初級纖毛及IFT系統與骨骼發育的研究進展

陳靖綜述 何葦審校

遵義醫科大學附屬口腔醫院口腔頜面外科，貴州 遵義 563000

初級纖毛(primary cilia，PC)是感知和傳導細胞內外信號從而調節細胞行為的基本感官細胞器[1]。在20世紀60 年代，科學家就發現軟骨細胞中存在纖毛[2]。隨后的研究表明，纖毛也存在于成骨細胞、骨細胞和間充質干細胞中。頜面骨從胚胎發育以及發育完成后不斷重塑改建以適應和滿足外界環境變化的一切骨行為都被視為一動態過程。而PC在頜面骨發育及改建過程中則扮演著敏感、平衡的角色[3-4]。PC被認為是胚胎骨發育和維持出生后生長板軟骨和關節軟骨生長發育的化學傳感器和機械傳感器[5-6]。許多信號通路如Hedgehog (HH)和Wnt 信號通路的傳導與PC密切相關，而且是骨骼發育所必需。目前，越來越多的研究已將骨發育與PC 功能聯系起來。本文旨在綜述PC在骨發育中的作用，特別是PC依賴纖毛內轉運(intraflagellar Transport，IFT)系統層面與骨和軟骨形成之間的調控關系，以期最終可能為骨骼和頜面骨發育畸形和相關骨疾病的修復提供新的思路。

1 PC

PC又稱靜纖毛，是突出于細胞膜表面的一種高度分化的細胞結構，較為普遍的存在于多種非造血組織細胞的細胞膜表面[7]。每個細胞只有一根PC，相較于動纖毛而言，PC缺乏運動所需的兩個單中心為微管和動力蛋白臂，因此PC 缺乏合成其自身組裝和維持所需蛋白質的能力，故需要依賴于纖毛內轉運(intraflagellar transport，IFT)家族蛋白來進行物質轉運。IFT最早是在固定的衣藻鞭毛內發現，在其他不同物種中也被研究過，發現它的基本行為都是較保守的。Kozminski 等[8]檢測了綠藻衣藻鞭毛中軸絲相關的運動，這是一個公認的纖毛研究模型，這種轉運機制即被稱為IFT。

纖毛發生過程中，軸絲的伸長和細胞膜的突起形成PC。軸絲構建和纖毛膜蛋白需要排列在特定結構中，以確保PC 發揮正確功能，因此蛋白合成需要很好的調控。蛋白質的生物合成發生在內質網，并通過高爾基體輸送到PC，當蛋白質到達PC的基底部時，蛋白質的轉運機制是保證纖毛蛋白質正確轉運和排列的關鍵。IFT蛋白不僅負責調控初級纖毛內物質的雙向轉運，還負責介導細胞質與PC 之間的各種信號分子的傳遞及交換運輸。根據生化特性和運輸方向的不同，IFT 蛋白被分為兩大類，即IFT-A 復合體和IFT-B復合體[9]。其中IFT-A復合體在Dynein-2 的驅動下主要介導由纖毛頂部向基底部的逆向轉運(retrograde)，IFT 蛋白包括IFT144、IFT140、IFT139、IFT122、IFT121和IFT43，而IFT-B復合體在kinesin-2的幫助下主要介導由纖毛基底部向頂部的順向轉運(antero-grade)，IFTB 蛋白有IFT172、IFT88、IFT81、IFT80、IFT74/72、IFT57/55、IFT52、IFT46、IFT27、IFT20[10-11]。由于初級纖毛必需通過IFT 蛋白介導信號分子蛋白的轉運，IFT 是負責調控纖毛內物質雙向運輸的家族蛋白，通過與軸絲連接介導細胞質與纖毛之間物質的交換運輸，并持續工作。因此IFT 中任何一個蛋白的缺失都有可能導致初級纖毛異常，從而出現多種發育和細胞信號缺陷，形成纖毛相關疾病。如神經退行性疾病、肥胖、失明、多囊腎、多指畸形、癌癥及代謝紊亂等.

