黨祎 姚紅林 袁能華 馬亞萍 張怡 王信*

1.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科,貴州 遵義 563003

2.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院手術(shù)室,貴州 遵義 563003

3.遵義醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,貴州 遵義 563000

骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生是骨重塑過程不平衡所致,主要是由于破骨細(xì)胞對骨的重吸收超過了成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成[1]。作為破骨細(xì)胞分化和破骨細(xì)胞基因表達(dá)的主要調(diào)控因子之一,抑制活化T細(xì)胞胞質(zhì)核因子1(nuclear factor of activated T cell cytoplasmic 1,NFATc1)的表達(dá)和易位及其活性可減少破骨細(xì)胞的形成和骨吸收,從而保證骨穩(wěn)態(tài)平衡并減少骨疾病的發(fā)生[2]。本文擬綜述NFATc1影響破骨細(xì)胞的生成與分化,及NFATc1與骨修復(fù)材料的研究進(jìn)展,希望能對調(diào)控NFATc1靶點治療骨質(zhì)疏松癥的基礎(chǔ)、臨床及骨組織工程應(yīng)用提供幫助。

1 骨質(zhì)疏松癥

骨量減少和骨組織微結(jié)構(gòu)異常是骨質(zhì)疏松癥的顯著特征,這一普遍存在的全身性骨病導(dǎo)致骨脆性增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致骨折風(fēng)險增加[3]。目前認(rèn)為,骨質(zhì)疏松癥的重要機(jī)制之一在于破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收作用超過了成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成作用,從而導(dǎo)致了骨平衡的破壞[4],見圖1。因此,為了達(dá)到理想的骨質(zhì)疏松治療效果,需要通過一系列復(fù)雜而緊密的調(diào)控過程來維持破骨細(xì)胞的骨吸收和成骨細(xì)胞的骨基質(zhì)形成之間適當(dāng)?shù)钠胶鉅顟B(tài)[5],從而有效降低骨疾病的發(fā)生率。

圖1 骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制Fig.1 Diagram of the pathogenesis of osteoporosis

2 NFATc1

作為活化T細(xì)胞核因子家族(nuclear factor of activated T cell,NFAT)的重要一員,活化T細(xì)胞核因子1(nuclear factor of activated T cell cytoplasmic 1,NFATc1)早在20世紀(jì)80年代首次被Shaw等[6]在激活的T細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。NFATc1常駐于T細(xì)胞胞質(zhì)中,其表達(dá)受鈣調(diào)磷酸酶的調(diào)控:T細(xì)胞受體與抗原的連接觸發(fā)了受體相關(guān)的酪氨酸激酶的激活,從而導(dǎo)致了磷脂酶C-γ(Phospholipase C,PLC-γ)的激活。激活的PLC-γ導(dǎo)致磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸的水解,從而產(chǎn)生肌醇-1,4,5-三磷酸(inositol1,4,5-trisphosphate,IP3)和二?；视?diacylglycerol,DAG)。IP3與其受體結(jié)合,并向細(xì)胞質(zhì)釋放Ca2+離子。鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)捕獲游離Ca2+離子并激活磷酸酶鈣調(diào)磷酸酶,促使NFATc1中的絲氨酸殘基去磷酸化,從而激活NFATc1并進(jìn)行擴(kuò)增,同時將其易位到細(xì)胞核中,進(jìn)而激活靶基因的轉(zhuǎn)錄[7-8]。NFATc1不僅在免疫系統(tǒng)、心臟瓣膜和間隔的形成及動脈粥樣硬化中不可或缺,還對于破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)分化至關(guān)重要[9]。已有研究證實[10],通過驅(qū)動NFATc1的轉(zhuǎn)錄控制破骨細(xì)胞分化能夠調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了NFATc1調(diào)控破骨細(xì)胞分化和骨吸收的機(jī)制為進(jìn)一步探索NFATc1對破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用尤為必要。

