Notch信號(hào)通路與地方性氟中毒骨損害

萬(wàn) 雯(綜述)，于燕妮(審校)

(貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室，貴陽(yáng)550004)

地方性氟中毒(簡(jiǎn)稱地氟病)是由于環(huán)境，包括水土和食物中氟元素含量過(guò)多，導(dǎo)致生活在該地區(qū)的人群長(zhǎng)期攝入過(guò)量氟而引起的慢性全身性疾病。地氟病涉及人口眾多，幾乎遍及五大洲50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，尤其以亞洲、非洲的發(fā)展中國(guó)家為重［1］。我國(guó)是地氟病流行最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，由于其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，部分病區(qū)人群仍處于高氟的危害中。地氟病導(dǎo)致骨再建過(guò)程紊亂形成氟骨癥，病理改變以骨轉(zhuǎn)換加速為其重要特征，表現(xiàn)為骨吸收與骨形成的動(dòng)態(tài)平衡破壞。成骨細(xì)胞引起的骨形成與破骨細(xì)胞引起的骨吸收是維持骨完整的關(guān)鍵，在骨形成與重建中扮演著重要角色。過(guò)量氟可造成成骨與破骨活動(dòng)均增強(qiáng)的骨轉(zhuǎn)換增高狀態(tài)［2-3］。隨著大量氟中毒實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，越來(lái)越多的證據(jù)表明，Notch信號(hào)通路在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖、分化過(guò)程中有重要作用。現(xiàn)就目前對(duì)Notch信號(hào)通路和骨代謝以及地氟病骨組織中Notch信號(hào)通路的研究進(jìn)行闡述。

1 Notch信號(hào)通路

Notch基因早在1917年由Wharton等［4］在果蠅中研究發(fā)現(xiàn)，隨后大量的研究證明Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路廣泛存在于脊椎和非脊椎動(dòng)物中，是一條影響細(xì)胞命運(yùn)的、保守而重要的細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，幾乎涉及所有細(xì)胞的增殖、分化和凋亡及一系列生理、病理過(guò)程。

Notch信號(hào)通路由受體、配體和DNA結(jié)合蛋白三部分組成，果蠅中存在Notch受體和兩個(gè)配體(Delta、Serrate)，哺乳動(dòng)物中有 4個(gè)同源受體和5個(gè)同源配體，其中同源受體是Notch1-4。所有的同源Notch受體都是Ⅰ型跨膜蛋白，均由胞內(nèi)區(qū)、跨膜區(qū)和胞外區(qū)組成。同源配體有兩類，與Delta高度相似的配體稱為Delta或Delta樣，有 Delta1、Delta3、Delta4與Serrate相似的稱為 Serrate或 Jagged，包括 Jagged1、Jagged2，同源配體也是Ⅰ型跨膜蛋白［5］。Notch信號(hào)途徑從無(wú)脊椎動(dòng)物到脊椎動(dòng)物都是高度保守的，其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)無(wú)需第二信使和蛋白激酶的參與，可直接接收鄰近細(xì)胞的信號(hào)并傳到細(xì)胞核，激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)［6］。配體與受體的結(jié)合觸發(fā)了發(fā)生在受體上的兩次蛋白水解事件，第1次裂解發(fā)生在胞外，被解聯(lián)蛋白與金屬蛋白酶家族的金屬蛋白酶催化，釋放部分胞外片段，剩下部分粘連在細(xì)胞膜上，稱為“Notch-intro TM”。第2次裂解由復(fù)合酶體γ-分泌酶催化發(fā)生，這次裂解釋放了Notch受體的胞內(nèi)區(qū)(Notch intracellular domain，NICD)，NICD 直接轉(zhuǎn)位到核內(nèi)，同DNA結(jié)合蛋白CSL和CSL的輔激活物協(xié)同激活因子一起開(kāi)啟下游基因的轉(zhuǎn)錄［CSL是CBF1、Su(H)、Lag-1 首寫字母的縮寫，CBF1、Su(H)、Lag-1分別是這個(gè)蛋白在哺乳動(dòng)物、果蠅、線蟲的不同名稱［7］］。

Notch的胞內(nèi)區(qū)不存在時(shí)，CSL是一個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制因子，當(dāng)Notch信號(hào)激活后，NICD進(jìn)入胞核與CSL蛋白結(jié)合，將原來(lái)的“協(xié)同抑制復(fù)合物”轉(zhuǎn)換為“協(xié)同活化復(fù)合物”。在經(jīng)典的Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，被轉(zhuǎn)錄的基因有 HES(hairy enhancer of Split)1、HES5、HES6、HES7、HEY(HES-related with YRPF motif)1、HEY2 及HEYL，其中HES1和HES5在Notch信號(hào)通路中發(fā)揮重要作用。除了CSL依賴型的經(jīng)典途徑外，Notch信號(hào)通路還存在不需CSL調(diào)控的非經(jīng)典途徑或通過(guò)與其他信號(hào)途徑發(fā)揮作用，但具體機(jī)制尚不清楚［8］。