2 骨骼的生長發育

骨骼的生長在人的一生中可以分為兩個基本過程，始于幼年骨發育，骨重塑于成年后并伴隨終生。在幼年骨發育過程中，骨的形狀以及大小的變化使得機體適應機械負荷。成年后，骨骼系統始終處于一種動態平衡中，在這過程中由成骨細胞形成和破骨細胞吸收來維持這種平衡狀態，兩者成年后骨動態平衡的過程就是骨重塑的過程。骨重建對骨穩態的維持和骨骼損傷的修復至關重要，骨形成和骨吸收的平衡一旦被打破，就可能造成骨質疏松等疾病[12]。

頜面骨在胚胎時期主要由神經嵴細胞和中胚層細胞發育而來[13]。骨骼都是由間充質細胞發育而來，間充質細胞在生長因子的調控下分化為軟骨細胞和成骨細胞等。脊椎動物的骨骼有兩種主要發育機制：一種是膜內成骨，頜面骨中的上頜骨及下頜骨體的生長發育就是以膜內成骨方式進行，表現為骨縫的沉積和表面骨的改建；而下頜支和顳下頜關節中的髁突則是通過另一種軟骨內成骨的方式進行[14]。顳下頜關節是由下頜骨的髁突、顳骨的關節面以及之間的關節盤構成。髁突在下頜骨關節運動功能行使中作為直接負載的結構、在出生后的下頜骨生長發育中都扮演著發源地的角色。行使說話及咀嚼功能時，需要髁突軟骨來保持下頜的平穩運動，髁突軟骨下骨是髁突骨改建與骨重塑的最終呈現區域，其富含神經血管，感受應力的同時為軟骨提供營養，在解剖結構上具有更活躍的改建基礎。軟骨是骨骼系統的重要組成部分，具有分泌軟骨基質、緩沖應力沖擊、承載重量、維持關節正?；顒拥泉毺毓δ?。軟骨細胞是軟骨組織中的主要細胞，高度分化、增殖和再分化的能力有限。軟骨細胞具有生物力學反應性和應激耐受能力。

一些纖毛疾病表現為嚴重的骨骼和顱面骨發育不良，如Ellis-van Creveld綜合征、Jeune窒息胸廓營養不良和短肋多指綜合征，表現為短骨、窄胸伴短肋骨和多指[15]。這些研究證實了PC 在正常骨骼發育和修復中所起的關鍵作用，而骨形成主要由成骨細胞和軟骨細胞執行，PC功能障礙與骨骼及顱面骨畸形之間的聯系說明了初級纖毛在調節成骨細胞和軟骨細胞。也已有研究報道PC參與成骨細胞的排列和極化以及成骨細胞分化和骨形成[16]。在成熟的關節軟骨中，PC識別、協調和調節許多細胞信號和過程，執行化學和機械敏感功能。IFT蛋白在髁突軟骨發育中的重要性也已有報道，異常的信號通路對軟骨下骨改建從而導致顳下頜關節骨關炎[17]。

3 PC及其IFT蛋白對骨發育的調控

PC 存在于各類骨骼細胞類型中，如骨細胞、成骨細胞及其前體細胞，軟骨細胞作為一種非增殖期細胞也被證實存在PC，且每個軟骨細胞僅有1 根PC[18]。PC不僅存在于骨骼細胞中，也已被證明參與了成骨細胞的排列、極化以及成骨細胞的分化和骨形成，對軟骨細胞正常生理功能的維持也至關重要，表現為可協助軟骨細胞的胞吞作用、促進增殖并調控凋亡[19]。在這些骨發育細胞中PC 是許多信號機制轉導的舞臺，對骨骼系統的發育、分化和出生后的動態平衡是必不可少的，在骨骼發育早期，PC 完整性是軟骨組織細胞形態和成骨正常發育的基礎。目前國內外均有報道，PC 在調節生長板功能和骨骼系統發育信號中發揮著關鍵作用[20]，同時，在改建期間，PC可通過介導某些受體、離子通道和轉運蛋白，以改變自身長度或彎曲程度的途徑來響應各種外界機械刺激進行適應性改建[21]。而且PC自身結構和功能的維持對于力學刺激對軟骨細胞生長發育調控也至關重要[22]。