2.1 NFATc1通過相關(guān)信號通路介導(dǎo)破骨吸收

破骨細(xì)胞源于巨噬細(xì)胞/單核細(xì)胞系來源的前體細(xì)胞,在巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)和核因子-κB受體激活劑配體(receptor activator of nuclear factor kappa B ligand,RANKL)的刺激下分化而成,其具備骨吸收功能從而影響骨重塑平衡狀態(tài)。在破骨細(xì)胞生成早期,RANK被觸發(fā)激活且IP3誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流,隨后激活NFATc1從而促進(jìn)多種破骨基因如抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)及組織蛋白酶K(Cathepsin K,CTSK)等的表達(dá)[11-12]。因此,NFATc1在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞相關(guān)基因方面發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。Zhang等[13]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Bhlhe40的缺乏不僅導(dǎo)致體內(nèi)骨量增加和破骨細(xì)胞分化減少,還能夠減輕骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展,而這一過程的發(fā)生正是通過直接結(jié)合NFATc1和c-Fos的啟動子區(qū)域并調(diào)控其表達(dá)所致。另有研究指出,NFATc1缺陷小鼠由于破骨細(xì)胞生成受損從而導(dǎo)致發(fā)生骨質(zhì)疏松[14]。這些研究結(jié)果表明,NFATc1是破骨細(xì)胞分化的重要調(diào)控因子。作為破骨分化的重要特異性調(diào)節(jié)器,NFATc1已被證實常參與RANKL、NF-κB、MAPK及Ca2+等信號通路調(diào)控骨吸收過程[15-17],相關(guān)信號通路調(diào)節(jié)過程將在以下進(jìn)行具體闡述,見圖2。

圖2 NFATc1參與RANKL、NF-κB、MAPK及Ca2+等多種信號通路介導(dǎo)骨吸收過程的作用機(jī)制Fig.2 Mechanism of action of NFATc1 involved in various signaling pathways such as RANKL, NF-κB, MAPK, and Ca2+ to mediate the process of bone resorption

2.1.1RANK-RANKL信號通路:RANKL是一種Ⅱ型跨膜蛋白,其羧基末端具有胞外結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。這類細(xì)胞外域被基質(zhì)金屬蛋白酶等酶類切割,隨后以可溶性形式釋放RANKL至細(xì)胞外環(huán)境中[18]。在早期階段,RANKL通過與巨噬細(xì)胞表面表達(dá)的RANK受體結(jié)合的一系列中間信號,直接引發(fā)破骨細(xì)胞從破骨前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化[19]。作為破骨細(xì)胞中RANK-RANKL信號通路的下游轉(zhuǎn)錄因子,NFATc1在調(diào)控破骨細(xì)胞分化方面扮演著至關(guān)重要的角色[20]。具體來講,RANKL與受體RANK的結(jié)合導(dǎo)致銜接蛋白的募集如腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6),其參與激活下游信號級聯(lián)反應(yīng),如NF-κB、c-Jun、c-Fos和激活蛋白1(activator protein,AP-1)[20],最后誘導(dǎo)以NFATc1為主的轉(zhuǎn)錄因子的激活與表達(dá),并促進(jìn)其去磷酸化和核轉(zhuǎn)位,從而誘導(dǎo)產(chǎn)生破骨分化所必需的基因如TRAP、降鈣素受體和CTSK[21],這對于破骨細(xì)胞的生成至關(guān)重要。Lee等[22]研究發(fā)現(xiàn),通過抑制丙酮酸脫氫酶激酶拮抗RANK-RANKL信號通路能夠降低細(xì)胞核中NFATc1蛋白的表達(dá)水平,從而抑制破骨基因如TRAP、CTSK等的表達(dá),進(jìn)而阻止破骨細(xì)胞分化和骨吸收。這也證實了RANK-RANKL作為上游介導(dǎo)的以NFATc1為靶點的信號通路對破骨形成的影響。此外,RANKL還能夠刺激免疫球蛋白樣受體如骨髓細(xì)胞上表達(dá)的觸發(fā)受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM-2)、信號調(diào)節(jié)蛋白β-1(signal-regulatory protein β-1,SIRP-β1)、唾液酸結(jié)合免疫球蛋白樣凝集素15(sialic acid-binding immunoglobulin-like lectin 15,Siglec-15)、破骨細(xì)胞相關(guān)受體(osteoclast-associated receptor,OSCAR)、配對免疫球蛋白樣受體A(paired immunoglobulin-like receptor A,PIR-A)和FcγR Ⅲ,這些受體與DNAX-活化蛋白(DNAX-activating protein of 12 kDa,DAP12)和Fc受體γ鏈(Fc receptor γ-chain,FcRγ)結(jié)合介導(dǎo)免疫酪氨酸激活基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motif,ITAM)信號傳導(dǎo)。ITAM磷酸化導(dǎo)致脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase,Syk)的募集,進(jìn)而激活B-細(xì)胞連接蛋白(B cell linker,BLNK)和含SH2結(jié)構(gòu)域的76 kDa的白細(xì)胞蛋白(SH2 domain-containing leukocyte protein of 76 kDa,SLP76)等銜接蛋白,這些銜接蛋白作為支架募集布魯頓酪氨酸激酶/酪氨酸蛋白激酶(bruton tyrosine kinase/tyrosine-protein kinase Tec,Btk/Tec)和PLC-γ,形成破骨細(xì)胞信號復(fù)合物。該復(fù)合物有效激活鈣信號,這些信號級聯(lián)最終導(dǎo)致NFATc1的誘導(dǎo)和激活[23],見圖3。綜上,NFATc1的生成受到RANK-RANKL信號通路的精準(zhǔn)調(diào)控,從而對破骨細(xì)胞的形成產(chǎn)生了顯著影響。

