微管調(diào)控成骨細(xì)胞功能的研究進(jìn)展

萬超超 曹林忠,2* 王多賢 蔣瑋 張琪 劉孟初 馬學(xué)強(qiáng) 楊博 馬成祥

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730099

成骨細(xì)胞主要由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)分化而來，在骨基質(zhì)合成、分泌、礦化過程中發(fā)揮著重要作用，是骨修復(fù)重建的關(guān)鍵細(xì)胞。成骨細(xì)胞分化及功能的異常與許多骨代謝疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，如骨質(zhì)疏松癥、股骨頭壞死、原發(fā)性骨腫瘤等[1-2]。在骨形成過程中，成骨細(xì)胞經(jīng)機(jī)械負(fù)荷等刺激，大量增殖、分化，遷移到骨修復(fù)部位，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)信號級聯(lián)反應(yīng)分泌骨基質(zhì)，引起基質(zhì)礦化，達(dá)到骨修復(fù)的目的。微管(microtubules,MT)是細(xì)胞骨架的重要組成部分，在成骨細(xì)胞的增殖、分化等過程中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用[3]。本文擬對近年來微管調(diào)控成骨細(xì)胞功能的研究進(jìn)行綜述，以期為進(jìn)一步探究成骨分化相關(guān)影響因素、篩選相關(guān)分子靶點(diǎn)及對預(yù)防和治療骨代謝相關(guān)疾病的研究提供指導(dǎo)與參考。

1 微管的結(jié)構(gòu)和功能

微管是α/β微管蛋白組成的中空管狀結(jié)構(gòu)，外徑約22～25 nm，內(nèi)徑約15 nm。α微管蛋白和β微管蛋白結(jié)合為約8 nm長度的α/β異二聚體后，多個α/β異二聚體聚合通過首尾相聯(lián)的方式聚合成為原纖維，13條平行的原纖維橫向聚集形成圓柱狀的微管管壁[4-5]，見圖1。由于構(gòu)成原纖維的α/β微管蛋白二聚體都以相同的方向排列，且聚集成微管的原纖維相互平行，所以微管末端具有極性且表現(xiàn)出聚合和解聚的動力學(xué)特性[6]。微管在聚合模式與解聚模式間的轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為微管末端交替的延長和縮短，即微管動態(tài)不穩(wěn)定性。微管的動態(tài)不穩(wěn)定性是微管發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，受微管蛋白翻譯后修飾及微管相關(guān)蛋白的調(diào)控。

圖1 微管的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of microtubules

1.1 微管蛋白翻譯后修飾

微管蛋白翻譯后修飾包括乙?；?acetylation)、酪氨酸華/去酪氨酸化(tyrosination/detyrosination)、(多聚)谷氨?；痆(ploy)glutamylation)]、(多聚)甘氨酰化[(poly) glycylation]等，這些翻譯后修飾參與微管相關(guān)蛋白與微管蛋白的結(jié)合，調(diào)控微管的動態(tài)重組，影響細(xì)胞的功能。微管的乙?；揎棸l(fā)生在微管內(nèi)壁α微管蛋白的第40位賴氨酸(K40)殘基上，乙?；腒40能夠影響微管內(nèi)部蛋白、微管結(jié)合蛋白與微管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，從而調(diào)控微管的聚合和解聚[7]，K40乙?；嗄軌蚪档拖嗷ミB接的原纖維之間的作用力，增強(qiáng)微管的物理抗性，加強(qiáng)微管穩(wěn)定性[8]，抑制組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6，HDAC6)的活性，增強(qiáng)微管乙?；剑龠M(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化[9]；α微管蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(αTAT1)活性降低會造成細(xì)胞形態(tài)及運(yùn)動能力缺陷[10]。酪氨酸華/去酪氨酸化發(fā)生在α微管蛋白羧基端的末尾酪氨酸上，尾端的酪氨酸能夠被血管抑制蛋白(vasohibin，VASH)家族蛋白VASH1/2酶切割為去酪氨酸化微管(detyrosination tubulin，de Tyr-tubulin)，在微管蛋白酪氨酸連接酶(tubulin tyrosine ligase，TTL)的作用下，被切割的酪氨酸又可重新與去酪氨酸化微管羧基端的末尾相連接，形成酪氨酸化微管(tyrosination tubulin，Tyr-tubulin)[11]，這種修飾主要發(fā)生在纖毛和鞭毛的軸絲中, 是微管穩(wěn)定的標(biāo)志。微管的谷氨酸化修飾是在谷氨酸酶的作用下，谷氨酸殘基與α/β微管蛋白羧基端的谷氨酸殘基的γ羧基集團(tuán)連接，這種修飾能夠調(diào)節(jié)tau、MAP2、MAP1A、MAP1B及驅(qū)動蛋白kinesin-1等微管相關(guān)蛋白與微管的結(jié)合，影響微管的動態(tài)性，從而調(diào)控胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及細(xì)胞遷移[12]。甘氨酸化是在糖激酶的作用下，甘氨酸殘基與α/β微管蛋白羧基端的谷氨酸殘基的γ羧基集團(tuán)連接，甘氨?；瘜τ诰S持纖毛中軸絲微管的穩(wěn)定性至關(guān)重要[13]。