同樣PC 的IFT 在骨發育中也起著十分重要的作用。PC本身無法合成用以組裝、功能行使和介導細胞內外信息的任何蛋白質，需要依賴IFT 家族蛋白將胞漿中合成的纖毛蛋白運輸到纖毛內部的特定位置從而發揮功能，IFT不單是運輸蛋白的必需體系，還是初級纖毛內與細胞質之間化學信息雙向傳遞的信號使者。在發育的小鼠肢體中，纖毛蛋白如IFT20、IFT80、IFT88 的缺失會導致軟骨內骨形成缺陷。IFT52 的變異也會導致不良的骨骼表現[23]。軟骨細胞內IFT40的缺失可影響髁突軟骨發育，造成髁突軟骨形態及軟骨下骨礦化改變，導致軟骨基質分泌異常和細胞凋亡增加。IFT20 在髁突軟骨的動態平衡中發揮著重要作用，有研究顯示軟骨細胞中IFT20 的缺失嚴重減弱了纖毛介導的HH 信號，并顯著減少了X 型膠原的產生水平，Yamaguch 等[24]采用條件性基因敲除模型小鼠，即在小鼠軟骨細胞中特異性敲除了IFT20，觀察到小鼠軟骨細胞IFT20 缺失會導致小鼠肢體伸展縮短，表明IFT20的表達在軟骨內成骨過程中起著關鍵作用，強調了IFT20在軟骨內成骨過程中調節成纖維細胞生長因子的關鍵重要性，而成纖維生長因子信號則控制著纖毛的長度[23]。IFT20在髁突軟骨的順式高爾基體中高度表達，髁突軟骨中IFT20的缺失降低了軟骨細胞的增殖和高爾基體大小，并損害了細胞中的纖毛生成。IFT20通過調節高爾基體和HH信號來維持髁突軟骨中的軟骨基質[25]。IFT88 是青少年骨骼發育過程中生長板的機械力依賴性調節器，確保青少年整個骨骼系統肢體的協調骨化，IFT88缺失損害破骨細胞向外周生長板的募集。IFT88還參與了下頜發育過程中的軟骨形成和成骨，其中部分是通過調節HH信號來實現的[26]。

目前，對于軟骨組織如何進行力學信號傳遞的具體機制仍不明確，現已發現軟骨細胞骨架及細胞外基質、機械敏感性離子通道等參與了力學轉導過程。隨著生物物理學的進一步研究，PC 可作為軟骨細胞一種新型力學傳感器參與關節軟骨的力學轉導機制也被逐步認識。

4 相關信號因子與PC相互作用后對骨發育的調控

PC是許多信號通路的信號傳導中樞，如酪氨酸激酶受體、轉化生長因子-β通路、G蛋白偶聯受體、HH、Wnt、Notch通路、骨形成發生蛋白等，它們促進了成骨細胞系的分化[27]。PC 還促進了間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSC)、成骨前細胞和骨細胞中物理信號的機械傳導，以促進成骨及參與骨代謝。

在過去的幾十年里，關于軟骨內骨化的分子機制國內外都已經取得了巨大的進展。研究者們已經認識到轉化生長因子-β/骨形態發生蛋白(TGF-β/BMP)、Wnt和HH信號相互作用以控制骨軟骨祖細胞的增殖和存活，而如何能夠準確的將生長信號因子傳導到細胞內從而控制軟骨內成骨的研究仍然在起步階段。

