Sema 3A/NRP-1信號通路與骨代謝的研究進展

嚴小鳳 馮正平

重慶醫科大學附屬第一醫院內分泌科,重慶 400016

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是一種慢性骨代謝疾病,其特征在于骨密度降低、骨強度下降以及脆性骨折的風險增加,機制是成骨細胞與破骨細胞之間的骨代謝平衡被打破[1]。隨著老齡化社會的不斷加重,我國罹患骨質疏松癥的人群急速增長,在我國50歲以上老人中,OP的患病率達19.2%[2]。OP常伴有脆性骨折,其導致的高致殘率、高死亡率嚴重降低患者的生活質量。OP具體發病機制目前尚未完全明確,信號素3A(semaphorin 3A,Sema 3A)/神經纖毛蛋白1(neuropilin-1,NRP-1)是其中研究熱點。已有報道發現,信號素不僅能抑制骨吸收,同時還促進骨形成[3]。本文對Sema 3A/NRP-1信號通路調節骨代謝的分子機制進行綜述,以期對臨床防治OP提供理論依據。

1 Sema 3A/NRP-1信號通路

信號素分子家族由20多種糖蛋白組成,這些糖蛋白能夠指導細胞遷移和神經軸突的生長[4]。此外,它們還參與了多種生物學過程,例如軸突延伸、心臟功能、血管生成、腫瘤形成、免疫細胞的調節[5],以及骨穩態[6]。其中,信號素家族成員中,Sema 3A是首個被發現于脊椎動物體內,在大腦和骨骼在內的多種組織中均有表達[7]。Sema 3A的受體主要是神經纖毛蛋白1,Sema 3A是Sema 3A/NRP-1信號通路的啟動蛋白。

神經纖毛蛋白1為Ⅰ型跨膜糖蛋白,分子質量為120～130 kD,其結構分區特殊,由一個胞內區、跨膜螺旋和胞外區組成[8]。不同分區能夠發揮不同的功能,主要是通過結合相應的調節因子,在調節神經發育、血管生成、免疫調節等方面發揮重要作用[9]。NRP-1作為Sema 3A的輔助受體在骨代謝中發揮作用,它主要由破骨細胞前體產生,以高親和力結合Sema 3A的細胞外配體,并可與其他跨膜分子(Plexins)結合形成全受體,該全受體執行信號轉導和下游的募集分子[10]。Sema 3A與NRP-1通過多種途徑同步促進骨形成與抑制骨吸收而發揮有效的骨保護作用。

2 對成骨細胞的影響

Sema 3A/NRP-1信號通路調節成骨細胞的增殖分化。筆者研究已發現[11],在2型糖尿病患者中,Sema 3A與骨密度和骨鈣素等諸多骨代謝指標呈正相關,而骨鈣素主要由成骨細胞分泌,這也證實了Sema 3A對成骨細胞起著正向調控作用,其分子機制如下。

2.1 促進Wnt/β-catenin信號通路的傳導

Wnt/β-catenin信號通路是一種重要的骨代謝途徑。在這條信號通路中,作為Wnt信號通路關鍵調節因子的β-連環蛋白在細胞信號傳導過程中起重要作用,其在胞質中積累繼而向胞核轉位,是該信號通路被激活的標志[12]。β-連環蛋白的缺失使破骨細胞數量增加,成骨細胞的數量減少,影響骨的正常生理功能,導致骨質疏松。目前,大多數研究支持Sema 3A可促進成骨細胞增殖分化。Hayashi等[13]研究發現,經Sema 3A處理過的Sema基因敲除小鼠β-連環蛋白的核轉位得到上調,刺激成骨細胞分化,抑制脂肪形成,促進了骨形成。劉復州等[14]發現前列腺癌患者多死于腫瘤骨轉移,表現為大量成骨細胞異常增加。癌組織中Sema 3A和NRP-1的表達較正常組織增多。他們的實驗證實,在高轉移性的、具有明顯促成骨細胞增殖活性的前列腺癌細胞系中,Sema 3A高表達,且其表達與該癌細胞系促成骨細胞增殖活性呈正相關。前列腺癌細胞通過增加Sema 3A的表達從而增加NRP-1的表達,二者激活Wnt/β-catenin信號通路從而介導了成骨細胞過度活化。這些都證實了Sema 3A與NRP-1通過刺激Wnt/β-catenin信號通路對骨代謝的正向調節作用。

