《中國骨質(zhì)疏松雜志》社 《中國骨質(zhì)疏松雜志》骨代謝專家組

骨質(zhì)疏松是多因素、多基因疾病,是遺傳和環(huán)境因素交互作用的結(jié)果,利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study,GWAS)已鑒定出了近600個基因座位與骨密度、骨質(zhì)疏松癥和骨折相關(guān)[1],大約可以解釋人類20%的骨密度差異[2]。通過GWAS發(fā)現(xiàn)的具有已知功能的易感基因,主要分布在4條骨代謝生物學(xué)通路上[3],分別是WNT 信號通路(LRP5、SOST、WNT10B、WNT16、SFRP1、FOXC2、LRP4、GPR177和CTNNB1)、RANK信號通路(RANKL、RANK和OPG)、維生素D信號通路(VDR和DBP)和雌激素信號通路(ESR1、ESR2和CYP19A1)。

已知的骨質(zhì)疏松相關(guān)蛋白通過直接或間接的方式參與調(diào)控骨代謝全過程,其作用重疊相互聯(lián)系,互為結(jié)果。

目前,骨質(zhì)疏松分子生物學(xué)信號通路、骨質(zhì)疏松易感基因、骨質(zhì)疏松相關(guān)蛋白、骨質(zhì)疏松分子治療靶點等相關(guān)研究得到本領(lǐng)域認(rèn)同。詳見表1～3。

表1 骨質(zhì)疏松分子生物學(xué)信號通路Table 1 Molecular biological signal pathways of osteoporosis

表2 骨質(zhì)疏松易感基因Table 2 Osteoporosis susceptibility genes

表3 骨質(zhì)疏松相關(guān)蛋白Table 3 Osteoporosis related proteins

1 骨質(zhì)疏松分子生物學(xué)通路

骨質(zhì)疏松分子生物學(xué)通路歸納為調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的信號通路和調(diào)控成骨細(xì)胞的信號通路。

1.1 調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的信號通路

1.1.1RANK/RANKL/OPG信號通路:RANK/RANKL/OPG信號通路是調(diào)控破骨細(xì)胞的主要信號通路,RANK是RANKL的信號受體,屬于腫瘤壞死因子受體(TNFR)超家族分子的一種I型跨膜蛋白,可促進(jìn)一些特異基因的表達(dá),有利于促進(jìn)破骨細(xì)胞分化、成熟,增加破骨細(xì)胞存活時間,激活破骨細(xì)胞骨吸收能力[4]。

1.1.2NF-κB信號通路:在破骨細(xì)胞分化過程中RANK-RANKL信號傳遞到下游通路,主要通過IKKβ及經(jīng)典的NF-κB信號通路。NF-κB p50和p52蛋白共同表達(dá),促進(jìn)破骨細(xì)胞生成,增強(qiáng)破骨細(xì)胞活性。NF-κB上調(diào)RANKL和其他破骨細(xì)胞因子誘導(dǎo)的RANK表達(dá),促進(jìn)破骨細(xì)胞前體分化為TRAP+破骨細(xì)胞[5]。

1.1.3MAPK/ERK信號通路:MAPK屬于蘇氨酸/絲氨酸蛋白激酶家族,由胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Erk1/2)、p38-MAPKs (α/β/γ/δ)、c-Jun N 末端激酶(JNK1、2、3)等組成。p38-MAPKs的激活在RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的過程中起到了重要作用[6]。ERK激活是成熟破骨細(xì)胞存活的核心,在骨穩(wěn)態(tài)中起重要作用。

1.1.4M-CSF信號通路:M-CSF通過與巨噬細(xì)胞集落刺激因子受體(c-fms)結(jié)合,誘導(dǎo)受體胞質(zhì)端的7個酪氨酸殘基進(jìn)行磷酸化,在M-CSF誘導(dǎo)吞噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞運(yùn)動中,PI3K發(fā)揮非常重要作用[4]。M-CSF能激活PI3K影響破骨細(xì)胞存活,也能調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞肌動蛋白重塑,導(dǎo)致抑制膜皺褶、肌動蛋白環(huán)以及骨陷窩的形成。

