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      Ihh-PTHrP信號(hào)軸對(duì)軟骨內(nèi)成骨作用機(jī)制的研究進(jìn)展

      2014-01-22 20:23:38綜述審校
      關(guān)鍵詞:軟骨分化調(diào)控

      綜述, 審校

      (南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科,湖南衡陽(yáng)421001)

      脊椎動(dòng)物骨骼的形成有軟骨內(nèi)成骨和骨膜內(nèi)成骨兩種方式,其中軟骨內(nèi)成骨是在相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控下,由間充質(zhì)細(xì)胞首先分化為軟骨細(xì)胞,軟骨細(xì)胞分泌1型膠原和蛋白聚糖構(gòu)成軟骨基質(zhì),部分軟骨細(xì)胞進(jìn)一步肥大,演變成肥大細(xì)胞,并分泌X型膠原和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子,隨后新生血管形成,伴隨肥大細(xì)胞不斷降解,成骨祖細(xì)胞隨新生血管進(jìn)人礦化前沿,并分化為成骨細(xì)胞,啟動(dòng)成骨過(guò)程[1],在該過(guò)程中,一系列內(nèi)分泌激素及生長(zhǎng)因子相互作用,諸如甲狀旁腺激素相關(guān)肽(PTH-related peptide,PTHrP)、印度豪豬蛋白(Indian hedgehog,Ihh)、Sox9,FGF,BMP 等,通過(guò)復(fù)雜的反饋機(jī)制調(diào)控軟骨內(nèi)成骨的過(guò)程,現(xiàn)已證實(shí)PTHrP-Ihh信號(hào)軸、Notch、Wnt信號(hào)系統(tǒng)等多種信號(hào)通路在軟骨內(nèi)成骨過(guò)程中發(fā)揮重要作用[2],而PTHrP-Ihh信號(hào)軸對(duì)軟骨內(nèi)成骨的作用機(jī)制已成為近年來(lái)的研究熱門(mén)之一,但迄今為止尚無(wú)明確的結(jié)論。

      1 PTHrP對(duì)軟骨細(xì)胞的增殖分化調(diào)控作用

      1.1 PTHrP及PTHrP受體

      甲狀旁腺激素相關(guān)肽基因定位于人第12條染色體,其結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)復(fù)雜,與PTH具有很大的同源性,廣泛分布于人體胰腺、腎、牙齒、皮膚、骨骼等多個(gè)組織器官中,且發(fā)揮著關(guān)鍵性的生理作用,比如參與細(xì)胞增殖、分化、生長(zhǎng)過(guò)程、參與平滑肌的松弛、參與人體內(nèi)鈣磷代謝,以調(diào)節(jié)骨礦化等[3]。PTHrP包括9個(gè)外顯子和3個(gè)啟動(dòng)子,人體代謝過(guò)程中,采用不同的RNA剪切方式,也會(huì)產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形式,具有抑制破骨細(xì)胞活性、促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和促進(jìn)成骨的作用,因此又稱為骨抑制素。在胚胎軟骨內(nèi)成骨中,PTHrP主要由關(guān)節(jié)處的軟骨內(nèi)細(xì)胞分泌,且作用于下層細(xì)胞,抑制肥大細(xì)胞凋亡和軟骨細(xì)胞的進(jìn)一步分化。PTHrP與PTHrP受體-1結(jié)合,該受體主要分布在骨骼和腎臟組織中,屬G蛋白偶聯(lián)受體(G Protein-Coupled Receptors,GPCRs)超家族中B亞族成員,其具有7個(gè)穿膜區(qū),胞外氨基端較長(zhǎng),含有3對(duì)以上的二硫鍵,折疊成網(wǎng)狀,胞外區(qū)協(xié)同穿膜區(qū)的螺旋結(jié)構(gòu),共同參與配體的結(jié)合[4]。因此,兩者具有相同的親和力,發(fā)揮作用的主要是位于細(xì)胞外的氨基酸,這也是配體結(jié)構(gòu)域,一旦受體被激活,通過(guò)PKA、CAMP信號(hào)途徑的腺苷酸環(huán)化酶就會(huì)發(fā)揮作用,從而進(jìn)一步發(fā)揮調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和生長(zhǎng)的作用[5]。

