǎo)的纖毛缺陷導(dǎo)致Shh信號下調(diào)而Wnt信號上調(diào)。除了腭裂缺陷，還表現(xiàn)出上頜突異位過度的骨形成和上頜突異位凋亡[36]。研究還發(fā)現(xiàn)IFT88 的缺失下調(diào)了Wnt 靶標(biāo)的表達(dá)(Axin2，Lef1，TCF1)。抑制Wnt 信號可能導(dǎo)致軟骨生成和血管生成增加。這意味著，依賴于IFT 初級纖毛通過調(diào)控Wnt信號通路參與了骨折愈合早期和晚期[37]。

5 結(jié)語

綜上所述，PC與骨骼的發(fā)育及其動態(tài)平衡的維持有著密切聯(lián)系。PC 自身結(jié)構(gòu)及功能以及在其中轉(zhuǎn)導(dǎo)的各種信號通路依賴或非依賴IFT在軟骨內(nèi)成骨及膜內(nèi)成骨過程中活躍，它通過調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等骨骼細(xì)胞來完成骨骼的正常發(fā)育及動態(tài)平衡的維持。近年來，對于PC、IFT-A、IFT-B及各種信號因子在調(diào)節(jié)骨細(xì)胞行為、骨創(chuàng)傷修復(fù)、頜面發(fā)育畸形的機(jī)制已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。目前，大多研究已經(jīng)表明PC依賴于IFT系統(tǒng)并且調(diào)節(jié)骨發(fā)育，但對于不同的IFT 蛋白如何轉(zhuǎn)錄調(diào)控，以及各種信號分子又是如何在PC 中傳遞的仍不明確，它們之間的相互作用調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，還需要進(jìn)一步的研究。對于PC及相關(guān)信號因子對于頜面骨發(fā)育的調(diào)控，可能會成為研究和靶向治療頜面骨發(fā)育畸形和頜面骨相關(guān)疾病，如顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的主要方向之一，期待有更多研究幫助研究者們進(jìn)一步描繪PC 及其相關(guān)信號因子與頜面骨發(fā)育的調(diào)控機(jī)制網(wǎng)絡(luò)圖。