1.1.5Ca2+信號通路:破骨細(xì)胞中的Ca2+信號是細(xì)胞分化、骨吸收和基因轉(zhuǎn)錄等多種細(xì)胞功能所必需的[4]。長時間低水平的Ca2+信號能激活活化T細(xì)胞核因子(NFAT),促進(jìn)破骨細(xì)胞形成。骨保護(hù)素可通過Ca2+信號抑制破骨細(xì)胞分化。

1.1.6Src、Akt信號通路:編碼非受體酪氨酸激酶(Src)基因的缺失使成熟破骨細(xì)胞活動性降低,皺褶邊緣及骨吸收的相關(guān)細(xì)胞骨架異常,不能有效發(fā)揮骨吸收功能。蛋白激酶B(Akt)信號調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的融合。Akt通過降低ras同系物家族成員A(RhoA)活性,增強(qiáng)Akt/GSK3β/NFATc1信號傳導(dǎo),促進(jìn)破骨細(xì)胞生成,增強(qiáng)骨吸收[7]。

1.1.7PKC信號通路:蛋白激酶C(PKC)通路是破骨細(xì)胞重要的抑制性第二信使。PKC通過M-CSF和RANKL信號通路,影響破骨細(xì)胞的形成和功能。PKC促進(jìn)破骨細(xì)胞消融,導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量和表面積的減少。

1.1.8Ig-like受體信號通路:Ig-like受體在破骨細(xì)胞分化中起重要作用。細(xì)胞表面免疫受體酪氨酸抑制基序列(ITIM)含有Ig樣受體調(diào)控破骨細(xì)胞形成,抑制性Ig樣受體招募Src同源2結(jié)構(gòu)域的酪氨酸磷酸酶1(SHP-1)在破骨細(xì)胞前體細(xì)胞上表達(dá)。

1.2 調(diào)控成骨細(xì)胞的信號通路

1.2.1Wnt/β-catenin信號通路:Wnt/β-catenin蛋白由19個分泌糖蛋白組成,具有調(diào)控細(xì)胞生長、分化和凋亡的功能。激活的Wnt/β-catenin通過干細(xì)胞更新、誘導(dǎo)成骨細(xì)胞生成、抑制成骨細(xì)胞凋亡,促進(jìn)骨形成,在骨穩(wěn)態(tài)和骨修復(fù)中起重要作用[8-9]。

1.2.2Hedgehog信號通路:Hedgehog是一種高度保守的分泌性糖蛋白,與BMP協(xié)同作用影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化成骨細(xì)胞,調(diào)節(jié)Ⅰ型膠原和堿性磷酸酶含量,促進(jìn)成骨細(xì)胞外基質(zhì)形成與骨基質(zhì)礦化。負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖分化以及維持組織穩(wěn)態(tài)[10]。

1.2.3BMP-2/Smad信號通路:骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵蛋白,其中BMP-2又是最有效的細(xì)胞因子之一,并能誘導(dǎo)骨形成。BMP-2/Smad信號通路可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)分化成骨細(xì)胞,增加骨橋蛋白(OPN)表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)成熟與礦化,促進(jìn)骨形成[10]。

1.2.4PI3K/Akt信號通路:PI3K/Akt信號通路由一系列膜受體和生長因子激活,可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化,是許多系統(tǒng)中調(diào)節(jié)骨再生過程的關(guān)鍵信號通路。PI3K/Akt信號通路可促進(jìn)成骨前體細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,通過轉(zhuǎn)錄因子Runx2促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、增殖與礦化,協(xié)同BMP維持BMP-2/Smad信號通路活性,促進(jìn)骨形成。

2 骨質(zhì)疏松易感基因

2.1 VDR受體基因

維生素D受體(vitamin D receptor,VDR)主要在成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)、破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)、腸道、甲狀旁腺以及腎臟的細(xì)胞表面上表達(dá),在細(xì)胞分化和調(diào)控不同細(xì)胞類別的增殖中起關(guān)鍵作用[11]。位于OB上的VDR能夠增加骨鈣素、骨橋蛋白的生成,使OB分泌細(xì)胞因子,參與骨組織形成和骨組織礦化[12];位于OC上的VDR能夠抑制OC增殖且促進(jìn)OB分化,加速鈣、磷的釋放。