2.2 通過神經支配發揮骨保護作用

Sema 3A是一種重要的軸突引導分子,在神經系統的發育中起著關鍵調節作用[15]。NRP-1也早被報道參與了神經系統的調控。

Sema 3A的表達與神經支配的建立并行,因此,Sema 3A也有可能通過調節神經系統從而調節骨重塑。NRP-1 同樣參與了調節,從神經元突觸的細化加工再到正確定位,NRP-1都起著重要作用[16]。Hayashi等[13]發現,成骨細胞源性Sema 3A基因缺失小鼠體內Sema 3A在骨中的表達顯著降低,但其骨代謝指標并沒有明顯改變。與之相比較,神經元細胞源性Sema 3A缺失小鼠則表現出明顯的低骨量,這與全身Sema 3A基因敲除小鼠的檢測結果相似,這表明所觀察到的骨量異?？蓺w因于神經元細胞源性Sema 3A的缺乏。既往研究[6]揭示了Sema 3A與其受體NRP-1之間的結合是骨細胞分化的關鍵作用。另一方面,Yu等[17]通過研究證實,Sema 3A通過與雪旺細胞相互作用,使得成骨分化增加,并隨Sema 3A濃度的增加而升高。NRP-1缺失后神經系統雪旺細胞的遷移顯著受損。故在Sema 3A/NRP-1相關的成骨過程中,神經細胞參與成骨分化,并且受Sema 3A與NRP-1的調控。Ma等[18]研究硅化膠原支架時發現硅誘導大鼠感覺神經產生Sema 3A,刺激成骨和血管生成。但也有與之不同的研究結論,Nitzan等[19]通過研究大鼠與兔的視覺神經發現,抑制Sema 3A反而能夠促進細胞遷移、軸突生長和視網膜神經節細胞存活。

目前的基礎研究表明,Sema 3A和NRP-1可能通過調控神經系統進而影響骨代謝過程。

3 對破骨細胞的影響

3.1 Sema 3A抑制OPG/RANK/RANKL通路

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)由成骨細胞分泌,激活造血干細胞上的RANK受體并促進破骨細胞成熟,在破骨細胞功能中發揮了重要作用[20]。叢狀蛋白(Plexins)和信號素一樣最初是在神經系統中被發現,后來研究顯示它也與血管發生、心血管發育、上皮細胞侵襲性生長、腫瘤發展有關。其中的叢狀蛋白A1(Plexin A1)是一種單次跨膜蛋白,是Sema 3A受體之一。RANKL通過下調NRP-1,使PlxnA1-NRP1復合物形成減少,釋放出其中的Plexin A1,繼而誘導其形成PlxnA1-TREM2-DAP12復合物。通過增加Sema 3A、NRP-1,使得穩定的全受體Sema3A-NRP1-PlxnA1形成增多,游離的Plexin A1則減少,進而抑制RANKL所誘導的PlxnA1-TREM2-DAP12復合物的形成[21],該復合物參與誘導破骨細胞的分化,從而阻礙了RANKL 誘導的破骨細胞成熟,最終達到減少骨吸收的作用。

3.2 Sema 3A增強抗氧化應激能力

在骨代謝過程中,過量ROS可直接誘導骨組織損傷,抑制骨髓中成骨細胞的分化,并在破骨形成過程中作為炎癥介質激活相關通路,引起骨吸收[22]。研究表明,ROS的生成與衰老和雌激素缺乏密切相關,這是由于氧化應激防御能力的下降[23]。還有研究發現[24],β-Catenin在對抗氧化應激的防御機制中也起著重要作用,這是由于它除了能起到介導TCF/Lefs轉錄的重要作用外,還是FoxOs的重要激活劑。被激活的FoxOs轉錄因子通過參與自由基清除、DNA修復和細胞凋亡的基因來對抗氧化應激。目前研究已經發現Sema 3A能夠促進β-連環蛋白的表達[13]。由此可以得出Sema 3A能夠間接增強骨細胞對抗氧化應激的能力,從而對抗氧化應激所致的骨吸收。