1.2 微管相關(guān)蛋白

微管相關(guān)蛋白依據(jù)其對微管動態(tài)性的調(diào)控可分為微管聚合蛋白和微管解聚蛋白。微管聚合蛋白包括Tau、MAP2、MAP4等，主要通過三種機(jī)制調(diào)控微管聚合：①抑制GTP水解穩(wěn)定微管；②促進(jìn)α微管蛋白與β微管蛋白形成α/β異二聚體并促進(jìn)其進(jìn)入微管；③與微管原纖維交聯(lián)增加原纖維之間的穩(wěn)定性[14]。微管解聚蛋白包括隔離蛋白(Op18/Stathmin)、解聚驅(qū)動蛋白(MCAK)、熱休克蛋白(HSP27)等，但其調(diào)控微管解聚的機(jī)制尚不明確，如Op18/Stathmin可通過結(jié)合微管蛋白亞基抑制其聚合，亦可通過磷酸化引起解聚，或直接與微管結(jié)合抑制其組裝并誘導(dǎo)其解聚[15]。近期研究[16]發(fā)現(xiàn)，與微管密切相關(guān)的馬達(dá)蛋白(kinesins)，可通過ATP水解提供的能量促進(jìn)微管蛋白二聚體彎曲，引起微管解聚。

2 微管對成骨細(xì)胞功能的調(diào)控

微管聚合和解聚的動態(tài)重組是微管功能多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)，與成骨細(xì)胞的增殖、分化密切相關(guān)，并受微管翻譯后修飾及微管相關(guān)蛋白的調(diào)控。微管主要通過調(diào)控初級纖毛、機(jī)械信號傳導(dǎo)、細(xì)胞自噬等發(fā)揮對成骨細(xì)胞增殖分化的調(diào)控。

2.1 初級纖毛對成骨細(xì)胞的調(diào)控作用

初級纖毛是由軸突微管二聚體從中心粒衍生的基底體延伸而成的細(xì)胞器，存在于細(xì)胞表面，起著感受環(huán)境變化和傳遞信號的作用。許多研究表明，初級纖毛在骨組織的修復(fù)、代謝和機(jī)械應(yīng)力的傳導(dǎo)過程均起重要作用，與成骨細(xì)胞的增殖、分化密切相關(guān)。初級纖毛無法自行合成蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和功能的維持依賴于纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(intraflagellar transport, IFT)沿著微管的正向和逆向動力運(yùn)輸，IFT主要行使貨物蛋白適配器的功能，能夠與貨物蛋白結(jié)合并將其錨定于馬達(dá)蛋白(包括動力蛋白和驅(qū)動蛋白)，由馬達(dá)蛋白驅(qū)動將貨物沿著微管運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)纖毛內(nèi)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)及結(jié)構(gòu)的維持。初級纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為IFT-A和IFT-B兩類，IFT-A能夠?qū)⒇浳镥^定于動力蛋白負(fù)責(zé)微管的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)；IFT-B能夠?qū)⒇浳镥^定于驅(qū)動蛋白負(fù)責(zé)微管的正向轉(zhuǎn)運(yùn)[17]。IFT的突變會導(dǎo)致初級纖毛的結(jié)構(gòu)和功能異常，引起骨骼發(fā)育障礙，相關(guān)研究[18]發(fā)現(xiàn)，抑制IFT-A類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IFT-140表達(dá)，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化能力降低，造成骨質(zhì)疏松。初級纖毛亦可通過介導(dǎo)機(jī)械信號調(diào)控成骨細(xì)胞，如流體剪切力、微重力等，連續(xù)5 d施加流體剪切力會刺激成骨細(xì)胞增殖和礦化，同時成骨細(xì)胞的初級纖毛縮短和減少，而使用水合氯醛抑制初級纖毛后，流體剪切力刺激成骨分化的能力降低[19]；在微重力環(huán)境中，正向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IFT-88和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IFT-43比率降低，纖毛變短，且成骨細(xì)胞分化能力降低，骨細(xì)胞數(shù)量減少，說明微重力引起的纖毛內(nèi)正向運(yùn)輸活性降低，導(dǎo)致初級纖毛內(nèi)廢物無法及時排出引起纖毛功能異常，可能是導(dǎo)致成骨活性降低的關(guān)鍵原因[20]。