VDR基因多態(tài)性可干擾mRNA表達(dá)和剪接,影響mRNA的數(shù)量及穩(wěn)定性,從而引起VDR蛋白水平和功能的微小差異,進(jìn)一步通過VDR蛋白與其靶基因間的作用調(diào)節(jié)骨代謝[13]。

2.2 LRP5基因

低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5(LRP5)基因作為共受體參與WNT經(jīng)典信號通路調(diào)節(jié)骨代謝[14]。LRP5基因單核苷酸的突變與骨質(zhì)疏松及2型糖尿病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān),其機(jī)制可能是突變影響其與配體結(jié)合,改變受體信號傳導(dǎo)系統(tǒng),從而影響疾病發(fā)生發(fā)展[15]。

2.3 MTHFR基因

亞甲基四氫葉酸還原酶(MTHFR)基因是影響骨質(zhì)疏松及骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)病的重要候選基因之一,是葉酸代謝通路上參與DNA正常合成和甲基化的一種黃素依賴蛋白。MTHFR基因的2個多態(tài)性位點與絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松發(fā)病風(fēng)險相關(guān)[16]。

2.4 ER基因

雌激素(E)主要通過與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的雌激素核內(nèi)特異性受體結(jié)合,發(fā)揮生物學(xué)作用。

雌激素受體(ER)基因突變對雌激素生理作用有巨大影響,當(dāng)編碼ER的基因變異時,其蛋白分子構(gòu)象改變,影響雌激素對骨代謝的調(diào)節(jié)[13]。

成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞均存在ER。雌激素與成骨細(xì)胞內(nèi)的受體結(jié)合,促進(jìn)膠原酶與細(xì)胞因子、生長因子分泌,調(diào)節(jié)骨代謝。雌激素作用于破骨細(xì)胞的ER,抑制破骨細(xì)胞溶酶體酶活性,抑制骨吸收。

2.5 COL1A1和COL1A2基因

Ⅰ型膠原α1(COL1A1)基因突變可致低骨量、骨脆性增加,COL1A1基因多態(tài)性與BMD降低、骨質(zhì)疏松有關(guān),同時COL1A1 SP1是骨折獨(dú)立的危險因子[13]。

COL1A1多態(tài)性可作為骨質(zhì)疏松與骨折風(fēng)險的預(yù)測指標(biāo)。Ⅰ型膠原α2(COL1A2)基因與全身性硬皮病、成骨不全等疾病有關(guān)。

2.6 PTH基因

持續(xù)大劑量甲狀旁腺素(PTH)通過RANKL-OPG-RANK受體信號通路,上調(diào)破骨細(xì)胞RANKL的表達(dá),誘導(dǎo)成熟的破骨細(xì)胞形成,加快骨吸收;間歇性小劑量,PTH的氨基末端區(qū)域與PTH R1結(jié)合,通過與G蛋白和腺苷酸環(huán)化酶相互作用,產(chǎn)生cAMP,進(jìn)一步激活成骨細(xì)胞,促進(jìn)骨形成[17]。

2.7 PTHrP受體基因

甲狀旁腺素相關(guān)蛋白(PTHrP)受體基因刺激腺苷酸環(huán)化酶,抑制堿性磷酸酶及胞內(nèi)鈣第二信息系統(tǒng)的生成和活性。可引起PTH樣磷酸鹽尿和低鈣尿癥,促進(jìn)1,25-(OH)2D3合成[18]。

2.8 CTR基因

降鈣素受體(CTR)基因型和絕經(jīng)后的婦女股骨頸骨密度有關(guān),與絕經(jīng)后婦女的骨密度存在一定的關(guān)聯(lián)。降鈣素受體間不同的基因型可能會影響絕經(jīng)后婦女的骨丟失速率和骨密度,而且存在性別的差異[19]。

