Runx2基因參與Wnt/β-catenin信號(hào)通路中骨代謝疾病的研究進(jìn)展

樊梅　唐芳　馬武開　蘭維婭　李宇　蔣總　蔡鑫

【摘 要】 成骨細(xì)胞標(biāo)志物核心結(jié)合因子或Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）作為骨細(xì)胞的特異轉(zhuǎn)錄因子，在成骨細(xì)胞的分化、軟骨細(xì)胞的成熟、骨基質(zhì)蛋白的產(chǎn)生等過程中都具有顯著的影響，并對(duì)骨形成和重建起著重要作用，是一種公認(rèn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。既往研究發(fā)現(xiàn)，Runx2基因與很多信號(hào)通路如骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號(hào)通路、Notch信號(hào)通路、Wnt/β-catenin信號(hào)通路等都有密切的關(guān)系。其中與Wnt/β-catenin信號(hào)通路關(guān)系最為密切，而Wnt/β-catenin信號(hào)通路能夠影響骨代謝疾病是毋庸置疑的，Runx2基因作為Wnt/β-catenin信號(hào)通路的下游靶基因，經(jīng)證實(shí)可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路進(jìn)而調(diào)節(jié)骨代謝相關(guān)疾病。文章通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解Runx2與Wnt/β-catenin信號(hào)通路的關(guān)系及相關(guān)作用機(jī)制，并對(duì)其在該通路中如何影響骨代謝相關(guān)疾病的問題作一綜述，希望能為以后的研究打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 骨代謝疾病;Runx2基因;Wnt/β-catenin信號(hào)通路;綜述

人類骨代謝是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡過程，首先它需要破骨細(xì)胞（OC）將舊骨吸收，其次還需要成骨細(xì)胞（OB）形成新骨，只有兩者緊密配合時(shí)，人體的骨代謝才能得以正常進(jìn)行[1]。而Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）作為特異性的轉(zhuǎn)錄因子，是OB分化過程中所特有的，調(diào)節(jié)著眾多基因的轉(zhuǎn)錄[2]。段志斌等[3]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Runx2能使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞及OB分化、成熟，在骨修復(fù)和重建中具有重要影響。而骨形成和骨吸收的過程正是骨修復(fù)和重建的過程。骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OP）、骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）等是已經(jīng)被證實(shí)了的骨代謝性疾病，而這些骨代謝疾病與Wnt/β-catenin信號(hào)通路是緊密聯(lián)系的，Runx2作為Wnt/β-catenin信號(hào)通路的下游信號(hào)因子之一，眾多研究證實(shí)其與骨代謝性疾病密切相關(guān)[4]，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 Runx2基因

Runx2，又稱核心結(jié)合因子αl（core-binding factoral α1）、多瘤病毒增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（PEBp2αA）或急性骨髓性白血病因子3（AML3）等[5]。

1993年首次被發(fā)現(xiàn)并被克隆，人類Runx2基因主要位于6pl2.3-p21.1染色體上，其mRNA的長(zhǎng)度約為1.4 kb，主要由9個(gè)外顯子組成。此外，Runx2根據(jù)起始基因的氨基酸不同，分別含有3種蛋白異構(gòu)體，Cbfal/P56（Ⅰ型）、Cbfal/P57（Ⅱ型）以及Osf2 /Cbfa1（Ⅲ型），這3種蛋白異構(gòu)體的3端和Runt結(jié)構(gòu)域沒有顯著差異，而N端序列則明顯不同，但它們都屬同一基因[6]。

Runx2是Runt結(jié)構(gòu)域基因家族的成員之一，該家族共包括3個(gè)成員，即轉(zhuǎn)錄因子Runx1基因、Runx2基因和Runx3基因[7]。這些基因由一個(gè)高度保守的128氨基酸DNA結(jié)合/蛋白質(zhì)相互作用域（稱為Runt同源域）定義，Runx2是OB分化的主要決定因素，在軟骨內(nèi)骨形成過程中調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖、分化和肥大，此外，Runx2調(diào)節(jié)與腫瘤進(jìn)展、侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，并具有促血管生成作用[8]。ZHANG等[9]亦發(fā)現(xiàn)，在Runt結(jié)構(gòu)域的3個(gè)成員中，Runx2基因與骨代謝關(guān)系最為密切，它是一種特異性轉(zhuǎn)錄因子，稱為編碼OB的基因。

