運動中雌激素通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨代謝的影響

侯 穎 鄭 陸 朱一力

(首都體育學(xué)院 研究生部，北京 100088)

運動中雌激素通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨代謝的影響

侯 穎 鄭 陸 朱一力

(首都體育學(xué)院 研究生部，北京 100088)

OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)是骨生物學(xué)史上的重要里程碑式發(fā)現(xiàn)。該系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)破骨細胞和成骨細胞分化的關(guān)鍵軸，受到了越來越多人的關(guān)注。適量運動中雌激素可通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)，維持并調(diào)控著骨形成與骨吸收動態(tài)平衡過程。過量運動可能因影響體內(nèi)雌激素水平和骨的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致骨量及骨強度的降低。本文采用文獻資料法，對該系統(tǒng)進行簡要介紹，并通過總結(jié)歸納，來討論適量運動和過量運動中，雌激素經(jīng)OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨代謝的影響。

適量運動；過量運動；OPG；RANKL；骨代謝；雌激素

1 OPG-RANKL-RANK構(gòu)成及其作用

1.1OPG—骨保護素

OPG是由Simonet[1]在1997年對大鼠小腸進行cDNA測試時所發(fā)現(xiàn)的一種分泌型蛋白，它可以明顯抑制破骨細胞分化，引起骨密度增高，故名骨保護素。OPG含有七個結(jié)構(gòu)域，N端有D1-D44個富含半胱氨酸的域。C端有2個D5-D6相互串聯(lián)的“死亡域”,D7 參與結(jié)合肝素，形成同源二聚體[2]。OPG還是含有21個氨基酸的信號肽和380個氨基酸的成熟肽，它有單體和二聚體兩種形式，單體存在于成骨細胞中，二聚體則可分泌入基質(zhì)中，它的單體分子量為55-62kD，二聚體分子量為110-120kD[3]。OPG分布于骨髓基質(zhì)細胞、成骨細胞、成纖維細胞、主動脈平滑肌細胞、成骨肉瘤MG63細胞、乳腺癌細胞MCF27以及單核細胞、樹突狀細胞及B淋巴細胞中[4]。

OPG具有抑制骨吸收的功能。通過阻斷RANKL與RANK的結(jié)合，抑制成熟破骨細胞活化及骨吸收活性，導(dǎo)致破骨細胞凋亡。OPG轉(zhuǎn)基因過量表達的小鼠表現(xiàn)為骨硬化癥。而OPG基因敲除的小鼠則表現(xiàn)為嚴重的骨密度和骨強度降低[5]。OPG還在脈管系統(tǒng)疾病中起作用，在Bucay和Mizuno[6,7]的研究中，敲除新生4月齡鼠的OPG基因，不僅表現(xiàn)為破骨細胞生成增加導(dǎo)致嚴重的骨質(zhì)疏松，而且表現(xiàn)為大動脈硬化、動脈內(nèi)膜和中層增生，形成分割性主動脈瘤。

1.2RANKL—OPG的結(jié)合蛋白

RANKL是1998年Lacey等[8]人在研究破骨細胞分化時發(fā)現(xiàn)的，又叫做骨保護素配體，屬于TNF受體家族成員，為Ⅱ型跨膜蛋白[9-13]，有兩種存在形式：一種是膜結(jié)合型蛋白，分子量為40-45kD；另一種是游離型多肽，是膜結(jié)合型RANKL的膜外區(qū)部分被蛋白水解酶水解后釋放的可溶性分子，分子量為31kD，以膜結(jié)合型RANKL生理功能為強。人和大鼠RANKL分子分別包含317、316個氨基酸殘基，具有83%-87%同源性[14,15]。RANKL mRNA可在多種組織表達，在骨組織如骨骼、骨髓淋巴組織如淋巴結(jié)、胸腺、脾、肝、腸系膜下集合淋巴結(jié)中較高。

RANKL基因敲除的小鼠，表現(xiàn)為嚴重的全身骨硬化，破骨細胞缺乏。給予RANKL后癥狀改善，應(yīng)用重組的RANKL，可使動物出現(xiàn)嚴重的骨質(zhì)疏松和高鈣血癥。正常小鼠靜脈中注射RANKL一天后血鈣明顯升高，三天后發(fā)生骨質(zhì)疏松。RANKL在骨骼中的生物學(xué)作用是促進破骨細胞分化，增強成熟破骨細胞的活性，抑制破骨細胞凋亡，并完成破骨細胞從前體到成熟的分化過程，但可被OPG阻斷。