2 Notch經(jīng)典通路與成骨

以往對(duì)Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究主要集中在免疫和腫瘤方面，近來(lái)有許多證據(jù)表明Notch信號(hào)參與了成骨細(xì)胞的分化和骨形成，并可能對(duì)成骨細(xì)胞的分化和骨質(zhì)形成有抑制作用。Baron等［9］檢測(cè)Kusa-A1(屬于成骨前體細(xì)胞)成骨分化過(guò)程中Notch相關(guān)基因 Delta1、Jagged1、CBF1、HES1的表達(dá)及變化，發(fā)現(xiàn)4種分子在Kusa-A1細(xì)胞均有表達(dá)，說(shuō)明Notch信號(hào)參與成骨細(xì)胞分化。Wang等［10］實(shí)驗(yàn)表明，Notch的主要核調(diào)節(jié)者——主要在成骨細(xì)胞中表達(dá)的Rbpj(即CSL)參與成骨過(guò)程，并可能在成骨細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用。Rbpj的過(guò)度表達(dá)促進(jìn)了鼠Kusa-A1細(xì)胞的成骨分化。瞬時(shí)轉(zhuǎn)染Rbpj表達(dá)載體至Kusa-A1細(xì)胞，上調(diào)成骨細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子和作用元件的活性。在建立穩(wěn)定過(guò)表達(dá)Rbpj的Kusa-A1(Kusa-A1/Rbpj)細(xì)胞株中檢測(cè)到增強(qiáng)的成骨潛力，包括高堿性磷酸酶活性，快速的鈣沉積以及增加的鈣化結(jié)節(jié)形成。與Kusa-A1細(xì)胞相比，轉(zhuǎn)染的Kusa-A1/Rbpj細(xì)胞礦化程度提高。另外，Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并不是通過(guò)影響成熟成骨細(xì)胞的功能來(lái)發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，而是通過(guò)調(diào)節(jié)其前體的分化來(lái)發(fā)揮作用的。Engin 等［11］和 Zanotti等［12］將 NICD 的表達(dá)分別置于2.3 kb和3.6 kb膠原Ⅰ型啟動(dòng)子控制之下的轉(zhuǎn)基因小鼠時(shí)，出現(xiàn)了不同的表型，前者抑制了成骨細(xì)胞分化的終末階段致使形成了較多未成熟或功能紊亂的成骨細(xì)胞，導(dǎo)致骨量增加及生長(zhǎng)遲緩，而后者則在成骨細(xì)胞分化的早期發(fā)揮抑制作用，從而致使成熟成骨細(xì)胞的數(shù)量減少，導(dǎo)致骨量下降。除了體外研究，許多體內(nèi)研究報(bào)道亦有利于Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的認(rèn)識(shí)。Hilton等［13］運(yùn)用條件等位基因從基因水平上去除骨骼發(fā)育過(guò)程中Notch信號(hào)系統(tǒng)的組成部分，發(fā)現(xiàn)Notch信號(hào)通路的受阻顯著增加了未成年小鼠體內(nèi)骨小梁的骨量。然而，在高骨量小鼠的骨髓中間充質(zhì)祖細(xì)胞幾乎消耗殆盡，隨著年齡的增長(zhǎng)，這些小鼠會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松。此外，Notch似乎是通過(guò)HES或HEY蛋白與成骨分化特異性轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用，降低Runx2的轉(zhuǎn)錄活性而抑制成骨細(xì)胞分化的，表明骨髓中的Notch信號(hào)通路通過(guò)降低成骨細(xì)胞的分化起到了維持間充質(zhì)祖細(xì)胞池的作用。另外，Tao等［14］研究發(fā)現(xiàn)，激活成骨細(xì)胞的Notch信號(hào)促進(jìn)細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞分化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠出現(xiàn)骨質(zhì)硬化表型。隨后預(yù)先條件性地激活Notch1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，在體內(nèi)向成骨細(xì)胞的特異性表達(dá)使其出現(xiàn)同樣的表型，再選擇性刪除一個(gè)Notch核受體——成骨細(xì)胞中的Rbpj，發(fā)現(xiàn)骨硬化和生長(zhǎng)發(fā)育遲緩的表型完全受到抑制。同時(shí)，從獲救小鼠的細(xì)胞和分子分析證實(shí)成骨細(xì)胞中NICD依賴的分子轉(zhuǎn)化完全被Rbpj去除途徑所逆轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，成骨取決于成骨細(xì)胞Notch信號(hào)的激活本質(zhì)上是經(jīng)典的，因?yàn)樗耆蕾囉赗bpj信號(hào)，標(biāo)志著Rbpj作為一個(gè)特異的目標(biāo)在Notch失調(diào)的成骨細(xì)胞自主經(jīng)典的骨疾病中操縱著Notch信號(hào)通路。