2 Runx2與Wnt/β-catenin信號(hào)通路

經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路主要與胞外的Wnt蛋白及其細(xì)胞膜上的受體蛋白復(fù)合物結(jié)合，其受體蛋白復(fù)合物即卷曲蛋白（Fz）、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP5/6）[10]，當(dāng)Wnt蛋白與胞膜上的Fz、LRP5/6結(jié)合后，細(xì)胞內(nèi)的散亂蛋白（Dvl）被激活，導(dǎo)致胞內(nèi)的結(jié)腸息肉瘤息肉蛋白（APC）、軸蛋白（Axin）、糖原合成酶-3β（GSK-3β）、β-連環(huán)蛋白（β-catenin）形成的四聚體瓦解[11]，之后β-catenin與GSK-3β不能進(jìn)行磷酸化，使β-catenin在細(xì)胞內(nèi)積聚，進(jìn)而與細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子（TCF/LEF）形成復(fù)合物[12-13]，影響細(xì)胞周期蛋白（cyclinD1）、原癌基因（C-myc）、Runx2、OB特異性轉(zhuǎn)錄因子（Osx）、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）等Wnt靶基因的表達(dá)，啟動(dòng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[14]。劉洪彥等[15]發(fā)現(xiàn)，Wnt靶基因包含參與細(xì)胞增殖、凋亡、炎癥和質(zhì)代謝的基因，如MMP-3、MMP-13、ADAMTS-4、Runx2等。

3 Wnt/Runx2/骨代謝疾病

Wnt信號(hào)通路與間充質(zhì)干細(xì)胞、OB及軟骨細(xì)胞都有密切的聯(lián)系[16]。眾多研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路中，Wnt3a和Wnt10a可以激活經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路，使Runx2表達(dá)，導(dǎo)致OB分化，影響骨形成的過程[17]。李書琴等[18]研究發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路能直接調(diào)節(jié)Runx2基因在高磷環(huán)境下表達(dá)促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞成骨分化。Runx2還可以與Lef或TCF形成復(fù)合物，然后結(jié)合成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子18（FGF18）啟動(dòng)子中的復(fù)合結(jié)合位點(diǎn)，F(xiàn)GF18啟動(dòng)子是Wnt經(jīng)典信號(hào)傳導(dǎo)的直接靶標(biāo)和骨骼發(fā)育的重要調(diào)節(jié)因子[19-20]，故認(rèn)為Runx2因子與骨代謝性疾病密切相關(guān)。研究Wnt信號(hào)通路及Runx2基因在骨發(fā)育和代謝中的作用將為骨折、OP、骨量減少、OA、強(qiáng)直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）等骨代謝疾病的治療提供重要意義[21]。

3.1 Wnt/Runx2/OA OA是指以關(guān)節(jié)軟骨慢性進(jìn)行性退變?yōu)橹饕攸c(diǎn)的關(guān)節(jié)疾病，以繼發(fā)性關(guān)節(jié)邊緣骨贅形成、慢性滑膜炎癥為主要特點(diǎn)，多見于50歲以上的中老年人[22]。關(guān)節(jié)軟骨是一種結(jié)締組織，沒有血管，只有極少數(shù)目的細(xì)胞，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的軟骨細(xì)胞會(huì)合成軟骨基質(zhì)，分泌Ⅱ型膠原蛋白（Collagen Ⅱ）和聚集蛋白聚糖（Aggrecan），因此，軟骨細(xì)胞的退行性變對(duì)OA的病理變化至關(guān)重要[23-24]。