1.3RANK—RANKLOPG的受體

RANK為Ⅰ型跨膜蛋白，含有616個氨基酸，屬于腫瘤壞死因子家族成員?；蚨ㄎ挥?8q22.1，人和鼠的同源性為70%。在骨組織(破骨細胞的前體細胞、成熟破骨細胞、軟骨細胞)、胸腺、肝臟、直腸、小腸及腎上腺都有表達。激活RANK的編碼序列1，可使核因子NF-κβ受體活化因子RANK增加，促使破骨細胞的生成，骨質(zhì)溶解加強。骨吸收速度快，破壞礦化的基質(zhì)，表現(xiàn)為Paget病。

RANK是破骨細胞上RANKL的唯一受體，其主要功能是在破骨細胞及其祖細胞表面上與RANKL結(jié)合，直接促進破骨細胞的分化、活化、成熟，阻止破骨細胞凋亡。RANKL-RANK使破骨細胞完成由前體向多核破骨細胞的轉(zhuǎn)化。RANK基因敲除的小鼠，表現(xiàn)為明顯的骨質(zhì)疏松，并且缺乏成熟的破骨細胞。Hsu等用RANK與IgGFc的融合蛋白阻止了RANK與RANKL的結(jié)合，從而阻止了破骨細胞的分化與成熟，進一步證明RANK對破骨細胞功能的重要性。

1.4OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)的作用

人的骨骼是一個不斷進行著骨吸收和骨重建的動態(tài)調(diào)節(jié)過程。破骨細胞是一個可以吸收骨質(zhì)的多核巨噬細胞，OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)則是調(diào)節(jié)破骨細胞分化、活化、成熟及凋亡的最終調(diào)節(jié)因子。成骨細胞、骨髓基質(zhì)細胞表達、分泌RANKL，激活密切接觸的破骨細胞前體細胞上的RANK，之后破骨細胞發(fā)生、成熟，骨吸收、啟動骨重塑。與此同時，成骨細胞、骨髓基質(zhì)細胞表達OPG，OPG一方面促進破骨細胞凋亡，另一方面與RANKL競爭性結(jié)合RANK，抑制破骨細胞生成、成熟、終止骨吸收，并通過臨近接觸的成骨細胞促進骨形成。因此，OPG-RANKL-RANK軸是骨吸收與骨形成保持動態(tài)平衡的關(guān)鍵，故又被稱為“骨代謝調(diào)節(jié)軸”。

2 雌激素對骨代謝的效應(yīng)

骨是雌激素的重要靶器官之一，雌激素受體(estrogen receptor,ER)存在于成骨細胞、破骨細胞和骨細胞中。雌激素，尤其是雌二醇(E2)可以作用于成骨和破骨細胞表面的受體直接影響骨的形成與吸收，也可以通過這些細胞分泌局部調(diào)節(jié)因子來影響骨代謝，雌激素通過刺激成骨細胞表達OPG來對抗骨吸收。

許多研究表明，OPG-RANKL-RANK與骨代謝疾病有關(guān)。許多因素可以通過該軸導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。賈少杰等人在絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松與OPG、RANKL和ApoE(載脂蛋白)的研究中顯示，當雌激素缺乏時，破骨細胞前體細胞數(shù)量和破骨細胞數(shù)量增加。由于成骨細胞上的OPG可以競爭性阻斷RANKL與RANK結(jié)合，從而抑制了破骨細胞的成熟，所以當補充雌激素后OPG-RANKL結(jié)合表達明顯上升。說明雌激素可通過增加股骨中OPG和RANKL的表達，抑制破骨性骨吸收，防止骨質(zhì)疏松。體內(nèi)調(diào)控破骨細胞的多種因子和激素幾乎都是通過影響OPG和RANKL的分泌實現(xiàn)的。Seremak對高加索地區(qū)的絕經(jīng)婦女基因型的研究表明，通過雌激素替代療法對緩解絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松非常必要。大量的體外實驗也證明雌激素介導(dǎo)了對該系統(tǒng)的作用，蘇欣等用酶消化法從正常人的松質(zhì)骨中分離成骨細胞，進行體外培養(yǎng)和功能鑒定，觀察用雌二醇(17β-E2 )和雌激素受體拮抗劑ICI182780處理后，成骨細胞中OPG表達上調(diào)。Saika等運用小鼠基質(zhì)細胞ST-2探討雌激素缺乏對OPG表達的影響，給予ST-2細胞17β-E2可使OPGmRNA 水平及蛋白表達增加，Bord S等在人類成骨細胞培養(yǎng)中，于24和48h內(nèi)分別注入17β-E2，發(fā)現(xiàn)OPG蛋白表達在24h和48h有明顯增加。RANKL在24h有所增加，但沒有維持至48h。最新有研究顯示，補充大劑量的雌激素會引發(fā)高泌乳激素血癥，它會對OPG骨保護系統(tǒng)產(chǎn)生抵制。增加骨質(zhì)疏松的危險，并且導(dǎo)致前庭失調(diào)。

