骨質疏松分子生物學研究專家共識

《中國骨質疏松雜志》社 《中國骨質疏松雜志》骨代謝專家組

骨質疏松是多因素、多基因疾病,是遺傳和環境因素交互作用的結果,利用全基因組關聯分析(genome-wide association study,GWAS)已鑒定出了近600個基因座位與骨密度、骨質疏松癥和骨折相關[1],大約可以解釋人類20%的骨密度差異[2]。通過GWAS發現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)。

已知的骨質疏松相關蛋白通過直接或間接的方式參與調控骨代謝全過程,其作用重疊相互聯系,互為結果。

目前,骨質疏松分子生物學信號通路、骨質疏松易感基因、骨質疏松相關蛋白、骨質疏松分子治療靶點等相關研究得到本領域認同。詳見表1～3。

表1 骨質疏松分子生物學信號通路Table 1 Molecular biological signal pathways of osteoporosis

表2 骨質疏松易感基因Table 2 Osteoporosis susceptibility genes

表3 骨質疏松相關蛋白Table 3 Osteoporosis related proteins

1 骨質疏松分子生物學通路

骨質疏松分子生物學通路歸納為調節破骨細胞的信號通路和調控成骨細胞的信號通路。

1.1 調節破骨細胞的信號通路

1.1.1RANK/RANKL/OPG信號通路:RANK/RANKL/OPG信號通路是調控破骨細胞的主要信號通路,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,可促進一些特異基因的表達,有利于促進破骨細胞分化、成熟,增加破骨細胞存活時間,激活破骨細胞骨吸收能力[4]。

1.1.2NF-κB信號通路:在破骨細胞分化過程中RANK-RANKL信號傳遞到下游通路,主要通過IKKβ及經典的NF-κB信號通路。NF-κB p50和p52蛋白共同表達,促進破骨細胞生成,增強破骨細胞活性。NF-κB上調RANKL和其他破骨細胞因子誘導的RANK表達,促進破骨細胞前體分化為TRAP+破骨細胞[5]。

1.1.3MAPK/ERK信號通路:MAPK屬于蘇氨酸/絲氨酸蛋白激酶家族,由胞外信號調節激酶(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誘導破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化的過程中起到了重要作用[6]。ERK激活是成熟破骨細胞存活的核心,在骨穩態中起重要作用。

1.1.4M-CSF信號通路:M-CSF通過與巨噬細胞集落刺激因子受體(c-fms)結合,誘導受體胞質端的7個酪氨酸殘基進行磷酸化,在M-CSF誘導吞噬細胞和破骨細胞運動中,PI3K發揮非常重要作用[4]。M-CSF能激活PI3K影響破骨細胞存活,也能調節破骨細胞肌動蛋白重塑,導致抑制膜皺褶、肌動蛋白環以及骨陷窩的形成。

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

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胞活動性降低,皺褶邊緣及骨吸收的相關細胞骨架異常,不能有效發揮骨吸收功能。蛋白激酶B(Akt)信號調節破骨細胞的融合。Akt通過降低ras同系物家族成員A(RhoA)活性,增強Akt/GSK3β/NFATc1信號傳導,促進破骨細胞生成,增強骨吸收[7]。

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

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

1.2 調控成骨細胞的信號通路

1.2.1Wnt/β-catenin信號通路:Wnt/β-catenin蛋白由19個分泌糖蛋白組成,具有調控細胞生長、分化和凋亡的功能。激活的Wnt/β-catenin通過干細胞更新、誘導成骨細胞生成、抑制成骨細胞凋亡,促進骨形成,在骨穩態和骨修復中起重要作用[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協同作用影響間充質干細胞分化成骨細胞,調節Ⅰ型膠原和堿性磷酸酶含量,促進成骨細胞外基質形成與骨基質礦化。負責調節胚胎發育、細胞增殖分化以及維持組織穩態[10]。

1.2.3BMP-2/Smad信號通路:骨形態發生蛋白(BMP)是成骨細胞分化的關鍵蛋白,其中BMP-2又是最有效的細胞因子之一,并能誘導骨形成。BMP-2/Smad信號通路可促進骨髓間充質干細胞(BMSC)分化成骨細胞,增加骨橋蛋白(OPN)表達,促進細胞外基質成熟與礦化,促進骨形成[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,可促進成骨細胞分化,是許多系統中調節骨再生過程的關鍵信號通路。PI3K/Akt信號通路可促進成骨前體細胞向成骨細胞分化,通過轉錄因子Runx2促進成骨細胞分化、增殖與礦化,協同BMP維持BMP-2/Smad信號通路活性,促進骨形成。

2 骨質疏松易感基因

2.1 VDR受體基因

維生素D受體(vitamin D receptor,VDR)主要在成骨細胞(osteoblast,OB)、破骨細胞(osteoclast,OC)、腸道、甲狀旁腺以及腎臟的細胞表面上表達,在細胞分化和調控不同細胞類別的增殖中起關鍵作用[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OB分化,加速鈣、磷的釋放。

VDR基因多態性可干擾mRNA表達和剪接,影響mRNA的數量及穩定性,從而引起VDR蛋白水平和功能的微小差異,進一步通過VDR蛋白與其靶基因間的作用調節骨代謝[13]。

2.2 LRP5基因

低密度脂蛋白受體相關蛋白5(LRP5)基因作為共受體參與WNT經典信號通路調節骨代謝[14]。LRP5基因單核苷酸的突變與骨質疏松及2型糖尿病的發生和發展有關,其機制可能是突變影響其與配體結合,改變受體信號傳導系統,從而影響疾病發生發展[15]。

