安敏 王兆杰 安榮澤 葉含釗

成骨細(xì)胞在骨代謝中發(fā)揮了的重要作用，其分化成熟、功能活動(dòng)及歸屬對骨質(zhì)疏松等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展意義深遠(yuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，成骨細(xì)胞不僅可以在自身分泌的基質(zhì)包埋下形成骨細(xì)胞，還可以橫向分化為脂肪細(xì)胞。本文就成骨細(xì)胞向脂肪細(xì)胞橫向分化及其向骨細(xì)胞分化作一綜述。

1 各細(xì)胞與基因的相關(guān)性

1.1 成骨細(xì)胞與Runx2 Runx2為Runxx（runt related gene，Runxx）相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子蛋白因子家族成員，是成骨細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子，在骨形成的多個(gè)階段起調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄因子Runx2對成骨細(xì)胞表型的確定是必需的，當(dāng)Runx2缺失時(shí)，鼠成骨細(xì)胞分化完全受抑制，骨膜成骨及軟骨內(nèi)成骨都不能發(fā)生[1]。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BMP-2與Runx2聯(lián)合作用可使成骨細(xì)胞更好地分化[2]。另外，外源性Runx2還可對抗地塞米松誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化的作用[3]。經(jīng)典的Wnt/B—catenin信號通路和轉(zhuǎn)化生長因子-β/骨形態(tài)發(fā)生蛋白（TGF—β/BMP-2）信號通路都可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和其分泌的胞外基質(zhì)礦化，這兩條通路對成骨分化極為重要，研究發(fā)現(xiàn)它們最后的靶基因都是Runx2[4-5]。然而，Runx2不只是通過這兩條途徑發(fā)揮作用，大多涉及到成骨分化途徑的最終靶基因幾乎均是Runx2[6]。由此可見Runx2作為各個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交匯點(diǎn)對成骨細(xì)胞的分化起著決定性作用。不少學(xué)者還認(rèn)為不少細(xì)胞因子、激素、藥物都可以調(diào)節(jié)Runx2的表達(dá)，從而影響成骨分化。

1.2 骨細(xì)胞和SOST SOST基因編碼骨硬化蛋白，其僅在骨細(xì)胞表達(dá)[7]。人的SOST表達(dá)缺失將導(dǎo)致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的發(fā)生。小鼠SOST基因缺失同樣表現(xiàn)為高骨量和骨強(qiáng)度增加，而轉(zhuǎn)基因小鼠過表達(dá)人SOST則表現(xiàn)為低骨量[8-9]。這些研究證明SOST基因編碼骨硬化蛋白對骨形成具有特殊的抑制效果[10]。SOST基因編碼的骨硬化蛋白對骨形成蛋白（BMP）家族的成員蛋白具有很強(qiáng)的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1與LRP5和LPR6結(jié)合，阻止Wnt信號通路的激活。此類研究表明骨細(xì)胞中少量表達(dá)的基因可能作為骨組織重建過程中的分子調(diào)解者。研究還發(fā)現(xiàn)，甲狀旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表達(dá)，間斷或連續(xù)給予PTH，都將下調(diào)小鼠骨細(xì)胞中骨硬化蛋白的表達(dá)，對人而言則降低骨硬化蛋白在體內(nèi)循環(huán)水平[11]。

1.3 脂肪細(xì)胞和PPAR-γ 過氧化物酶增殖物激活受體γ（PPAR-γ）在不同物種動(dòng)物的脂肪組織中高度表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，在沒有PPAR-γ的情況下，沒有發(fā)現(xiàn)一種因素可以誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞的分化，其被認(rèn)為是與脂肪細(xì)胞分化最重要轉(zhuǎn)錄因子，尤其在脂肪細(xì)胞分化早期起到不可或缺的作用[12]。盡管C/EBPα基因在脂肪形成過程中也有著至關(guān)重要的作用，但在缺失PPAR-γ的永生纖維細(xì)胞系中，僅有C/EBPα基因條件下不能促進(jìn)脂肪形成，而在C/EBPα基因缺失細(xì)胞中，PPAR-γ則可以促進(jìn)脂肪形成[13]。不僅如此，Kim等[14]還發(fā)現(xiàn)，將小鼠成骨細(xì)胞株MC3T3-E1經(jīng)過成脂誘導(dǎo)后，細(xì)胞的PPAR-γ的表達(dá)增強(qiáng)，表明PPAR-γ參與調(diào)控成骨細(xì)胞向脂肪細(xì)胞橫向分化過程。由此可見，深入研究PPAR-γ信號通路將為脂類代謝疾病的治療和預(yù)防提供重要的理論參考。