微管是構(gòu)成初級纖毛的主要構(gòu)件，初級纖毛內(nèi)的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于沿著微管的動力運(yùn)輸(圖2)，因此初級纖毛對成骨細(xì)胞的影響，受到微管翻譯后修飾及微管相關(guān)蛋白的調(diào)控。Shi等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，使用微管穩(wěn)定劑紫杉醇能夠改善微重力引起初級纖毛丟失造成的成骨細(xì)胞功能異常，說明微重力通過調(diào)控微管解聚抑制初級纖毛形成，從而造成成骨細(xì)胞分化、成熟、礦化能力降低。Ehnert等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)能夠誘導(dǎo)組蛋白去乙?；?(HDAC6)上調(diào)，導(dǎo)致微管去乙酰化，引起微管解聚，造成初級纖毛變形、縮短、數(shù)量減少，從而阻止了骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞成熟。這些研究表明，微管通過調(diào)控初級纖毛的功能，對成骨細(xì)胞的增殖分化起了重要作用。

圖2 微管作為初級纖毛貨物的運(yùn)輸軌道Fig.2 Microtubules as transportation track of the primary cilia

2.2 機(jī)械信號傳導(dǎo)對成骨細(xì)胞的調(diào)控作用

機(jī)械信號包括機(jī)械力(流體剪切力、牽張力、微重力等)、細(xì)胞外基質(zhì)的硬度和表面形貌，在成骨細(xì)胞增殖、分化過程中起重要調(diào)控作用[23-24]。當(dāng)前研究[25-28]認(rèn)為，機(jī)械信號調(diào)控成骨細(xì)胞分化的機(jī)制包括三個階段：①細(xì)胞骨架對機(jī)械信號的感應(yīng)階段；②機(jī)械信號與生化信號轉(zhuǎn)換階段；③信號在胞內(nèi)傳遞及細(xì)胞效應(yīng)的階段。細(xì)胞骨架是機(jī)械信號調(diào)控成骨分化信號網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵起始步驟，當(dāng)細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械信號發(fā)生改變時，位于細(xì)胞膜上的整合素蛋白首先感受細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械信號的變化，并將其傳導(dǎo)至胞質(zhì)中的細(xì)胞骨架(微管、微絲、中間絲)上，引起相關(guān)離子通道受體活性的改變，在第二信使的協(xié)同傳遞下，將機(jī)械信號傳入細(xì)胞核，引起成骨相關(guān)信號通路的激活，如BMPs/Smad、OPG/RANK/RANKL、Notch等通路，亦可直接傳遞至細(xì)胞核骨架，從而將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為生化信號調(diào)控成骨細(xì)胞分化和增殖。微管在機(jī)械信號調(diào)控成骨細(xì)胞中的影響主要體現(xiàn)在機(jī)械信號的傳導(dǎo)過程受微管動態(tài)重組的調(diào)控。整合素將細(xì)胞外機(jī)械信號傳入細(xì)胞后，相關(guān)信使需要依靠微管動力運(yùn)輸才能發(fā)揮其效用，微管處于不斷的動態(tài)重組中，微管解聚增加導(dǎo)致微管穩(wěn)定性降低，運(yùn)輸能力降低，將會阻斷機(jī)械信號的傳導(dǎo)。相應(yīng)的，微管聚合增加則會提高微管穩(wěn)定性，有益于微管動力運(yùn)輸，提高機(jī)械信號的傳導(dǎo)，從而使得機(jī)械信號對成骨細(xì)胞的調(diào)控得以發(fā)揮。

James等[29]研究發(fā)現(xiàn)，流體剪切力依賴微管對NADPH氧化酶2(NOX2)的傳導(dǎo)促進(jìn)成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞的分化，通過促進(jìn)α-微管蛋白的去甲狀腺素化修飾引起微管聚合、穩(wěn)定性增強(qiáng)，能夠促進(jìn)NOX2激活產(chǎn)生ROS，ROS通過靶向Ca2+通道TRPV4引發(fā)Ca2+內(nèi)流，促進(jìn)成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞的分化。微絲微管交聯(lián)因子1(microtubule actin cross-linking factor 1,MACF1)對維持微管的穩(wěn)定性具有重要作用。Chen等[30]研究發(fā)現(xiàn)，miR-138-5p能夠靶向MACF1抑制其活性，從而下調(diào)牽張應(yīng)力介導(dǎo)的成骨細(xì)胞增殖、分化，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松；MACF1亦可通過激活Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，而在機(jī)械卸載時，MACF1活性降低[31]。Gould等[32]研究認(rèn)為，微管能夠與肌動蛋白、肌動蛋白結(jié)合蛋白等其他細(xì)胞骨架成分相互作用，共同發(fā)揮調(diào)控機(jī)械信號傳導(dǎo)促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化的能力?？梢?，微管通過調(diào)控機(jī)械信號傳導(dǎo)，在成骨細(xì)胞增殖分化過程中發(fā)揮重要作用。