3 適量運動雌激素經(jīng)OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨的影響

3.1適量運動對骨量的作用

適宜運動可通過對骨的牽拉、扭轉(zhuǎn)、剪切等不同的刺激，促進骨建構(gòu)和骨重建，從而增加骨量和骨強度。運動產(chǎn)生的力學(xué)信號可通過力學(xué)耦聯(lián)、生化耦聯(lián)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和受體細胞應(yīng)答的方式，使細胞因子和相關(guān)激素如雌激素含量變化，促進OPG mRNA表達，抑制RANKLmRNA表達，增加成骨細胞OPG合成，進而對骨產(chǎn)生積極影響。

適宜運動可使婦女絕經(jīng)推遲，在更長時期內(nèi)分泌E2，這樣可以使骨丟失量減少，達到防治骨質(zhì)疏松的目的。一般認為，以最大攝氧量為40%-80%的中等強度的運動，能使骨量增加，若運動強度超過80%的運動，反而使骨量減少。Aloia等對平均年齡為52歲且閉經(jīng)4年的婦女進行了1年的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每日平均做25min室內(nèi)運動的實驗組比不運動的對照組骨量增加約5%。Hatori等觀察了不同運動強度對絕經(jīng)女性骨質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)30min/天、3次/周、持續(xù)28周高于無氧閾值強度的運動可顯著增加骨密度，而同樣方案，低于這一強度的運動對骨密度則無明顯影響。顯然，過低和過高的運動強度都無法使骨維持正常的代謝平衡。

不同的運動方式對骨的影響也是不一樣的。有實驗顯示，同一負荷中，跑臺運動和游泳運動均能增加骨的礦物含量，但是對骨的抗變形能力跑臺運動要優(yōu)于游泳運動。而游泳運動對骨的抗斷裂能力要強于跑臺。Bass等研究8至17歲的女子網(wǎng)球運動員的負重上肢，和不負重上肢的骨外膜橫截面積、皮質(zhì)骨面積，結(jié)果顯示負重上肢的骨密度要顯著高于不負重上肢的骨密度。這說明足夠的負荷刺激，是維持骨密度的必要前提。

3.2適量運動雌激素對骨代謝的調(diào)節(jié)

代毅的研究發(fā)現(xiàn)，適宜健身運動植物雌激素復(fù)合作用可以抑制破骨細胞的代謝，減少破骨細胞分泌和阻止骨丟失。張林等實驗發(fā)現(xiàn)，運動和鈣補充半年后，絕經(jīng)后婦女雌激素水平略升高。徐紅等研究結(jié)果顯示，15到16歲藝術(shù)體操運動員的血中E2高于柔道運動員。以上研究表明，適宜運動可以使與骨代謝相關(guān)的激素發(fā)生正性變化，影響某些局部調(diào)節(jié)因子，從而影響骨的重建過程。研究表明，適量運動一方面可以促進血液循環(huán)，促進神經(jīng)體液的調(diào)節(jié)，改善激素的調(diào)控過程，而雌激素可直接作用于成骨細胞和破骨細胞上的雌激素受體，對骨代謝進行調(diào)節(jié)；另一方面，骨骼機械負荷促進骨細胞將基質(zhì)所承受的機械壓力轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號再傳給成骨和破骨細胞，以調(diào)節(jié)骨的建造和改建過程；而雌激素等主要影響骨代謝的激素又通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)而實現(xiàn)對骨代謝的調(diào)節(jié)。

3.3雌激素對OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)的影響

Shevde等通過實驗發(fā)現(xiàn)，雌激素可通過雌激素受體抑制RANKL和破骨細胞形成。陳一冰等人對去卵巢大鼠OPG表達的研究發(fā)現(xiàn)，去卵巢大鼠給予雌激素后，腰椎OPGmRNA表達升高。雌激素對人成骨細胞OPG表達有升調(diào)節(jié)作用，對RANKL表達有降調(diào)節(jié)作用。賈少杰等對去卵巢小鼠股骨的OPG、RANKL進行觀察發(fā)現(xiàn)，去卵巢組OPG表達明顯升高，破骨細胞的生成減少，骨吸收受抑。說明，雌激素通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨代謝予以調(diào)節(jié)。West SL等人的實驗證明，絕經(jīng)前鍛煉組婦女的OPG水平明顯高于非鍛煉組絕經(jīng)前婦女，但是絕經(jīng)鍛煉組婦女骨密度比絕經(jīng)前鍛煉組低，說明雌激素分泌減少，影響OPG表達。