4 對骨細胞的影響

4.1 通過促進DMP1的分泌影響骨細胞代謝

牙本質基質蛋白1(dentin matrix protein 1,DMP1)是一種非膠原蛋白,主要表達于骨和牙本質中。目前研究發現,DMP1經蛋白水解酶作用分解成具有化學活性的C-terminal和N-terminal,在促進礦化、調節骨細胞成熟方面起重要作用[25]。Dussold等[26]檢測發現,慢性腎病患者由于礦物質和骨代謝過程異常導致骨折風險增加,其血清DMP1水平較健康人群低,且與骨密度和礦物質代謝呈正向相關。Hayashi等[6]敲除小鼠DMP1基因后發現其骨細胞數量比較普通小鼠顯著減少,而敲除Sema 3A基因的小鼠也得到了類似結果,同時檢測到DMP1低。但經Sema 3A處理后,Sema 3A基因缺陷小鼠表達DMP1增多,骨細胞生存能力增強,骨細胞凋亡減少。同時他們還發現,源自Dmp1+細胞產生Sema3A主要作用于Dmp1+細胞,構成自分泌調節回路,促進DMP1的生成。以上表明Sema 3A通過促進DMP1分泌從而調節骨代謝,促進骨細胞壽命延長。

4.2 激活sGC-PKG通路

Hayashi等[13]研究發現Sema 3A受體復合物可通過sGC(鳥苷酸環化酶)信號傳導促進骨細胞存活。使用sGC誘導能激活cGMP(環磷酸鳥苷)依賴蛋白激酶G (PKG),促進雌激素介導的成骨細胞譜系細胞的存活。而通過Sema 3A處理小鼠能得到與sGC激活劑對骨細胞所產生的一致的正向調控作用,具體體現為骨細胞系IDG-SW3細胞中的cGMP水平均顯示升高。同時,Sema 3A誘導骨細胞存活的作用能被PKG抑制劑所抑制[6]。說明Sema 3A和sGC激活劑都能誘導PKG下游sGC信號通路的激活,從而保護骨細胞免于凋亡。

5 對免疫系統、細胞因子的影響

免疫系統和細胞因子影響著骨質疏松癥的發生發展。共刺激分子、淋巴細胞衍生的細胞因子,在調節骨細胞發育、骨病的發生發展過程中起著重要作用[27]。在自身免疫性疾病如類風濕關節炎中,T淋巴細胞活化后可導致骨量流失。女性絕經后雌激素缺乏,可誘導多種因子表達增加,促進破骨細胞的形成和活化,導致骨吸收增加,骨量減少,形成骨質疏松[28]。

目前研究指出信號素3A參與著免疫系統的調節,從炎癥反應的早期到消退階段都有參與,并調節著眾多細胞因子,因此它被認為是一種“免疫信號”[29]。Sema 3A在大多數免疫細胞上都有表達,如T、B細胞和巨噬細胞等。Sema 3A及其受體NRP-1在分化巨噬細胞和活化T細胞的過程中表達增加,這表明它們在調節免疫反應中發揮著重要作用。還有研究報道[30],在樹突狀細胞和T細胞共培養中加入Sema 3A,能顯著抑制T細胞的增殖。與之對照的,如果將Sema 3A直接作用于T細胞,Sema 3A會阻礙抗CD3/CD28誘導的T細胞增殖。相反,當內源性Sema 3A被阻斷抗體所中和后,T細胞的增殖出現增加。因此,作為一種有效的免疫調節劑,Sema 3A可能通過調控免疫細胞活化,同時抑制炎癥反應,減少骨吸收,從而達到抑制骨破壞的目的。

6 對骨密度的影響

很多研究發現,在終末期腎病[31]、慢性腎病[26]、2型糖尿病[12]、絕經女性[32]等易出現骨質疏松人群中,檢測到Sema 3A的水平與骨密度和骨形成指標呈正相關。

綜上所述,Sema 3A/NRP-1信號通路對骨代謝過程起著重要作用。它通過參與Wnt、RANK、sGC等多種途徑,實現了抑制骨吸收,促進骨形成。由于骨代謝過程的多重調控機制,及信號通路之間的相互交聯,使得OP的發病機制變得尤為復雜。Sema 3A/NRP-1信號通路對骨代謝的影響途徑仍有諸多值得深入探究之處。