圖3 RANKL信號通路在破骨細(xì)胞發(fā)生中的作用Fig.3 The role of RANKL signaling pathway in osteoclastogenesis

2.1.2NF-κB信號通路:NF-κB作為RANK-RANKL活化的一條主要下游信號通路,在破骨細(xì)胞的發(fā)生中發(fā)揮的作用不可或缺[24]。在典型NF-κB信號途徑中,RANKL和RANK的結(jié)合可進(jìn)一步誘導(dǎo)核因子κB抑制因子α(inhibitory Subunit Of NF Kappa B Alpha,IκB-α)降解和p65亞基磷酸化,p65轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核中啟動破骨細(xì)胞相關(guān)基因和蛋白包括TRAP、c-Fos、CTSK和基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)的表達(dá)[25]。不僅如此,NF-κB的p50和p65亞基響應(yīng)RANKL,通過與NFATc1啟動子區(qū)結(jié)合誘導(dǎo)NFATc1表達(dá)[26]。已有研究發(fā)現(xiàn),NF-κB抑制劑是通過降低NFATc1對RANKL信號通路的抑制作用來誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的產(chǎn)生[27]。而Liu等[24]的研究也發(fā)現(xiàn)麻黃素具有破壞破骨細(xì)胞分化和吸收功能,而這一機(jī)制主要是通過減弱RANKL刺激的NF-κB信號通路和NFATc1活性來降低破骨基因和蛋白的表達(dá)來實現(xiàn)的。由此證明了NF-κB在RANKL-RANK信號誘導(dǎo)NFATc1的激活中的上下游調(diào)節(jié)關(guān)系及其在破骨分化中的調(diào)節(jié)作用。