4.1 Hedgehog 信號通路纖毛內轉運的有序進行及原纖毛的正常生長和維持，對于HH 信號通路的正常運作至關重要。而當前已有許多研究發現，HH信號通路對于哺乳動物的骨骼和顱面部發育也有至關重要的調節作用，HH 信號通路的突變可能導致顱面畸形，如Hammond 等[28]發現HH信號通路異常會造成脊柱裂、露腦畸形及唇腭裂等[29]；Lorberbaum等[30]也證明了HH信號在胚胎腭突間充質中發生變異會使胚胎口鼻成型發生異常，并導致腭骨的缺損和完全性的腭裂。哺乳動物HH基因有三類：Shh、Ihh、Dhh。初級纖毛的HH 信號傳導需要功能正常的IFT 機制，Patches-1(Ptch1)是HH 途徑的直接靶點，是成骨細胞分化和骨形成以及骨修復的重要調節器，研究者在IFT52 缺失下研究骨髓間充質干細胞的分化時發現，HH 上調的信號被減弱，Ptch1 的轉錄水平也顯著下降，IFT52 突變小鼠表現出骨骼異常、頭面部缺陷。IFT52缺失的MSCs中，SAG介導的HH激活后成骨細胞的分化也不能完全恢復，表明IFT52與HH信號相互影響并介導成骨[28]。IFT80的缺失已被證明擾亂了小鼠MSCs 的PC 發生，并減弱了HH 信號和成骨細胞分化[31]。另一種IFT-A蛋白IFT140在分化的軟骨細胞和成骨前體細胞中發現高表達，但隨著年齡的增長其表達逐漸減弱，這會進一步導致生長遲緩和侏儒癥表型的骨質疏松癥以及與增齡性相關的骨丟失[32]?？茖W家在缺失IFT20的小鼠中發現對于成骨細胞分化非常重要的血小板衍生生長因子表達減少[33]。綜上所述，這些研究一致強調了依賴于IFT蛋白的PC通過調節HH信號通路在骨骼以及顱面骨發育中的重要性，同時也進一步為治療骨相關疾病提供思路。

4.2 Wnt 信號通路Wnt 信號通路分為依賴β-catenin 的經典Wnt 信號通路和不依賴β-catenin 的非經典信號通路。Wnt 信號通路是骨、軟骨和關節發育及內穩態的關鍵調節器，它同時參與膜內成骨和軟骨內成骨。是骨和軟骨發育中各類生物學過程不可或缺的環節，如間充質細胞的凝聚和分化、成熟關節軟骨表型的維持、軟骨內成骨過程中肥厚組織的成熟等。Wnt 信號通路除了在骨和軟骨發育成熟過程中發揮功能外，對于完全分化后的軟骨細胞表型也至關重要。研究還發現了Wnt 信號通路可以在不同的時期對下頜髁突軟骨細胞的功能產生調控并參與軟骨的發育[34]。這就表明Wnt 信號通路在青春期骨發育、成年期軟骨穩態中發揮作用。所以研究Wnt 信號通路在青春期和成年期骨或軟骨發育及維持的各類生物學環節對于進一步研究骨或軟骨發育不良、骨質疏松、各類骨關節炎及骨折修復等就至關重要。研究發現Ift88 條件性基因敲除的小鼠由于面部中線融合和腭架形成中的嚴重顱面缺陷而在出生時死亡。此外，在腭裂發生過程中，IFT88介導的纖毛缺陷導致Shh信號下調而Wnt信號上調。除了腭裂缺陷，還表現出上頜突異位過度的骨形成和上頜突異位凋亡[36]。研究還發現IFT88 的缺失下調了Wnt 靶標的表達(Axin2，Lef1，TCF1)。抑制Wnt 信號可能導致軟骨生成和血管生成增加。這意味著，依賴于IFT 初級纖毛通過調控Wnt信號通路參與了骨折愈合早期和晚期[37]。

5 結語

綜上所述，PC與骨骼的發育及其動態平衡的維持有著密切聯系。PC 自身結構及功能以及在其中轉導的各種信號通路依賴或非依賴IFT在軟骨內成骨及膜內成骨過程中活躍，它通過調控間充質干細胞、成骨細胞、軟骨細胞等骨骼細胞來完成骨骼的正常發育及動態平衡的維持。近年來，對于PC、IFT-A、IFT-B及各種信號因子在調節骨細胞行為、骨創傷修復、頜面發育畸形的機制已經取得了很大進展。目前，大多研究已經表明PC依賴于IFT系統并且調節骨發育，但對于不同的IFT 蛋白如何轉錄調控，以及各種信號分子又是如何在PC 中傳遞的仍不明確，它們之間的相互作用調控網絡十分復雜，還需要進一步的研究。對于PC及相關信號因子對于頜面骨發育的調控，可能會成為研究和靶向治療頜面骨發育畸形和頜面骨相關疾病，如顳下頜關節骨關節炎的主要方向之一，期待有更多研究幫助研究者們進一步描繪PC 及其相關信號因子與頜面骨發育的調控機制網絡圖。