馬龍等[25]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Runx2作為Wnt/β-catenin信號(hào)通路中非常重要的轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)控軟骨細(xì)胞的退變，主要是通過增強(qiáng)下游信號(hào)因子如MMPs、X型膠原等的表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镸MPs、X型膠原等因子是調(diào)控軟骨細(xì)胞肥大的標(biāo)志因子。亦有研究表明，Wnt/β-catenin信號(hào)通路功能紊亂，調(diào)節(jié)軟骨代謝的功能便會(huì)失調(diào)，從而出現(xiàn)軟骨細(xì)胞增殖、分化和凋亡機(jī)制失調(diào)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨破壞，OA發(fā)生[21]。THEOLOGIS等[26]發(fā)現(xiàn)，在OA患者中，關(guān)節(jié)液和血清中的β-catenin含量都明顯增多，與OA嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，而關(guān)節(jié)軟骨組織中β-catenin的水平及TCF-4的表達(dá)水平是隨著軟骨組織損害程度的增加而增加的，因此怎樣讓?duì)?catenin維持在一定濃度，使OA不發(fā)生或延緩發(fā)生，已經(jīng)成為當(dāng)前研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而Runx2作為哺乳動(dòng)物骨骼發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控因子，它的表達(dá)能使間質(zhì)細(xì)胞向OB譜系分化，Runx2缺失會(huì)導(dǎo)致鼠OB的分化被抑制，使骨膜成骨和軟骨內(nèi)成骨不能發(fā)生[27]。因此，Runx2是軟骨細(xì)胞成熟必要因子之一，在小鼠肥大的軟骨細(xì)胞中顯著表達(dá)，并促進(jìn)軟骨細(xì)胞成熟，使軟骨內(nèi)骨化[28]。

Runx2可以調(diào)控堿性磷酸酶（ALP）的活性，促使骨基質(zhì)蛋白基因在不成熟間質(zhì)干細(xì)胞中的表達(dá)，使OB礦化等[29]。此外，β-catenin是調(diào)控Runx2基因表達(dá)的重要因子之一，主要通過抑制間質(zhì)細(xì)胞Runx2基因的表達(dá)，導(dǎo)致間質(zhì)細(xì)胞向OB的轉(zhuǎn)化過程被阻斷，促使其轉(zhuǎn)化為軟骨細(xì)胞[30]。持續(xù)激活β-catenin，會(huì)導(dǎo)致LEF-1對(duì)Runx2的抑制作用被增強(qiáng)，表明β-catenin與LEF-1共同參與調(diào)控Runx2的活性[31]，雖然Runx2對(duì)OA產(chǎn)生影響的具體作用尚需進(jìn)一步闡明，但其功能異常對(duì)OA影響重大是不容忽視的。

3.2 Wnt/Runx2/OP OP是指以骨量減低，骨組織微循環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞的一種全身性骨骼疾病，骨的脆性高，易發(fā)生骨折，臨床可分為繼發(fā)性O(shè)P和原發(fā)性O(shè)P[32]。其發(fā)生主要是由于OC活性增加，導(dǎo)致骨吸收失衡，使骨量丟失。雌激素是一種有效的抗骨質(zhì)疏松劑，用于防治OP。研究發(fā)現(xiàn)，雌激素替代治療能有效維持骨量并防止骨折[33]。因此，雌激素缺乏與OP的發(fā)生是分不開的，Runx2蛋白在骨骼相關(guān)基因的調(diào)控中發(fā)揮著顯著的作用，同時(shí)Runx2還受體內(nèi)一些激素、因子及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。

OB主要是指參與骨形成、骨代謝等細(xì)胞，在骨形成過程中主要經(jīng)歷4個(gè)階段，即OB的增殖、細(xì)胞外基質(zhì)的成熟、細(xì)胞外基質(zhì)礦化以及OB的凋亡[34]。LING等[35]發(fā)現(xiàn)，Runx2是OB分化的重要轉(zhuǎn)錄因子，在野生型小鼠中，Runx2在未成熟OB中強(qiáng)烈表達(dá)，但在OB成熟過程中下調(diào)，這些研究表明，骨骼的成熟和周轉(zhuǎn)率取決于Runx2的功能水平，Runx2缺乏在雌激素缺乏癥中造成骨丟失。OB中的雌激素受體可以結(jié)合Runx2，促進(jìn)Runx2的轉(zhuǎn)錄，并可增加表達(dá)Runx2的前OB的數(shù)量，從而增加骨量，抑制OP的發(fā)生[36]。

