楊 冰 周 慧 樊飛躍 孫元明

骨重建是一個持續(xù)不斷的骨組織吸收以及骨形成的過程。骨形成由源自間質干細胞的成骨細胞完成[1]，而骨吸收則由來自多能造血干細胞的破骨細胞完成[2]。破骨細胞一般在3～5周內完成重建單元中的骨吸收，而成骨細胞則要用3～5個月的時間對基質進行礦化以完成骨的重建。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）[3]以及Wnt信號轉導通路[4]對間質干細胞向成骨細胞的分化有著調節(jié)作用。Notch信號轉導通路與BMPs、Wnt相互作用對成骨細胞起調節(jié)作用。在破骨細胞中，Notch通路通過核因子NF-κB受體激活因子配體（Receptor Activa?tor of NF-κB Ligand,RANKL）/核因子NF-κB受體激活因子（Receptor Activator of NF-κB,RANK）/骨保護素（Osteoprotey?erin,OPG）系統(tǒng)進行調節(jié)[5]。Notch信號轉導通路對骨形成、骨細胞的存活及骨重建起關鍵作用。

1 Notch信號轉導通路

Notch信號轉導通路在進化中高度保守，在細胞的生長、分化及生存方面起重要作用。Notch信號轉導通路最早發(fā)現于果蠅，Notch失活導致果蠅翅膀上產生缺口。在哺乳動物中，Notch信號轉導通路有4種受體（Notch1、2、3、4）和5種配體（Jagged1、2，Delta 1、3、4）。這些配體和受體都是單跨膜蛋白，需要細胞之間的相互接觸才能激活。當相鄰細胞的Notch配體與受體結合后，Notch受體的胞外部分會被腫瘤壞死因子（TNF）-α轉化酶酶切，酶切后產生不穩(wěn)定的過度多肽，后者被γ-分泌酶復合體識別并進一步將Notch受體的胞內部分酶切，產生具有活性的Notch胞內結構域（notch intra?cellular domain,NICD）。γ-分泌酶復合體是由Presenilin（PS）蛋白酶1、2以及調節(jié)組件Presenilin Enhancer 2（PEN2）、An?terior pharynx defective 1（Aph1）和Nicastrin（NCT）組成的[6]。在沒有NICD存在的情況下，CSL（在人為CBF1，在鼠為RBPJ在果蠅為Suppressor of hairless，在線蟲為Lag1）和帶有組蛋白去乙酰復合物（histone deacetylase complexes，HDAC）的共同抑制蛋白一起與DNA相結合抑制轉錄。γ-分泌酶復合體酶切產物NICD可以進入細胞核將共同抑制蛋白置換下來，并與CSL及Mastermind-Like（MAML）蛋白形成三元復合體，將CSL蛋白由原來的轉錄抑制作用轉換為激活作用[7]。在經典的Notch信號轉導通路中，被轉錄的基因有Hairy Enhancer of Split（HES）1、HES5、HES6、HES7、HES-related with YRPF mo?tif（HEY）1、HEY2及HEYL。

2 Notch信號轉導通路在骨發(fā)育及骨重建中的作用

2.1 Notch信號轉導通路對軟骨內骨形成的影響 在骨發(fā)育過程中，間質干細胞分化為軟骨細胞而形成透明軟骨，隨后透明軟骨內的軟骨細胞變肥大、礦化并最終凋亡。在此過程中，血管進入軟骨中，進而使骨細胞前體繼續(xù)完成軟骨內成骨的過程。

Notch信號轉導通路對軟骨的形成有抑制作用。Grogan等[8]研究表明Notch通路下游產物HES1以及HEY1可以與DNA序列中臨近SOX9增強子識別位點的序列相結合，從而抑制軟骨細胞特異性膠原蛋白Ⅱα(Ⅰ)啟動子的活性。Mead等[9]研究表明在小鼠體內增強Notch信號轉導通路的活性可對軟骨細胞的分化和礦化起抑制作用。Hilton等[10]研究發(fā)現條件性敲除PS1并且伴隨PS2失活導致Notch蛋白不能被酶切從而使信號轉導受到阻礙后，肥厚軟骨細胞發(fā)生聚集可導致嚴重的骨骼畸形；同時敲除Notch1和Notch2的小鼠也表現出了同樣的表型，從而證明PS1和PS2失活而出現的表型也是由于Notch信號轉導缺失造成的；僅條件性敲除Notch2后也出現了與同時敲除Notch1和Notch2后的表型，說明Notch2蛋白在軟骨內骨形成的調節(jié)中起主導作用。