      1.2 PTHrP對(duì)軟骨細(xì)胞增殖和分化的調(diào)控

      軟骨細(xì)胞增殖和分化中,PTHrP有著重要的調(diào)控作用[6]。在軟骨內(nèi)成骨中,PTHrP的主要作用就是限制軟骨細(xì)胞的成熟與分化,且對(duì)軟骨內(nèi)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程造成相應(yīng)的干擾,最終對(duì)人骨骼的形成形態(tài)和骨骼生長(zhǎng)造成影響。如高耀祖等[7]發(fā)現(xiàn)Indian hedgehog在軟骨內(nèi)成骨和骨關(guān)節(jié)炎作用的研究進(jìn)展中,一旦軟骨骨骺端形成,位于骨骺端的軟骨膜細(xì)胞及其周圍軟骨細(xì)胞就會(huì)不斷分泌PTHrP,同時(shí)作用于細(xì)胞上的PTHrP受體,當(dāng)肥大軟骨細(xì)胞分化時(shí),且軟骨細(xì)胞不再增殖時(shí),PTHrP就會(huì)阻止其作用,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞分化停止,促進(jìn)軟骨細(xì)胞的繼續(xù)增殖。這充分證明PTHrP參與了軟骨細(xì)胞的分化、生長(zhǎng)過(guò)程,抑制了軟骨細(xì)胞的肥大化,促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的形成。

      2 Ihh對(duì)軟骨細(xì)胞增殖和分化的調(diào)控

      印度豪豬蛋白屬于豪豬蛋白基因家族中的一種亞型。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在脊椎動(dòng)物中存在三種Hedgehog蛋白亞型,即音速豪豬蛋白(sonic hedgehog,Shh)、印度豪豬蛋白(indian hedgehog,Ihh)和沙漠豪豬蛋白(desert hedgehog,Dhh),Dhh主要在睪丸精母細(xì)胞上表達(dá),是睪丸發(fā)育所必須的調(diào)控因子;Shh主要在胚胎極化活性區(qū)中表達(dá),參與多種器官形態(tài)發(fā)生的調(diào)節(jié);而Ihh則主要在前肥大和肥大軟骨期細(xì)胞上表達(dá),在軟骨內(nèi)成骨過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用,是軟骨增殖、分化及生長(zhǎng)形成過(guò)程中的另一個(gè)重要因素[8]。印度豪豬蛋白受體為膜受體Patehed-l=(Ptcl)[9],其與 Ptcl結(jié)合后,活化膜蛋白Smoothened(Smo),Smo與Gli2和Gli3發(fā)生作用,觸發(fā)Glil轉(zhuǎn)錄過(guò)程[10]。Ihh不僅自身控制著軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)與分化,而且還在一定程度上通過(guò)作用于PTHrP,抑制著軟骨細(xì)胞的肥大和成熟,與此同時(shí),還有著誘導(dǎo)充質(zhì)細(xì)胞的表達(dá),使得這些細(xì)胞向著成骨細(xì)胞分化,以形成骨領(lǐng)[11]。劉來(lái)奎[12]發(fā)現(xiàn)Ihh信號(hào)在胚胎發(fā)育期軟骨內(nèi)成骨中的調(diào)控機(jī)制顯示Ihh的表達(dá)標(biāo)志著細(xì)胞從增生到分化的轉(zhuǎn)化,且主要發(fā)生于肥大前軟骨細(xì)胞,在軟骨內(nèi)成骨形成過(guò)程中,Ihh的作用與PTHrP保持著良好的一致性,阻止著軟骨細(xì)胞肥大的發(fā)生。