2.3 微管調(diào)控細(xì)胞自噬對成骨細(xì)胞的調(diào)控作用

自噬與成骨細(xì)胞增殖和分化密切相關(guān)[33]。自噬是真核細(xì)胞內(nèi)堆積的蛋白或受損的細(xì)胞器被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜包裹后，形成自噬體，通過胞內(nèi)運(yùn)輸至溶酶體降解、利用，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的過程。自噬體的胞內(nèi)運(yùn)輸過程受微管動態(tài)重組的調(diào)控。Nowosad等[34]研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞周期素依賴性激酶抑制劑p27KIP1通過激活微管蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(ATAT1)，上調(diào)微管乙?；剑龠M(jìn)自噬體沿微管運(yùn)輸，調(diào)控細(xì)胞自噬。Meercier等[35]研究發(fā)現(xiàn)，磺胺基化2-甲氧基雌二醇(2-ME)類似物能夠靶向微管秋水仙堿結(jié)合部位，導(dǎo)致微管解聚，抑制細(xì)胞自噬。Jiang等[36]研究發(fā)現(xiàn)，自噬相關(guān)蛋白P62通過抑制HDAC6活性，加強(qiáng)微管穩(wěn)定性，促進(jìn)自噬過程。Mohan等[37]研究發(fā)現(xiàn)，微管的去酪氨酸化修飾能夠促進(jìn)溶酶體與自噬體的結(jié)合，表明微管動態(tài)重組參與自噬體胞內(nèi)的運(yùn)輸，在細(xì)胞自噬過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

微管對自噬體運(yùn)輸過程的調(diào)控，與成骨細(xì)胞的增殖、分化密切相關(guān)。Li等[38]研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽能夠抑制微管聚合，阻滯自噬體沿微管運(yùn)輸，從而抑制BMSCs自噬，導(dǎo)致BMSCs成骨分化能力降低，通過抑制HDAC6表達(dá)，促進(jìn)微管聚合，能夠抵抗硅酸鹽誘導(dǎo)的BMSCs自噬能力降低，同時促進(jìn)BMSCs成骨分化。以上研究表明，微管在自噬體和溶酶體結(jié)合中起著重要的橋梁作用，微管蛋白的高乙?；谴碳ぷ允伤匦璧摹５⒐苷{(diào)控自噬與成骨細(xì)胞增殖分化的相關(guān)研究有限，基于微管對自噬過程的重要調(diào)控作用以及自噬對維持成骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要性，從微管對自噬體動態(tài)運(yùn)輸?shù)慕嵌忍剿髯允烧{(diào)控成骨細(xì)胞的潛在機(jī)制，將會受到更多學(xué)者的關(guān)注。

3 總結(jié)

綜上所述，微管通過調(diào)控胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在成骨細(xì)胞增殖、分化過程中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用，其在成骨細(xì)胞功能異常機(jī)制中的作用受到越來越多學(xué)者的重視。然而，目前仍有一些問題尚未闡釋清楚，如在成骨細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，介導(dǎo)胞內(nèi)物質(zhì)沿微管動力運(yùn)輸?shù)奶禺愋载浳镒R別器尚不十分明確。有研究[39-40]表明，微管在成骨細(xì)胞遷移過程中亦可發(fā)揮重要調(diào)控作用，但相關(guān)研究較少，微管調(diào)控成骨細(xì)胞遷移與骨修復(fù)的關(guān)系需進(jìn)一步闡明。初級纖毛、機(jī)械信號、自噬均與成骨細(xì)胞的分化、增殖、成熟有關(guān)，微管可能通過這三個方面參與骨質(zhì)疏松癥、激素性股骨頭壞死等骨代謝相關(guān)疾病的發(fā)病進(jìn)程[41]。若能進(jìn)一步研究微管在成骨細(xì)胞中的作用機(jī)制，揭示關(guān)鍵信號通路和靶基因，定能為骨代謝相關(guān)疾病發(fā)病機(jī)制的相關(guān)研究提供有效幫助，并可能為這些疾病的防治提供新的治療藥物。