2.9 CaSR基因

鈣敏感受體(CaSR)是一種分子量為120～160 kDa的C族G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR),在甲狀旁腺和腎臟中表達(dá)最高,通過調(diào)節(jié)甲狀旁腺激素分泌和尿鈣排泄,在全身鈣代謝中起關(guān)鍵作用。CaSR功能異常不僅會影響鈣代謝性疾病(如甲狀旁腺功能亢進(jìn)癥)和非鈣代謝性疾病(如心血管疾病和癌癥)的發(fā)展,還會引發(fā)如腫瘤、糖尿病、心肌缺血再灌注損傷等許多全身疾病或臟器損害。

3 骨質(zhì)疏松相關(guān)蛋白

3.1 ApoE

載脂蛋白E(ApoE)作為一種血漿主要載脂蛋白,對維持骨量有重要作用。ApoE通過抑制NF-κB信號通路,抑制OC與樹突狀細(xì)胞功能的協(xié)同刺激調(diào)節(jié)因子(OSCAR)的表達(dá),抑制OC的形成與分化[20]。

3.2 Klotho蛋白

Klotho蛋白可通過調(diào)節(jié)磷酸鹽、骨礦化、維生素D及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化成熟、生物活性與細(xì)胞凋亡影響骨代謝。Klotho蛋白可通過與Wnt配體結(jié)合,或介導(dǎo)FGF23,調(diào)控Wnt信號通路,參與骨代謝過程[21]。

3.3 BMPs

骨形態(tài)蛋白(BMPs)是多功能生長因子,它屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族,有近20種BMPs成員,具有不同程度促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力,是骨組織損傷修復(fù)與再生過程的生理基礎(chǔ)[22]。

3.4 BSP

骨涎蛋白(BSP)由成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等骨相關(guān)細(xì)胞分泌[23]。BSP可以增加RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體的骨吸收能力,并可以提高細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平,而破骨細(xì)胞的活化亦可提高細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平,而鈣調(diào)磷酸酶/NFAT通路可以維持破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性的平衡[24]。

BSP是具有多功能的主要骨細(xì)胞外基質(zhì)非膠原蛋白,它可與αVβ3、αVβ5和RANKL發(fā)生相互作用,促進(jìn)破骨細(xì)胞附著和分化以及骨吸收,從而誘發(fā)一系列骨吸收性疾病如牙周炎、骨質(zhì)疏松,以及多種惡性腫瘤的骨轉(zhuǎn)移[25]。

3.5 LRP5

低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5(LRP5)是一種細(xì)胞表面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體。LRP5純合功能缺失型突變、復(fù)合雜合功能缺失型突變及雜合功能缺失型突變患者易發(fā)生骨質(zhì)疏松癥。

LRP5單核苷酸多態(tài)性與年輕人群峰值骨量的獲得和老年人群骨質(zhì)疏松性骨折風(fēng)險密切相關(guān)[26]。

3.6 AP-1

激活蛋白-1(AP-1)作為RANKL/RANK信號通路的重要轉(zhuǎn)錄因子,主要通過NF-κB和JNK、ERK和p38信號通路調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成,參與骨代謝過程,與骨質(zhì)疏松、骨腫瘤等代謝性骨疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[27]。

3.7 Scl

硬化蛋白(Scl)是SOST基因表達(dá)的一種含190個氨基酸的分泌型糖蛋白,骨細(xì)胞是其主要來源。

硬化蛋白是在對硬化癥(Sclerosteosis)和范布赫姆病(Van Buchem disease)的研究中發(fā)現(xiàn)的,在這兩種疾病中均發(fā)現(xiàn)表達(dá)硬化蛋白的SOST編碼基因突變,且都表現(xiàn)為高骨量疾病[28]。硬化蛋白是骨形成、骨量和骨強(qiáng)度的負(fù)向調(diào)節(jié)劑[29]。

4 骨質(zhì)疏松分子治療靶點

4.1 與Notch信號通路相關(guān)的中藥有效成分

中藥通過Notch信號通路調(diào)節(jié)成骨。補(bǔ)骨脂具有補(bǔ)腎壯陽、固精縮尿、溫脾止瀉等功效,現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,補(bǔ)骨脂具有多種藥理活性,包括類雌激素作用,可促進(jìn)骨再生和重建[30]。