2.1.3MAPK信號通路:破骨細(xì)胞分化受細(xì)胞因子RANKL和M-CSF調(diào)控。在破骨細(xì)胞分化和骨吸收過程中,M-CSF和RANKL均通過MAPK信號傳導(dǎo)發(fā)揮作用。M-CSF與其受體的結(jié)合導(dǎo)致MAPK和Akt的激活,從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的存活[28]。RANKL則與RANK受體結(jié)合可募集TRAF6,從而啟動下游信號通路MAPK,并激活其下游NFATc1的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而調(diào)控破骨分化[29]。因此,MAPK信號通路在破骨細(xì)胞分化過程的重要性不言而喻。MAPK是一種包含細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、c-JunN 端激酶(c-Jun N terminal kinase,JNKs)和p38的復(fù)合物,它對基因誘導(dǎo)、細(xì)胞增殖和存活、細(xì)胞凋亡和分化、細(xì)胞應(yīng)激和炎癥反應(yīng)等多種生物學(xué)結(jié)果產(chǎn)生重要影響,同時也是正常破骨細(xì)胞分化和激活的關(guān)鍵[30]。RANKL通過刺激下游信號MAPKs(ERK、JNK、p38)磷酸化激活,從而誘導(dǎo)了破骨細(xì)胞分化相關(guān)因子NFATc1的自我擴(kuò)增;然后,NFATc1易位到細(xì)胞核,促進(jìn)破骨細(xì)胞相關(guān)的TRAP、MMP9、CTSK、DC-STAMP和OSCAR基因的表達(dá)[15]。這一機(jī)制已在Xu等[31]的研究中得以證實,他們通過使用寡聚糖減弱RANKL介導(dǎo)的MAPK通路,發(fā)現(xiàn)NFATc1的表達(dá)降低,從而影響破骨細(xì)胞分化。ERK活化是成熟破骨細(xì)胞存活的關(guān)鍵[32]。Ras作為ERKs的上游激活蛋白,通過高親和力和Raf-1 N-端結(jié)合,將Raf從胞漿轉(zhuǎn)移到胞膜上,從而激活Raf在胞膜上的作用,進(jìn)而誘導(dǎo)MAPK/ERK激酶MEK1和MEK2,從而控制ERK1和ERK2的激活;并導(dǎo)致多種下游效應(yīng)物如c-Fos和NFATc1磷酸化[33]。NFATc1作為破骨細(xì)胞生成的重要轉(zhuǎn)錄因子,在ERK信號的調(diào)節(jié)下對破骨細(xì)胞的融合和骨吸收進(jìn)行調(diào)控[34]。同樣,JNKs也參與了破骨細(xì)胞的形成,由JNKs控制的AP-1和相關(guān)基因(c-Jun、JunB、c-Fos)對于破骨細(xì)胞的分化和成熟也是至關(guān)重要的[35]。RANKL誘導(dǎo)JNK活化,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子c-Jun的磷酸化,進(jìn)而與c-Fos形成復(fù)合物,成為破骨細(xì)胞生成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子;JNK信號也上調(diào)鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶、c-Fos和NFATc1,因而促進(jìn)形成破骨細(xì)胞[33]。Chang等[36]研究表明,炎癥環(huán)境中的IL-16增強(qiáng)了JNK的磷酸化,進(jìn)而激活下游分子NFATc1和TRAP,最終導(dǎo)致單核細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞并導(dǎo)致小鼠骨質(zhì)流失。這一研究表明,和ERK一樣,JNK也通過影響NFATc1的轉(zhuǎn)錄影響骨平衡。此外,作為MAPK家族的一員,P38經(jīng)RANKL介導(dǎo)從而激活下游c-Fos、NFATc 1等破骨細(xì)胞分化相關(guān)因子影響破骨分化[37]。已有研究者使用高姜素抑制了p38以及下游因子NFATc1、c-Jun和c-Fos的磷酸化可抑制破骨細(xì)胞的發(fā)生,從而有效地抑制骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生和進(jìn)展[38]。綜上所述,作為影響破骨的重要下游信號通路之一,MAPK通路通過調(diào)節(jié)NFATc1影響破骨細(xì)胞的形成,而這一機(jī)制也將成為未來治療骨質(zhì)疏松癥的重要靶點。

2.1.4Ca2+信號通路:除上述信號通路外,RANKL與RANK之間的相互作用還可以激活Ca2+通路影響破骨細(xì)胞[39],這對于破骨細(xì)胞增殖、分化、基因轉(zhuǎn)錄和骨吸收等多種功能至關(guān)重要[40]。前面章節(jié)已闡明在破骨細(xì)胞形成的早期階段,RANK和RANKL的聯(lián)合作用引發(fā)了TRAF6的激活并刺激PLCγ產(chǎn)生IP3,從而引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放。細(xì)胞內(nèi)驟升的Ca2+使通過CaM激活鈣調(diào)磷酸酶后使NFAT調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的絲氨酸殘基去磷酸化,改變NFAT蛋白的構(gòu)象,暴露出核定位序列,從而促進(jìn)其從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核,并在細(xì)胞核中作為轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)一步誘導(dǎo)和激活NFATc1[41],同時增加破骨細(xì)胞特異性基因(如TRAP、CTSK等)的表達(dá),刺激破骨細(xì)胞前體的成熟,并增強(qiáng)破骨細(xì)胞相關(guān)蛋白的活性[42]。因此,Ca2+信號對于破骨細(xì)胞的分化和功能至關(guān)重要。Hong等[43]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過抑制RANKL誘導(dǎo)的Ca2+振蕩的增加,從而抑制NFATc1的激活和自我擴(kuò)增。這一研究結(jié)果表明抑制NFAT反式激活取決于RANKL誘導(dǎo)的Ca2+振蕩的減少。另有研究發(fā)現(xiàn),通過使用青蒿琥酯抑制TRAF6和下游PLCγ-1-Ca2+-NFATc1信號通路的表達(dá)可以減弱破骨細(xì)胞生成[44]。這些研究表明,破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子NFATc1依賴于Ca2+信號通路,從而調(diào)節(jié)RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。