3 Notch經(jīng)典通路與氟中毒

氟是人體必須的微量元素之一，其化學(xué)性質(zhì)活潑，能直接與多種元素化合，并以各種形式分布于水、土壤、空氣和動(dòng)植物體中，對(duì)人類的健康有著直接的影響。然而，氟的安全范圍很窄，缺氟或攝氟過(guò)量均會(huì)引起機(jī)體代謝發(fā)生紊亂從而引起地氟病。我國(guó)地氟病病區(qū)范圍廣、病情重、受威脅人口多，目，全國(guó)地氟病病區(qū)人口已達(dá)1.1億，其中氟斑牙患者2102萬(wàn)人，氟骨癥患者136萬(wàn)人，受威脅人口8395.6萬(wàn)多人，而尚無(wú)有效的預(yù)防控制和治療措施，進(jìn)一步研究氟病的發(fā)生機(jī)制、發(fā)展規(guī)律顯得尤為重要［15］。

氟中毒對(duì)機(jī)體的損傷多樣，主要表現(xiàn)為氟斑牙和氟骨癥，而氟骨癥的一系列(如骨硬化、骨質(zhì)疏松、骨變形和骨折等)骨骼病變伴發(fā)的氟性關(guān)節(jié)病，引起關(guān)節(jié)疼痛、行走和運(yùn)動(dòng)困難又是對(duì)人體最為嚴(yán)重的危害［16］。近年來(lái)，隨著大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞培養(yǎng)的進(jìn)行，已有充分依據(jù)證明成骨細(xì)胞功能活躍是一個(gè)發(fā)生較早并起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上的骨轉(zhuǎn)換加速是氟骨癥的特征性病變，是形成骨病變多樣性的病理基礎(chǔ)［1，17］。結(jié)合目前已知氟骨癥的發(fā)病機(jī)制可以看出，骨骼損傷的環(huán)節(jié)是氟中毒骨骼病變的關(guān)鍵，而Notch信號(hào)通路在成骨過(guò)程中的重要作用推測(cè)其在氟骨癥的研究中有著不可忽視的重要價(jià)值。然而，Notch信號(hào)的激活或抑制并非以該通路中單一上下游分子的線性作用進(jìn)行，還有很多其他信號(hào)途徑的成員或分子參與其中，從而形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了Notch與核因子κB的相互作用，這兩大信號(hào)途徑的聚焦點(diǎn)在NICD與核因子κB的表達(dá)水平，而在與Wnt通路的串話中，則既有一些直接的交叉，如Wnt蛋白可通過(guò)與一些亞型的Notch受體結(jié)合調(diào)控其下游，CBF1可促進(jìn)一些編碼Fz(Wnt信號(hào)通路的受體——卷曲蛋白)基因的表達(dá)，又有諸多間接的關(guān)聯(lián)，如兩個(gè)通路中的一些途徑都參與對(duì)共同基因的表達(dá)調(diào)節(jié)等［18-21］。以往研究p38通路、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路、核因子κB通路等信號(hào)通路與氟骨癥關(guān)系密切，但氟中毒對(duì)骨組織損傷的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制仍不清楚［22-24］。因此，結(jié)合氟中毒骨骼損傷的多種病理變化類型，深入研究Notch信號(hào)通路，并聯(lián)系各通路間的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)調(diào)控非常必要。

4 結(jié)語(yǔ)

Notch信號(hào)通路在細(xì)胞增殖分化及凋亡中起著重要作用，是許多重要細(xì)胞信號(hào)通路的交匯點(diǎn)，研究已經(jīng)表明Notch信號(hào)通路參與了成骨細(xì)胞的分化和骨形成，與地方性氟中毒骨損害關(guān)系密切，深入探討該信號(hào)通路及其相關(guān)信號(hào)分子在氟中毒骨組織中的變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步研究地方性氟中毒的發(fā)病機(jī)制及其預(yù)防、治療措施具有重要意義。

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