2 成骨細(xì)胞向脂肪細(xì)胞橫向分化

隨著細(xì)胞生物學(xué)研究的不斷深入，越來越多的研究表明，起源于同一祖細(xì)胞的各種終末分化細(xì)胞在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，由一種細(xì)胞橫向分化（transdifferentiation）為另一種細(xì)胞[15-16]。成熟的成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞均是由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來，它們具有某些相同的細(xì)胞表型，在一定條件下同樣能發(fā)生橫向分化。Nuttal等[17-18]的研究在這方面提供了有力證據(jù)，他們認(rèn)為在一定的條件下，成熟成骨細(xì)胞能向脂肪細(xì)胞發(fā)生橫向分化。此后國內(nèi)學(xué)者將成骨細(xì)胞置于成脂培養(yǎng)基中進(jìn)行誘導(dǎo)分化也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論[19-20]。此外，童天朗等[21]采用間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，定向成骨分化的“前成骨細(xì)胞”也成功的分化為脂肪細(xì)胞。隨著糖皮質(zhì)激素在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛，Yao等[22]發(fā)現(xiàn)，大劑量糖皮質(zhì)激素作用下的小鼠骨髓組織中有大量脂肪細(xì)胞沉積。為探究其機(jī)制，羅磊等[23]將糖皮質(zhì)激素長期、大劑量地作用于大鼠顱骨成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)激素可使成骨細(xì)胞橫向分化為成熟的脂肪細(xì)胞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，大劑量GCs作用下，PPAR-γ表達(dá)上調(diào)、Runx2表達(dá)下調(diào)，調(diào)控BMSCs向脂肪細(xì)胞分化并促進(jìn)成骨細(xì)胞橫向分化為脂肪細(xì)胞[24]。這些發(fā)現(xiàn)證明了在超生理劑量GCs作用下，一方面BMSCs向脂肪細(xì)胞分化，并抑制其向成骨細(xì)胞分化；另一方面成骨細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化，最終導(dǎo)致骨髓內(nèi)脂肪細(xì)胞積聚、成骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨代謝失衡。

上述研究表明，骨髓中脂肪細(xì)胞的增加伴隨著成骨細(xì)胞的減少，兩者存在“此消彼長”的關(guān)系，暗示脂肪細(xì)胞分化和成骨細(xì)胞分化可能有共同的作用調(diào)控靶點(diǎn)。細(xì)胞向特定方向分化受相關(guān)基因的調(diào)控。Runx2是成骨分化主要的決定基因，而PPARγ主要促進(jìn)脂肪形成。Kim等[14]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以通過成脂轉(zhuǎn)錄因子PPAR-γ將小鼠成骨細(xì)胞株MC3T3-E1誘導(dǎo)分化為成熟的脂肪細(xì)胞。表明內(nèi)源性PPAR-γ活化在譜系分化過程中可使非成熟或成熟成骨細(xì)胞譜系更傾向于向脂肪譜系轉(zhuǎn)變。另外，TAZ（具有PDZ結(jié)合域的轉(zhuǎn)錄共刺激因子）是可以與14—3—3蛋白結(jié)合的一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，其通過共激活Runx2依賴基因的轉(zhuǎn)錄和抑制PPARγ依賴基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)骨形成和抑制脂肪形成。這些發(fā)現(xiàn)表明Runx2或PPARγ2表達(dá)對細(xì)胞向成骨細(xì)胞還是脂肪細(xì)胞分化有著重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞分化特異轉(zhuǎn)錄因子和脂肪細(xì)胞特異基因的表達(dá)與激素使用劑量和使用時(shí)間呈正相關(guān)[25]。國內(nèi)研究者在這方面做了深入的研究，謝小偉等[26]認(rèn)為長期、大劑量應(yīng)用糖皮質(zhì)激素可通過升高DKK-1的表達(dá)抑制促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的Wnt信號通路，成骨細(xì)胞增殖受抑制，促進(jìn)其脂肪化，提示經(jīng)典Wnt信號通路對成骨細(xì)胞與脂肪細(xì)胞橫向分化有一定的影響，但具體的分子機(jī)制尚不明確。此外，王兆杰等[27]指出縫隙連接蛋白Cx43可能在骨髓成骨細(xì)胞向脂肪細(xì)胞橫向分化過程中起主導(dǎo)地位。其分子作用機(jī)制可能是某些抑制劑使細(xì)胞膜上有效的縫隙連接通道數(shù)量減少。骨骼中縫隙連接通訊的調(diào)節(jié)可能代表新一類藥物的目標(biāo)，此類藥物可以抑制成脂的發(fā)生而相應(yīng)的引起成骨過程的升高。

