朱曉慶 金 悅 梁軍波 張曉明

糖尿病是一種全身代謝性疾病,其可以通過(guò)多種途徑影響骨代謝,從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,如晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)的積累可以抑制成骨細(xì)胞表達(dá)、增強(qiáng)骨吸收等。但是糖尿病骨質(zhì)疏松的確切分子機(jī)制尚未明確。研究表明 Wnt信號(hào)通路介導(dǎo)了體內(nèi)多種生物過(guò)程,如胚胎形成、器官發(fā)生、腫瘤形成等[1]。同時(shí) Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨形成和骨代謝中亦起著重要的調(diào)控作用,研究表明高血糖狀態(tài)下Wnt/β-catenin信號(hào)通路的失調(diào)與糖尿病骨質(zhì)疏松的發(fā)生有著密切關(guān)系。

一、Wnt/β-catenin信號(hào)通路及其與骨質(zhì)疏松的關(guān)系

1.Wnt/β-catenin信號(hào)通路:Wnt蛋白由 19種分泌蛋白組成,這些蛋白和相應(yīng)的膜受體發(fā)生結(jié)合可激發(fā)一系列的繼發(fā)反應(yīng),從而參與器官發(fā)生、胚胎形成等生物過(guò)程[1,2]。膜受體又由多種蛋白構(gòu)成,包括卷曲蛋白(frizzled,FZD)、G偶聯(lián)蛋白(GPCRs)、低密度脂蛋白受體(LRPs)等。Wnt信號(hào)通路包括 4條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:Wnt/β-連環(huán)蛋白(Wnt/β-catenin)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、Wnt/Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、Wnt/平面細(xì)胞極性(PCP)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以及調(diào)節(jié)紡錘體定向和不對(duì)稱(chēng)細(xì)胞分裂的通路[3]。其中,以 Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路最經(jīng)典。Wnt蛋白和卷曲蛋白 FZD以及低密度脂蛋白受體 LRPs結(jié)合激發(fā)了細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),使 GSK-3β磷酸化而失活,從而維持 βcatenin的穩(wěn)定。穩(wěn)定的β-catenin在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)聚集,轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi),后與轉(zhuǎn)錄因子 TCF/LEF結(jié)合,啟動(dòng)細(xì)胞靶基因 Runx2等的轉(zhuǎn)錄,調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)[4]。WIF-1、SOST、DKK-1、sFRP等為該信號(hào)通路拮抗劑,可抑制該信號(hào)通路的發(fā)生。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中某些蛋白的缺失或增加將導(dǎo)致該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程失調(diào),可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。如人體中,LRP5基因的缺失或增加可以導(dǎo)致骨質(zhì)疏松 -假性神經(jīng)膠質(zhì)瘤綜合征或者HBM型個(gè)體[5]。

2.Wnt/β-catenin信號(hào)通路在成骨細(xì)胞發(fā)育中的作用:Wnt/β-catenin信號(hào)通路在前成骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的發(fā)育中都起了重要的作用。Hu等[6]用基因定向敲除的方法進(jìn)行大鼠胚胎骨形成的研究。發(fā)現(xiàn)敲除 β-catenin基因的大鼠胚胎發(fā)生了骨形成障礙,它們只能形成軟骨而不能形成骨。用原位雜交實(shí)驗(yàn)研究它們的成骨細(xì)胞發(fā)現(xiàn)它們只能表達(dá)Ⅰ型膠原和堿性磷酸酶(ALP)。Holmen等[7]對(duì)出生后的大鼠骨形成進(jìn)行了研究,同樣去除大鼠的 β-catenin基因,利用 OC促進(jìn) Cre的表達(dá),然后通過(guò) CT、組織學(xué)等研究,發(fā)現(xiàn)大鼠骨密質(zhì)、骨小梁的骨量都大大減少,并且伴隨著骨基質(zhì)礦化困難及成骨細(xì)胞分化的障礙。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路的抑制可造成成骨細(xì)胞功能障礙。鈣黏蛋白(Cad)是一種鈣依賴(lài)分子黏附蛋白,根據(jù)免疫學(xué)特性和組織分布又可以分為幾個(gè)亞類(lèi),包括 ECad、PCad、NCad。成骨細(xì)胞中在生長(zhǎng)過(guò)程中可以產(chǎn)生許多 NCad,它們?cè)诔晒羌?xì)胞黏附及分化中起了重要的作用[8]。Ncad的過(guò)表達(dá)可以抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路。Hay等[9]用基因轉(zhuǎn)染技術(shù)使部分 MC3T3-E1細(xì)胞 NCad過(guò)表達(dá),然后與正常表達(dá)的 MC3T3-E1細(xì)胞進(jìn)行對(duì)照研究,通過(guò) NCad標(biāo)記蛋白進(jìn)行 NCad表達(dá)量的檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)成骨細(xì)胞早期標(biāo)志物 ALP含量的檢測(cè)來(lái)觀察成骨細(xì)胞的數(shù)量。研究表明 NCad可以與成骨細(xì)胞中的 LRP5作用,NCad的過(guò)表達(dá)增加了 NCad-LRP5的數(shù)量,增強(qiáng)NCad-LRP5的作用。NCad-LRP5作用的增強(qiáng)導(dǎo)致TCF/LEF轉(zhuǎn)錄作用減弱,與 Wnt3a作用減弱,Wnt/β-catenin信號(hào)通路受阻,從而造成成骨細(xì)胞功能障礙,導(dǎo)致骨形成減少[10]。