2.2 Notch信號轉導通路對成骨細胞分化及功能的影響 在體外研究中，Notch信號轉導通路對間質干細胞前體向成骨細胞分化既有激活也有抑制作用。小鼠的體內研究有利于認識Notch信號轉導通路作用。Engin等[11]研究表明NICD的表達置于在2.3 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下的轉基因小鼠由于成骨細胞未成熟或功能紊亂導致骨量增加及生長遲緩。而Zanotti等[12]研究則表明將NICD的表達置于在3.6 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下的轉基因小鼠由于成骨細胞數量的減少導致骨量的下降。這2種不同的表型是由于2.3 kb和3.6 kb膠原Ⅰ型啟動子分別導致了成骨細胞停留在向成熟成骨細胞分化的不同階段。NICD的表達置于在2.3 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下抑制了成骨細胞分化的終末階段致使形成了較多的未成熟或功能紊亂的成骨細胞[11]。而在3.6 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下表達的NICD，則在成骨細胞分化早期發(fā)揮了抑制作用，從而導致成熟成骨細胞數量的下降[12]。Notch信號轉導通路并不是通過影響成熟成骨細胞功能來發(fā)揮其調節(jié)作用的，而是通過調節(jié)其前體的分化來發(fā)揮作用。Hilton等[10]研究表明Notch信號轉導通路可以使間質干細胞前體保持于未分化的狀態(tài)，而不分化為成熟成骨細胞。

BMPs是轉化生長因子（transforming growth factor,TGF）超家族的成員，其對成骨細胞的分化起重要作用[13]。Notch信號轉導通路在BMP-2誘導的成骨細胞分化中起重要作用。有研究發(fā)現，通過使Delta1和Jagged1在MC3T3-E1細胞中過表達，并不能直接引起成骨細胞分化上的變化，而是增強了BMP-2誘導的成骨細胞分化作用[14]。

Wnt蛋白是36～46 ku富含半胱氨酸的分泌糖蛋白，在成骨細胞的調節(jié)中起重要作用[15]。Deregowski等[16]研究表明NICD過表達抑制了Wnt/β-catenin信號轉導通路從而抑制了成骨細胞的分化。

2.3 Notch信號轉導通路對破骨細胞分化及功能的影響 破骨細胞是來源于單核-巨噬細胞系具有骨吸收作用的多核細胞。破骨細胞的分化和激活是由成骨細胞或骨髓基質細胞進行調控的。RANKL和巨噬細胞集落刺激因子（macro?phage colony-stimulating factor,M-CSF）對破骨細胞的發(fā)育至關重要。RANKL是TNF家族的成員，其表達受一系列骨吸收因子包括1,25-二羥基維生素D3、白細胞介素-1（IL-1）、甲狀旁腺激素相關多肽（parathyroid hormone-related peptide, PTHrP）以及TNF-α的調控。M-CSF可以誘導單核-巨噬破骨細胞前體細胞的增殖和存活，而RANKL與其受體RANK相結合促進破骨細胞前體的分化與成熟。OPG是一種可溶性的偽受體，其可以與RANKL結合但并沒有促進破骨細胞前體的作用。RANKL與OPG都在骨基質細胞和成骨細胞上表達，其比例對調節(jié)破骨細胞活性非常重要[17]。

Notch信號轉導通路對于破骨細胞前體的分化具有抑制作用[11,18]。Bai等[18]研究表明體外敲除骨基質巨噬細胞中的Notch1、Notch2、Notch3可以促進破骨細胞前體的增殖與分化；破骨細胞中的Notch1失活會抑制其OPG的表達，進而促進破骨細胞的分化與骨吸收能力，從而證明Notch信號轉導通路對破骨細胞具有抑制作用。Fukushima等[19]研究表明在破骨細胞前體中誘導Notch2的表達可提高nuclear factor of activated T cell c1（NFATc1）啟動子的活性，增強RANK誘導的破骨細胞生成作用。這表明在特定條件下，Notch2可以促進破骨細胞的生成。在成骨細胞對破骨細胞調節(jié)作用方面：Notch信號轉導通路通過促進成骨細胞OPG的表達，從而減弱RANK通路介導的破骨細胞分化作用[20]。Bai等[18]研究表明破骨細胞上表達有Notch配體(Delta1，Jagged1和Jagged2),將成骨細胞上的Notch1敲除后，由于OPG表達的降低可引起破骨細胞數量的增加。

綜上所述，Notch信號轉導通路對軟骨、成骨細胞、破骨細胞的分化起到了重要的調節(jié)作用。Notch信號轉導通路調節(jié)失調可以導致骨發(fā)育失調、骨肉瘤等疾病[21]。對于Notch通路在整個成骨細胞成熟過程中起的調節(jié)作用以及其對維持骨組織穩(wěn)態(tài)中的作用目前還不是很清楚。在以后的研究中可以采用敲除或者激活Notch信號通路中的關鍵信號分子以及其他手段深入研究。

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