2.3 MTHFR基因

亞甲基四氫葉酸還原酶(MTHFR)基因是影響骨質疏松及骨質疏松性骨折發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個多態性位點與絕經后婦女骨質疏松發病風險相關[16]。

2.4 ER基因

雌激素(E)主要通過與成骨細胞和破骨細胞的雌激素核內特異性受體結合,發揮生物學作用。

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

成骨細胞和破骨細胞均存在ER。雌激素與成骨細胞內的受體結合,促進膠原酶與細胞因子、生長因子分泌,調節骨代謝。雌激素作用于破骨細胞的ER,抑制破骨細胞溶酶體酶活性,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基因多態性與BMD降低、骨質疏松有關,同時COL1A1 SP1是骨折獨立的危險因子[13]。

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

2.6 PTH基因

持續大劑量甲狀旁腺素(PTH)通過RANKL-OPG-RANK受體信號通路,上調破骨細胞RANKL的表達,誘導成熟的破骨細胞形成,加快骨吸收;間歇性小劑量,PTH的氨基末端區域與PTH R1結合,通過與G蛋白和腺苷酸環化酶相互作用,產生cAMP,進一步激活成骨細胞,促進骨形成[17]。

2.7 PTHrP受體基因

甲狀旁腺素相關蛋白(PTHrP)受體基因刺激腺苷酸環化酶,抑制堿性磷酸酶及胞內鈣第二信息系統的生成和活性?？梢餚TH樣磷酸鹽尿和低鈣尿癥,促進1,25-(OH)2D3合成[18]。

2.8 CTR基因

降鈣素受體(CTR)基因型和絕經后的婦女股骨頸骨密度有關,與絕經后婦女的骨密度存在一定的關聯。降鈣素受體間不同的基因型可能會影響絕經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蛋白偶聯受體(GPCR),在甲狀旁腺和腎臟中表達最高,通過調節甲狀旁腺激素分泌和尿鈣排泄,在全身鈣代謝中起關鍵作用。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癥)和非鈣代謝性疾病(如心血管疾病和癌癥)的發展,還會引發如腫瘤、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 骨質疏松相關蛋白

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與樹突狀細胞功能的協同刺激調節因子(OSCAR)的表達,抑制OC的形成與分化[20]。

3.2 Klotho蛋白

Klotho蛋白可通過調節磷酸鹽、骨礦化、維生素D及成骨細胞和破骨細胞的分化成熟、生物活性與細胞凋亡影響骨代謝。Klotho蛋白可通過與Wnt配體結合,或介導FGF23,調控Wnt信號通路,參與骨代謝過程[21]。

3.3 BMPs

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

3.4 BSP

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

BSP是具有多功能的主要骨細胞外基質非膠原蛋白,它可與αVβ3、αVβ5和RANKL發生相互作用,促進破骨細胞附著和分化以及骨吸收,從而誘發一系列骨吸收性疾病如牙周炎、骨質疏松,以及多種惡性腫瘤的骨轉移[25]。

3.5 LRP5

低密度脂蛋白受體相關蛋白5(LRP5)是一種細胞表面信號轉導受體。LRP5純合功能缺失型突變、復合雜合功能缺失型突變及雜合功能缺失型突變患者易發生骨質疏松癥。

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

3.6 AP-1

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

3.7 Scl

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

硬化蛋白是在對硬化癥(Sclerosteosis)和范布赫姆病(Van Buchem disease)的研究中發現的,在這兩種疾病中均發現表達硬化蛋白的SOST編碼基因突變,且都表現為高骨量疾病[28]。硬化蛋白是骨形成、骨量和骨強度的負向調節劑[29]。

4 骨質疏松分子治療靶點

4.1 與Notch信號通路相關的中藥有效成分

中藥通過Notch信號通路調節成骨。補骨脂具有補腎壯陽、固精縮尿、溫脾止瀉等功效,現代藥理學研究表明,補骨脂具有多種藥理活性,包括類雌激素作用,可促進骨再生和重建[30]。

淫羊藿具有補腎陽、強筋骨、祛風濕等功效。

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信號通路介導干預BMSCs的成骨分化,在不同程度上改善骨密度,同時影響相關骨細胞的凋亡以防治骨質疏松[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胞形成和分化相關基因表達,通過抑制Notch信號通路使得Notch1、Notch2、Hes1、Jaggde1、Jaggde2蛋白表達量降低。

4.2 Wnt/β-catenin蛋白靶向治療骨質疏松

中醫藥可通過作用于Wnt/β-catenin 蛋白介導的信號通路防治骨質疏松。Wnt/β-catenin信號通路是促進骨髓間充質干細胞向成骨細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控作用,同時信號通路在骨質疏松內環境下對促進成骨起重要作用[34]。

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

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

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結合,減少破骨細胞形成、功能和存活,從而降低骨吸收、增加骨密度、改善皮質骨和松質骨的強度,降低骨折發生風險[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向調節作用,在促進骨形成的同時抑制骨吸收[37]。

5 結語

成骨細胞、骨細胞和破骨細胞維持骨重建的分子機制永遠是骨質疏松科學研究的主要方向,骨代謝生物學信號通路、骨質疏松易感基因、骨質疏松相關蛋白的研究,不僅提升骨質疏松診斷的科技含量和創新,也必將推動骨質疏松分子生物靶向治療的進程。

執筆:張萌萌 毛未賢 馬倩倩

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