3 成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞分化

骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞是骨組織中重要組成部分，其中骨細(xì)胞總數(shù)占骨組織細(xì)胞90%以上，它是由成骨細(xì)胞分泌基質(zhì)并自身包埋分化而成，并擁有大量突觸結(jié)構(gòu)，因此，骨細(xì)胞可以理解為終末的成骨細(xì)胞[28]。雖然骨細(xì)胞是終末分化的成骨細(xì)胞系，但是兩種細(xì)胞在形態(tài)、標(biāo)志物、功能等方面均有顯著差異。成骨細(xì)胞分化為新生骨細(xì)胞后，細(xì)胞體積下降70%，細(xì)胞也逐漸失去了細(xì)胞器和分泌細(xì)胞外基質(zhì)的能力，而突觸的體積卻增加[29]。這些含有細(xì)胞漿的突觸將骨細(xì)胞與臨近骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞串聯(lián)起來，成為與其他細(xì)胞形態(tài)學(xué)鑒別的突出特征。而Pazzaglia等[30]在這方面做了最新的研究，他們使用掃描電鏡（SEM）分析證實(shí)骨陷窩-微管系統(tǒng)（lacuna-canalicuarsystem）的形成對成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞分化有重要意義。據(jù)報(bào)道，成骨細(xì)胞中ALP的表達(dá)明顯高于骨細(xì)胞，且隨著成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞分化進(jìn)展，ALP的表達(dá)呈逐步下降趨勢[31]。骨鈣素（OC）是成骨細(xì)胞特異性合成和分泌的一種非膠原蛋白，是向成熟骨細(xì)胞分化的最具特征性的標(biāo)志物。在成骨細(xì)胞分化后期表達(dá)大量的OC調(diào)節(jié)其向骨細(xì)胞分化，而在成熟骨細(xì)胞階段OC的表達(dá)處于高峰期。因此，它在成骨細(xì)胞體外分化為成熟骨細(xì)胞及基質(zhì)鈣化的過程中具有重要意義。

然而，近來的研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞在常規(guī)的二維培養(yǎng)環(huán)境中有發(fā)生去分化的趨勢，失去了骨細(xì)胞固有形態(tài)。甚至將其培養(yǎng)于含Ⅰ型膠原蛋白凝膠（含0.1%FBS）的三維培養(yǎng)基中，隨著時(shí)間的推移，骨細(xì)胞同樣去分化為成骨細(xì)胞，但其去分化現(xiàn)象沒有在二維培養(yǎng)基中顯著[32]。為了全面分析骨細(xì)胞功能，相關(guān)學(xué)者建立了一個(gè)更好的維持骨細(xì)胞特性和形狀的培養(yǎng)條件（含50%人工基膜（Matrigel）和0.2%FBS的Ⅰ型膠原培養(yǎng)基），但并不能完全抑制成熟骨細(xì)胞的去分化[33]。此外，Torreggiani等[34]發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌在骨基質(zhì)中的前骨細(xì)胞/骨細(xì)胞是活動(dòng)的，一旦給予額外的骨環(huán)境，它們將從骨陷窩中遷移出去并去分化為成骨細(xì)胞，這可能是成骨細(xì)胞另一來源。這些研究暗示，我們有必要去建立一個(gè)更適合培養(yǎng)骨細(xì)胞的體外環(huán)境，以避免骨細(xì)胞去分化為成骨細(xì)胞存在的干擾問題。

綜上所述，在骨髓基質(zhì)系統(tǒng)中，成骨細(xì)胞不僅在一定條件下可以橫向分化為脂肪細(xì)胞，也是生成骨細(xì)胞的主要來源，其在骨組織中擁有至關(guān)重要的地位。當(dāng)前不少研究報(bào)道認(rèn)為，骨質(zhì)減少性疾病是由于骨髓中脂肪細(xì)胞增加，這些增加的脂肪細(xì)胞可能是由BMSCs直接縱向分化而來，但也有可能是由成骨細(xì)胞橫向分化轉(zhuǎn)變而來，Runx2與PPAR-γ是成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞分化的關(guān)鍵性調(diào)控因子，兩者相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路間相互協(xié)調(diào)、相互抑制。研究還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞間的縫隙連接也可能是這兩種細(xì)胞相互轉(zhuǎn)化的機(jī)制。由此設(shè)想，如果改變脂肪細(xì)胞分化過程中相關(guān)基因表達(dá)方式或調(diào)控縫隙連接通道，阻止成骨細(xì)胞橫向分化為脂肪細(xì)胞，甚至促進(jìn)脂肪細(xì)胞再分化為成骨樣細(xì)胞，以達(dá)到治療骨丟失和骨代謝異常的目的。研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞有向成骨細(xì)胞逆向分化的可能，這成為筆者體外研究骨細(xì)胞的一個(gè)難題，構(gòu)建維持骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能的體外培養(yǎng)系統(tǒng)，可能成為筆者下一步研究的一個(gè)方向。

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