4 過量運動雌激素經(jīng)OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)對骨的影響

4.1過量運動中雌激素的變化

對雌性大鼠進行遞增式負荷訓(xùn)練至過度訓(xùn)練過程中，隨著運動負荷的加大及加強，垂體、下丘腦和性腺軸抑制，雌激素水平下降。王人衛(wèi)等對大強度運動訓(xùn)練中雌性大鼠性激素和BMD的研究結(jié)果表明，中長期的大強度運動可導(dǎo)致大鼠骨量減少且BMD的改變與運動引起雌激素的變化分不開。人體實驗也發(fā)現(xiàn)，女性進行劇烈運動月經(jīng)失調(diào)發(fā)生率很高，特別是長跑運動員、三項全能女運動性閉經(jīng)最為常見，高強度的運動訓(xùn)練還可推遲青春期的發(fā)育。上述研究結(jié)果均證實，過量運動至少部分地通過對性腺軸的抑制，降低整體雌激素水平，進而干擾骨代謝。

4.2過量運動雌激素對OPG-RANKL-RANK軸骨代謝的變化

Kerschan-Schindl K等讓訓(xùn)練者連續(xù)跑步246km，測試發(fā)現(xiàn)，血清中RANKL含量明顯增加，表明出現(xiàn)暫時性的骨吸收強于骨形成的現(xiàn)象。Bourrin用5月齡雄性大鼠進行了大強度跑臺運動(80%VO2max)11周，通過組織計量學(xué)方法，證實所測骨骼發(fā)生了明顯的骨丟失。表明高強度運動不能改善骨代謝，反而由于骨組織微損傷加劇，超微結(jié)構(gòu)改變，加快了骨丟失。高麗等的實驗證明，長期大強度跑臺運動，導(dǎo)致運動性動情周期抑制大鼠骨組織OPGmRNA下降，RANKLmRNA升高。究其原因可能由于雌激素水平降低，改變了骨組織局部因子水平，進而改變了骨組織OPG及RANKL的表達，使骨小梁數(shù)目明顯變少、纖細、排列稀疏、骨髓腔增大。證明長期的大強度耐力運動會造成動情周期抑制，骨組織結(jié)構(gòu)破壞加劇，自我更新缺損的能力降低。

5 小結(jié)

綜上所述，雌激素在骨量維持中具有很重要的作用，適量運動在骨量維持中同樣具有積極作用。適量運動至少部分地通過改善體內(nèi)雌激素狀況而發(fā)揮健骨效應(yīng)，而雌激素對骨代謝的影響效應(yīng)，則是通過OPG-RANKL-RANK系統(tǒng)，調(diào)控骨形成與骨吸收動態(tài)平衡過程得以實現(xiàn)。健骨運動的負荷需適度，過量運動可能因影響體內(nèi)雌激素水平和骨的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致骨量及骨強度的降低。

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EffectoftheExerciseofEstrogenthroughOPG-RANKL-RANKSystemonBoneMetabolism

Hou Ying，Zheng Lu，Zhu Yili

(Postgraduate School,Capital Institute of Physical Education，Beijing，100088,China)

OPG-RANKL-RANK signal pathway is a milestone in the history of bone biological.OPG-RANKL-RANK system regulates the differentiation osteoclasts and osteoblast,which has recently been identified as important mediators in the pathogenesis of osteoporosis.In appropriate exercise through OPG-RANKL-RANK the estrogen can maintain and control the dynamic balance of bone formation and bone resorption process.Excessive exercise may affect estrogen levels and bone micro-architecture,resulting in bone mass and bone strength decrease.In this essay,by means of literatures,a brief description of this system is introduced and summarized to discuss about the influence of estrogen by OPG-RANKL-RANK signal pathway in bone metabolism of the appropriate amount of exercise and excessive movement.

appropriate exercise;excessive exercise;OPG;RANKL;bone metabolism;estrogen

2009-11-23；

2010-01-27

北京市人才強教“學(xué)術(shù)創(chuàng)新團隊”項目——運動與女性骨健康資助(2007)。

侯穎(1983-)，女，北京人,在讀碩士研究生,研究方向：運動生理病理學(xué)。

G804.21

A

1672-1365(2010)03-0073-03