      Ihh在表達(dá)過(guò)程中產(chǎn)生缺陷,極易發(fā)生短肢侏儒并伴隨著生長(zhǎng)板肥大軟骨細(xì)胞現(xiàn)象的不斷擴(kuò)大和軟骨細(xì)胞增殖率的下降[13],因此,采取激活I(lǐng)hh信號(hào)的方法,能夠使PTHrP的表達(dá)水平上調(diào),如丁然等[14]關(guān)于脈沖磁場(chǎng)與前軟骨干細(xì)胞向成熟軟骨細(xì)胞的增殖與分化研究結(jié)果顯示:激活I(lǐng)hh信號(hào)可以有效地阻止正?;騻€(gè)體增生帶軟骨細(xì)胞的分化,其研究結(jié)果充分證實(shí)了Ihh通過(guò)PTHrP產(chǎn)生了調(diào)節(jié)作用。Ihh是介導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力信號(hào)向生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要媒介之一,Ihh及PTHrP在軟骨內(nèi)的表達(dá)可以被機(jī)械應(yīng)力所觸發(fā),體外研究證實(shí),在機(jī)械應(yīng)力作用下,Ihh表達(dá)量顯著增加,機(jī)械應(yīng)力作用可通過(guò)Ihh表達(dá)量的改變而影響軟骨細(xì)胞的生物學(xué)行為[14],Tang等[15]在臨床實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),下頜骨前伸可以促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞分化,在此過(guò)程中髁突軟骨增殖帶和成軟骨細(xì)胞層內(nèi)Ihh表達(dá)增強(qiáng),其表達(dá)水平的增高和增殖帶內(nèi)增殖細(xì)胞的數(shù)量和增殖的速率成正相關(guān),髁突軟骨增殖帶和成軟骨細(xì)胞帶交界處PTHrP表達(dá)增強(qiáng),間充質(zhì)進(jìn)入增殖帶的細(xì)胞數(shù)量顯著增加。Wu等[16]通過(guò)對(duì)體外三維軟骨細(xì)胞培養(yǎng)體系的研究,發(fā)現(xiàn)在周期性機(jī)械應(yīng)力刺激下,2天后軟骨細(xì)胞中的Ihh mRNA的表達(dá)可增加18倍,軟骨細(xì)胞明顯增殖,且這種促軟骨細(xì)胞增殖作用可以被Ihh的功能抑制抗體完全消除。

      3 Ihh-PTHrP對(duì)軟骨細(xì)胞增殖和分化的調(diào)控機(jī)制

      增生帶軟骨細(xì)胞在向肥大軟骨細(xì)胞分化之前將先表達(dá)PTH/PTHrP受體-1,Ihh和PTHrP主要在軟骨細(xì)胞、初級(jí)骨小梁之間以及次級(jí)骨化中心表達(dá),研究發(fā)現(xiàn),Ihh和PTHrP的表達(dá)存在著同步性,兩者共同作用促進(jìn)軟骨的分化、增殖,在軟骨的成形過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用,維持著長(zhǎng)骨的生長(zhǎng),且Ihh還在一定程度上促進(jìn)PTHrP的合成分泌,且在細(xì)胞正式分化的過(guò)程中,會(huì)促進(jìn)Ihh蛋白的表達(dá),而表達(dá)的Ihh蛋白會(huì)作用于肥大軟骨細(xì)胞,并進(jìn)一步作用于關(guān)節(jié)軟骨膜以及細(xì)胞帶的軟骨膜,誘導(dǎo)這些部位PTHrP的表達(dá)[17]。王欣等[18]發(fā)現(xiàn),當(dāng)次級(jí)骨化中心一旦形成,Ihh分泌也會(huì)相應(yīng)地達(dá)到高峰,在PTHrP反饋調(diào)節(jié)作用下,Ihh表達(dá)數(shù)量也會(huì)有所減少,且抑制骨和軟骨內(nèi)的過(guò)度發(fā)育,確保軟骨內(nèi)成骨處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下。李明輝等[19]發(fā)現(xiàn)PTHrP信號(hào)會(huì)促進(jìn)生長(zhǎng)板PTH/PTHrP及受體的表達(dá),并使得肥大軟骨細(xì)胞擴(kuò)大的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化,且促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為軟骨細(xì)胞,確保了生長(zhǎng)板軟骨細(xì)胞合成軟骨基質(zhì)的主要特征和功能作用,其研究結(jié)果充分證實(shí)了PTHrP-Ihh通過(guò)該負(fù)反饋環(huán)路協(xié)調(diào)軟骨細(xì)胞的增殖、成熟和分化以平衡正常生長(zhǎng)板生長(zhǎng)和礦化過(guò)程。又有相關(guān)研究[20]顯示在骨骺生長(zhǎng)板PTHrp-Ihh信號(hào)軸及相關(guān)因子調(diào)節(jié)機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ihh分泌達(dá)到高峰時(shí),在PTHrP反饋調(diào)節(jié)作用下,抑制骨和軟骨內(nèi)的過(guò)度發(fā)育,確保軟骨內(nèi)成骨處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),更深刻的揭示PTHrP的生物學(xué)功能和骨骺細(xì)胞分化發(fā)育規(guī)律,人為調(diào)控骨骺干細(xì)胞的分化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