此外，眾多研究者發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路可上調(diào)骨關(guān)鍵因子Runx2的表達(dá)，使OB分化，在OP性骨折患者中，骨折愈合每個(gè)時(shí)期都有Wnt/β-catenin信號(hào)通路的參加，如軟骨細(xì)胞的增殖及分化，軟骨內(nèi)骨化，骨痂的吸收、重塑和改建等過程，都是通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路上調(diào)Runx2的表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的[37-38]。以上研究表明，在不同時(shí)期的OB中，通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路都能增加骨量，顯示出在OP等低骨量疾病治療中的良好應(yīng)用前景，陳思旭[39]的研究與此不謀而和。

3.3 Wnt/Runx2/其他骨代謝疾病 脊柱關(guān)節(jié)炎（spondyloarthritis，SpA）是一組以累及脊柱和外周關(guān)節(jié)，或者關(guān)節(jié)和韌帶以及肌腱等為主要表現(xiàn)的慢性炎癥性風(fēng)濕病的總稱，主要包括銀屑病關(guān)節(jié)炎（psoriatic arthritis，PsA）、反應(yīng)性關(guān)節(jié)炎、與炎性腸病相關(guān)的關(guān)節(jié)炎（青少年特發(fā)性關(guān)節(jié)炎的亞組）和AS等[40]。最近的臨床觀察和動(dòng)物研究表明，Wnt蛋白及其抑制劑，如DKK1和硬化素，可能在SpA的強(qiáng)直過程中起重要作用，并可能作為治療SpA的治療靶點(diǎn)[41]。雖然與Runx2的作用機(jī)制尚未明確，但Runx2是OB分化必需的因素是不容懷疑的，Runx2缺乏使骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）所誘導(dǎo)的成骨不能進(jìn)行分化，馮仲鍇等[42]

研究提示，Runx2在AS來(lái)源的成纖維細(xì)胞、BMP-2和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1處理的成纖維細(xì)胞中顯著升高。此外，YUAN等[43]在研究血清血紅素氧合酶-1和BMP-7是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和AS患者骨代謝的潛在生物標(biāo)志物時(shí)發(fā)現(xiàn)，Runx2可能反映了AS的炎癥活動(dòng)度，他們認(rèn)為Runx2是幾種BMP的下游因子，是OB分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，Runx2還能促進(jìn)骨基質(zhì)蛋白的表達(dá)，尤其是在OB早期，但抑制OB的成熟，這些均表明，Runx2可能與AS有關(guān)系。雖然Runx2可能與其他骨代謝疾病也有關(guān)系，但還需進(jìn)一步研究。

4 展 望

綜上所述，人類對(duì)Runx2基因參與Wnt/β-catenin信號(hào)通路中骨代謝疾病的研究取得一定進(jìn)展，明確了Runx2轉(zhuǎn)錄因子在OB分化、功能表達(dá)、軟骨成熟調(diào)節(jié)和軟骨血管侵襲中起著非常重要的作用。但對(duì)于Runx2的研究尚處于初級(jí)階段，對(duì)Runx2研究的深入，使我們對(duì)骨代謝以及骨代謝失常引起的疾病有了進(jìn)一步的了解。但是，目前的研究水平有限，如何將Runx2與Wnt/β-catenin信號(hào)通路發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制運(yùn)用于臨床疾病的診斷仍是難題。希望通過對(duì)Runx2的學(xué)習(xí)，能為臨床治療OA、OP、AS等疾病尋找新的突破點(diǎn)，不斷地提供更多新靶點(diǎn)。

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