為了闡明 Wnt/β-catenin與成骨細(xì)胞生存能力之間的關(guān)系,Almeida等[11]通過(guò)建立 C2C12,MC3T3-E1、OB-6三種細(xì)胞模型進(jìn)行了研究。研究表明Wnt蛋白可以通過(guò)激活 Src/ERK或者 PI3K/Akt而使骨細(xì)胞以及前成骨細(xì)胞存活時(shí)間延長(zhǎng),從而增加骨質(zhì)的形成。Wnt3a和 Wnt1可以防止纖溶酶缺乏引起的成骨細(xì)胞凋亡[12]。Wnt3a可以誘導(dǎo) LRP5發(fā)生磷酸化作用,促使 ERKs在核內(nèi)聚集以及 Src和 Akt的磷酸化作用。當(dāng) Wnt/β-catenin信號(hào)通路受抑制或者存在 MEK、Src、PI3K、AKT激酶等的抑制劑時(shí),Wnt3a的抗凋亡作用將失效。此外,Wnt3a還可以增加 ERK依賴(lài)型細(xì)胞中抗凋亡蛋白 Bcl-2的表達(dá)[13]。

3.Wnt/β-catenin在破骨細(xì)胞分化中的作用:Wnt/β-catenin的主要作用在于促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化、抑制成骨細(xì)胞的凋亡。但是現(xiàn)研究表明,Wnt/β-catenin在促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的同時(shí),也能在一定程度上抑制破骨細(xì)胞的分化,從而調(diào)節(jié)骨的形成[14]。

骨保護(hù)素(OPG)是核受體 κB激活受體配體(RANKL)的假性受體,它可以競(jìng)爭(zhēng)性地與 RANKL結(jié)合。成骨細(xì)胞可以表達(dá) OPG。Wnt/β-catenin在促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的同時(shí)增強(qiáng)了 OPG的表達(dá),從而使與 RANK的競(jìng)爭(zhēng)性作用增強(qiáng),使 OPG與更多的RANKL假性結(jié)合,抑制成骨細(xì)胞的分化,降低破骨細(xì)胞的活動(dòng),減少骨量的丟失。Holmen等[7]研究發(fā)現(xiàn)Δ-APC大鼠在提高 β-catenin表達(dá)量的同時(shí)也提高了 OPG的表達(dá)量,并且降低了 RANKL的表達(dá)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也被 Glass等[14]證實(shí)。糖尿病大鼠中β-catenin表達(dá)量的減少將可能引起 OPG表達(dá)量的降低,從而使 RANK與 RANKL的結(jié)合作用增強(qiáng),促使破骨細(xì)胞的分化,導(dǎo)致骨量下降。

二、糖尿病大鼠中 Wnt/β-catenin信號(hào)通路及其相關(guān)蛋白的改變

骨質(zhì)疏松和糖尿病都是老年性疾病,年齡是影響骨質(zhì)疏松發(fā)生的重要因素。研究表明 1型糖尿病可以導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,2型糖尿病雖尚不能確定是否可以導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,但其可以促進(jìn)糖尿病骨質(zhì)疏松的發(fā)生與發(fā)展[15]。糖尿病骨質(zhì)疏松的分子發(fā)病機(jī)制尚未明確,目前對(duì) Wnt/β-catenin信號(hào)通路的研究較為深入,并且研究證明糖尿病骨質(zhì)疏松大鼠中,有 Wnt/β-catenin信號(hào)通路的失調(diào)及其相關(guān)蛋白表達(dá)量改變。