      4 Sox9,FGF,BMP等生長(zhǎng)因子在PTHrP-Ihh負(fù)反饋軸中的作用

      4.1 Sox9在Ihh-PTHrP負(fù)反饋軸中的作用

      Sox9基因是Sox家族中的一員,屬于編碼轉(zhuǎn)錄因子的高遷移組盒子超家族,在軟骨內(nèi)成骨的過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用,其表達(dá)于間充質(zhì)干細(xì)胞凝聚、軟骨細(xì)胞分化之前,在除肥大細(xì)胞外的幾乎所有軟骨前體細(xì)胞及軟骨細(xì)胞上表達(dá)。人類的Sox9基因位于染色體17q上,cDNA全長(zhǎng)約為2.2 kb,編碼509個(gè)氨基酸,Sox9蛋白的N端含有一個(gè)能與DNA結(jié)合的HMG-box(SRY-related high-mobility group box),在其C端含有一段富含脯氨酸、谷氨酰胺和絲氨酸的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域。Huang等[21]發(fā)現(xiàn),Pthrp的信號(hào)靶點(diǎn)為在軟骨內(nèi)成骨的生長(zhǎng)板中促進(jìn)軟骨形成的轉(zhuǎn)錄因子Sox9。Amano等[22]發(fā)現(xiàn),鼠原代軟骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞中單獨(dú)Sox9或Sox5、Sox6、Sox9同時(shí)過(guò)表達(dá)可抑制其細(xì)胞成熟及鈣積作用,并上調(diào)PTHrP表達(dá),Sox5、Sox6、Sox9通過(guò)結(jié)合于PTHrP基因啟動(dòng)子活性,刺激軟骨細(xì)胞早期階段的增殖和發(fā)育,在器官形成階段抑制軟骨細(xì)胞的成熟和鈣積作用;另外,通過(guò)與Ihh/Gli2信號(hào)協(xié)同作用,對(duì)PTHrP表達(dá)和軟骨細(xì)胞分化進(jìn)行調(diào)控。