2.2 NFATc-1與骨質(zhì)疏松

骨代謝過程中破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收和成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成之間的平衡失調(diào),是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的主要原因[45]。當(dāng)破骨細(xì)胞對骨的吸收超過成骨細(xì)胞形成新骨的速度會損害骨骼穩(wěn)態(tài),導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的持續(xù)發(fā)展[46]。

在破骨細(xì)胞的形成過程中,NFATc1作為“開關(guān)”啟動破骨細(xì)胞的分化和成熟[9]。Long等[47]研究發(fā)現(xiàn),通過抑制NFATc1進(jìn)入細(xì)胞核來減少破骨細(xì)胞的產(chǎn)生和骨吸收,可用于治療雌激素缺乏和破骨細(xì)胞亢進(jìn)所致的骨質(zhì)疏松癥。另有研究表明,通過抑制NFATc1的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄活性,可有效地抑制破骨細(xì)胞的形成和功能,從而進(jìn)一步降低下游破骨細(xì)胞基因的表達(dá)水平[48]。這可能為研究針對破骨失衡誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥的治療方法鋪平道路。

NFATc1作為破骨細(xì)胞信號通路的重要下游轉(zhuǎn)錄因子之一,對其調(diào)節(jié)可以影響破骨細(xì)胞的生成,而這一機(jī)制也將有望成為未來治療骨質(zhì)疏松癥的重要靶點。

2.3 NFATc-1與骨修復(fù)材料

隨著組織工程技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,基于生物材料的治療策略最近成為治療骨質(zhì)疏松癥的有效替代方案[49]。已有研究人員探索鈦植入物表面對破骨細(xì)胞發(fā)生的調(diào)控機(jī)制,通過評估不同鈦植入物表面刺激后NFATc1的表達(dá)情況,他們發(fā)現(xiàn)仿生微/亞微層級表面可能通過下調(diào)NFATc1表達(dá)抑制破骨細(xì)胞分化,進(jìn)而以促進(jìn)種植體與骨的骨融合,從而提高骨質(zhì)疏松患者的治療效果[50]。Ha等[51]研究揭示了二氧化硅納米顆粒在抑制RANKL刺激早期關(guān)鍵破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子NFATc1方面的作用。在此基礎(chǔ)上,他們進(jìn)一步將此蛋白修飾于二氧化硅納米顆粒表面并構(gòu)建成具有抗骨質(zhì)疏松活性的藥物載體。這項研究揭示了納米顆粒在骨代謝方面的潛在治療應(yīng)用。應(yīng)用生物材料調(diào)控NFATc1從而抑制過度破骨吸收誘導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)失衡,這在未來將有望成為臨床上治療骨質(zhì)疏松癥的一種新的策略思想。

3 總結(jié)與展望

骨質(zhì)疏松癥是一種由破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨質(zhì)吸收過程,其強(qiáng)度超過了成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨質(zhì)形成,從而導(dǎo)致了骨平衡的破壞。既往研究證實,NFATc1可以通過調(diào)控RANKL-RANK、NF-κB、MAPK、Ca2+等信號通路的表達(dá)影響破骨細(xì)胞的生成與分化,在骨質(zhì)疏松癥領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而,對于NFATc1通過多種信號通路作用于破骨細(xì)胞生成過多誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松的相關(guān)機(jī)制研究較為零散。關(guān)于生物材料靶向NFATc1的研究還處于起步階段,其機(jī)制和相關(guān)信號通路仍需進(jìn)一步探索。