淫羊藿具有補(bǔ)腎陽、強(qiáng)筋骨、祛風(fēng)濕等功效。

中藥有效成分刺五加苷、杜仲總苷和齊墩果酸等均能通過Notch信號通路介導(dǎo)干預(yù)BMSCs的成骨分化,在不同程度上改善骨密度,同時影響相關(guān)骨細(xì)胞的凋亡以防治骨質(zhì)疏松[31-33]。

葛根素是葛根中含有的一種黃酮類衍生物,葛根素顯著抑制破骨細(xì)胞形成和分化相關(guān)基因表達(dá),通過抑制Notch信號通路使得Notch1、Notch2、Hes1、Jaggde1、Jaggde2蛋白表達(dá)量降低。

4.2 Wnt/β-catenin蛋白靶向治療骨質(zhì)疏松

中醫(yī)藥可通過作用于Wnt/β-catenin 蛋白介導(dǎo)的信號通路防治骨質(zhì)疏松。Wnt/β-catenin信號通路是促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化途徑中的重要信號通路之一,信號通路中的各種蛋白均在成骨中起調(diào)控作用,同時信號通路在骨質(zhì)疏松內(nèi)環(huán)境下對促進(jìn)成骨起重要作用[34]。

Wnt/β-catenin途徑失活會抑制成骨細(xì)胞的活性,骨吸收增強(qiáng)導(dǎo)致骨量減少。隨著年齡的增長,骨質(zhì)疏松患者骨形成逐漸減少、骨髓脂肪逐漸增加[35]。

Wnt/β-catenin信號通路為骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制及精準(zhǔn)靶向治療提供一定參考,為中藥多靶點治療骨質(zhì)疏松癥提供新思路。

4.3 RANKL單克隆抗體

地舒單抗(denosumab)是一種RANKL抑制劑,為特異性RANKL 的完全人源化單克隆抗體,能夠抑制RANKL與其受體RANK結(jié)合,減少破骨細(xì)胞形成、功能和存活,從而降低骨吸收、增加骨密度、改善皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的強(qiáng)度,降低骨折發(fā)生風(fēng)險[36]。

4.4 羅莫佐單抗

羅莫佐單抗(romosozumab)是硬骨抑素單克隆抗體,通過抑制硬骨抑素(sclerostin)的活性,拮抗其對骨代謝的負(fù)向調(diào)節(jié)作用,在促進(jìn)骨形成的同時抑制骨吸收[37]。

5 結(jié)語

成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞維持骨重建的分子機(jī)制永遠(yuǎn)是骨質(zhì)疏松科學(xué)研究的主要方向,骨代謝生物學(xué)信號通路、骨質(zhì)疏松易感基因、骨質(zhì)疏松相關(guān)蛋白的研究,不僅提升骨質(zhì)疏松診斷的科技含量和創(chuàng)新,也必將推動骨質(zhì)疏松分子生物靶向治療的進(jìn)程。

執(zhí)筆:張萌萌 毛未賢 馬倩倩

編審:張秀珍(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院)、鄧偉民(中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院)、葛繼榮(福建省中醫(yī)藥科學(xué)院)、黃宏興(廣州中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院)、張巖(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院)、徐輝(吉林大學(xué))、張東偉(北京中醫(yī)藥大學(xué)糖尿病研究中心)、史曉林(浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院)、李毅中(福建醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院)、吳巖(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué))、孔西建(河南省骨科醫(yī)院)、吳滌(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院)、楊書滿(吉林大學(xué))、張曉梅(北京大學(xué)國際醫(yī)院)、張智海(中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院)、馬勇(南京中醫(yī)藥大學(xué))、陳允震(山東大學(xué)齊魯醫(yī)院)、鄒軍(上海體育大學(xué))、趙東峰 (上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院)、周惠瓊(中國人民解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心)、趙國陽(江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院)、王永福(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院)、李英華(上海市第五人民醫(yī)院)、方秀統(tǒng)(首都醫(yī)科大學(xué)北京世紀(jì)壇醫(yī)院)、胡玲(南昌大學(xué)第三附屬醫(yī)院)