      4.2 FGF在Ihh-PTHrP負(fù)反饋軸中的作用

      成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factors,FGF)是一組具有相似結(jié)構(gòu)特征且廣泛存在于機(jī)體組織內(nèi)的多肽,其家屬包括20多個(gè)成員及至少4個(gè)相應(yīng)受體,對(duì)軟骨細(xì)胞的增殖和分化起重要作用。FGF-1、FGF-2 同其受體 FGFR-1、FGFR-2、FGFR-3都在軟骨中存在表達(dá),受體FGFR-1主要表達(dá)于肥大軟骨細(xì)胞上,受體FGFR-2表達(dá)于增殖區(qū)軟骨細(xì)胞,而受體FGFR-3同時(shí)表達(dá)于骨骺周圍的La Croix環(huán)和增殖區(qū)軟骨細(xì)胞上[23]。Wakisaka等[24]研究證實(shí),激活FGFR-3可通過(guò)下調(diào)Ihh及PTHrp的mRNA表達(dá)來(lái)抑制軟骨細(xì)胞增殖。然而骨移植物體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在 PTHrP-/-and PTHrP-/-/FGFR3-/-鼠,在發(fā)育性骺軟骨中缺乏PTHrP可導(dǎo)致明顯低增殖表型;在PTHrP-/-鼠發(fā)現(xiàn)如下的異常:非肥大細(xì)胞出現(xiàn)于肥大細(xì)胞間并在肥大區(qū)出現(xiàn)過(guò)度凋亡;而在PTHrP-/-/FGFR3-/-鼠中未出現(xiàn)以上現(xiàn)象。FGF信號(hào)系統(tǒng)獨(dú)立于Ihh/PTHrP的作用,加速肥大軟骨細(xì)胞最終分化[25]。由此可以推斷,FGF信號(hào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)成骨的機(jī)制可能是通過(guò)降低軟骨細(xì)胞的增殖和抑制Ihh的表達(dá)這兩條途徑,從而縮短增殖柱高度,抑制軟骨內(nèi)成骨的速度。

      4.3 BMP在Ihh-PTHrP負(fù)反饋軸中的作用

      BMP即骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP),擁有至少15個(gè)以上的成員,為三大類TGF-β超家族分子之一,廣泛分布在軟骨組織中,并且依靠多條途徑誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化,在軟骨細(xì)胞增殖、分化的晚期發(fā)揮重要的作用[26]。亞型不同的BMP在骨髓生長(zhǎng)板中的分布與作用都不相同,BMP-5主要表達(dá)于增殖區(qū)軟骨細(xì)胞上,BMP-6主要表達(dá)于前肥大和肥大軟骨細(xì)胞上,而B(niǎo)MP-2、BMP-7在整個(gè)生長(zhǎng)板中均勻一致地表達(dá)[27]。國(guó)外研究者[28]分別將BMP及Noggin(BMP抑制劑)加入至骨移植物中,其結(jié)果為前者增加了軟骨細(xì)胞的增殖,而后者阻斷了軟骨細(xì)胞的增殖;前者延遲了肥大性軟骨細(xì)胞終末分化,而后者加速了終末期肥大軟骨細(xì)胞的分化。BMP-2通過(guò)對(duì)Ihh的增量調(diào)節(jié)促進(jìn)軟骨形成,在軟骨的形成過(guò)程中起上調(diào)作用。BMP通過(guò)對(duì)前肥大軟骨細(xì)胞Ihh表達(dá)的增加,從而實(shí)現(xiàn)軟骨細(xì)胞增殖的增加及軟骨細(xì)胞柱的延長(zhǎng)[29]。在BMP-6參與下的骨骺生長(zhǎng)板中PTHrplhh信號(hào)軸的負(fù)反饋調(diào)控中,PTHrP通過(guò)對(duì)BMP-6表達(dá)的抑制,間接實(shí)現(xiàn)抑制軟骨細(xì)胞成熟的作用,提示在前肥大軟骨細(xì)胞中的自分泌-旁分泌中,BMP-6對(duì)軟骨分化具有重要作用。

      總而言之,在軟骨內(nèi)成骨過(guò)程中,PTHrP和Ihh均發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用,抑制著軟骨細(xì)胞的分化,且通過(guò)PTHrP的反饋調(diào)節(jié)作用,抑制軟骨細(xì)胞向著肥大細(xì)胞分化轉(zhuǎn)化,并且在機(jī)械應(yīng)力的作用下,參與關(guān)節(jié)軟骨的構(gòu)建,雖然兩者在成骨過(guò)程中存在著一定的共性,也存在著一定的差異性,為此,需要加強(qiáng)對(duì)PTHrP和Ihh對(duì)軟骨內(nèi)成骨過(guò)程的作用機(jī)制的研究,為揭示特發(fā)性脊柱側(cè)凸的分子生物學(xué)機(jī)制、提高診斷治療水平提供支撐。

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