Portal-Nunez等[16]通過(guò)靜脈注射鏈佐菌素(STZ)制成糖尿病大鼠模型,用甲狀旁腺素治療組作為對(duì)照,采用 X線骨密度測(cè)定進(jìn)行組織形態(tài)學(xué)觀察,用基因芯片技術(shù)和 rt-PCR分析 Wnt/β-catenin信號(hào)通路的改變,用免疫組化染色方法分析 β-catenin蛋白表達(dá)量的改變。X線研究證明糖尿病大鼠骨形態(tài)確實(shí)發(fā)生改變,有明顯的骨量下降的表現(xiàn)。免疫組化結(jié)果證明糖尿病大鼠成骨細(xì)胞及骨細(xì)胞中的 βcatenin表達(dá)量明顯下降,并且β-catenin表達(dá)量下降與骨細(xì)胞減少數(shù)量對(duì)比結(jié)果證明這不是由于骨細(xì)胞的活性降低而引起的。此外,還發(fā)現(xiàn)在成骨細(xì)胞 βcatenin相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程中,轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核的 βcatenin數(shù)量明顯減少,從而影響了胞內(nèi)后續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),證明 β-catenin表達(dá)量的下降使得 Wnt/βcatenin信號(hào)通路發(fā)生了障礙。糖尿病大鼠中 WIF-1、Wisp1和 Wnt1等蛋白表達(dá)量的下降也證明糖尿病大鼠中確實(shí)有 Wnt/β-catenin信號(hào)通路的失調(diào),并且其參與了糖尿病骨質(zhì)疏松的發(fā)生與發(fā)展。

綜上所述,糖尿病骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展受到多種因素的影響,發(fā)病機(jī)制復(fù)雜。高血糖狀態(tài)下 Wnt/β-catenin信號(hào)通路改變?cè)诠切纬杉肮谴x中起著重要的作用,雖然其對(duì)糖尿病骨質(zhì)疏松的作用機(jī)制尚未完全明確,但是隨著研究的不斷深入,相信其能夠?yàn)樘悄虿」琴|(zhì)疏松的治療提出新的思路和治療靶點(diǎn)。

1 Bodine PV,Komm BS.Wnt signaling and osteoblastogenesis.Rev Endocr Metab Disord,2006,7:33-39

2 Logan CY,Nusse R.TheWnt signaling pathway in development and disease.Annu Rev Cell Dev Biol,2004,20:781-810

3 Eisenmann DM.Wnt signaling.Worm Book,2005,25:1-17

4 Fogarty MP,Kessler JD,Wechsler-Reya RJ.Morphing into cancer.The role of developmentalsignaling pathways in brain tumor formation JNeurobiol,2005,64:458-475

5 Hosoi,T.Wnt co-receptor LRP5 gene and osteoporosis.Nippon Naika Gakkai Zasshi,2005,94:714-719

6 Hu H,Hilton MJ,Tu X,etal.Sequential rolesofHedgehog and Wnt signaling in osteoblast development.Development,2005,132:49-60

7 Holmen SL,Giambernardi TA,Zylstra CR,et al.Decreased BMD and limb deformities in mice carrying mutations in both LRP5 and LRP6.JBone Miner Res,2004,19:2033-2040

8 Shin CS,Her SJ,K im JA,et al.Dominantnegative N-cadherin inhibits osteoclast differentiation by interfering with beta-catenin regulation of RANKL,independent of cell-cell adhesion.JBone Miner Res,2005,20:2200-2212

9 Ha?E,Laplantine E,Geoffroy V,et al.N-cadherin interactswith axin and LRP5 to negatively regulate Wnt/beta-catenin signaling,osteoblast function,and bone formation.Mol Cell Biol.2009,29(4):953-964

10 Boyden LM,Mao J,Belsky J,et al.High bonedensity due to amutation in LDL-receptor-related protein 5.N Engl JMed,2002,346:1513-1521

11 Almeida M,Han L,Bellido T,et al.Wnt proteins preventapoptosis of both uncommitted osteoblast progenitors and differentiated osteoblasts by beta-catenin-dependentand-independent signaling cas-cades involving Src/ERK and phosphatidylinositol 3-kinase/AKT.J Biol Chem,2005,280(50):41342-41351

12 Chen Y,Alman BA.Wntpathway,an essential role in bone regeneration.JCellBiochem,2009,106(3):353-362

13 Longo KA,Kennell JA,Ochocinska MJ,etal.Wnt signalingprotects 3T3-L1 preadipocytes from apoptosis through induction of insulinlike growth factors.JBiol Chem,2002,277(41):38239-38244

14 Glass DA,Bialek P,Ahn JD,et al.CanonicalWnt signaling in differentiated osteoblasts controls osteoclast differentiation.Developmental Cell,2005,8:751-764

15 Saller A,Maggi S,Romanato G,et al.Diabetes and osteoporosis.Aging Clin Exp Res,2008,20(4):280-289

16 Portal-Nú?ez S,Lozano D,de Castro LF,et al.Alterations of the Wnt/beta-catenin pathway and its target genes for the N-and C-term inal domains of parathyroid hormone-related protein in bone from diabetic mice.FEBSLett,2010,584(14):3095-3100