胎球蛋白A在骨礦化早期的抑制作用

呂厚辰 綜述 唐佩福 審校

解放軍總醫(yī)院 骨科，北京 100853

生物礦化是礦物質在生物體內特定部位選擇性沉積的過程，它嚴格受生物體內激素、細胞因子等生物信號分子的調控[1]。生物礦化中最常見的無機質是磷酸鈣類，其代表為羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2][2]。生理狀態(tài)下的礦化主要發(fā)生在骨骼和牙齒中，并以骨基質的礦化為主。骨基質礦化指以I型膠原為支架，羥基磷灰石結晶在各種膠原蛋白及相關酶類、脂類協同作用下發(fā)生沉積現象[3]。這一過程可以簡單的概括為：機體將無機離子運輸到具備一定超分子結構的有機組裝框架處，以此框架為模版，礦物質規(guī)律沉積。與體外礦物沉積、析出不同，生物體內的礦化是具有選擇性的，即在某些需要礦化的部位如骨、牙齒，機體是促進礦物沉積的； 而在其他部位如血液、肌肉等不出現礦物沉積。顯然有一種抑制礦化的機制發(fā)揮了作用，這種抑制機制應該與礦化促進機制同等重要[4]。本文就胎球蛋白A在上述礦化過程中發(fā)揮的調節(jié)作用進行綜述。

1 胎球蛋白A抑制礦化的作用

人胎球蛋白A(Fetuin-A)，亦稱AHSG(2-Heremans Schmid glycoprotein)，于1944年由Pederson發(fā)現，是一種59kU的糖蛋白，是半胱氨酸蛋白酶抑制劑家族的一員[5]。胎球蛋白A主要在肝臟合成，在血液中濃度很高，成年哺乳動物中達0.5-1.5mg/ml。其D1結構域中的β折疊樣結構與鈣有很強的親和性[6]，在血液循環(huán)中形成可溶性的鈣-胎球蛋白顆粒，維持礦物離子的穩(wěn)定，防止其聚積，是體內最強大的抑制礦化的蛋白質[7]。

Jahnen-Dechent等[8]利用培養(yǎng)的敲除胎球蛋白基因的小鼠進行實驗，證明礦物在體內聚集沉積是一個自發(fā)出現的現象，不需要機體主動參與，但為了保證合理有序的沉積，機體須主動抑制這一趨勢，在合適的部位取消這種抑制作用。Jahnen-Dechent等[6]發(fā)現：胎球蛋白A以可溶的膠體樣納米顆粒來維持過飽和礦物溶液中離子的穩(wěn)定，通過D1區(qū)β折疊結構中的天冬氨酸和谷氨酸殘基與鈣結合，使礦物質以另一種形式溶于體液中，從而抑制礦物質的沉積。

通過序列結構對比發(fā)現：胎球蛋白A的D1結構域中存在一個EF手型結構(該結構由29個氨基酸組成的鈣結合基序，含E、F兩段螺旋，并形成螺旋-環(huán)-螺旋結構)的鈣結合基序：92EGDCDFQLLK101，編號92-101氨基酸序列能發(fā)揮結合鈣的作用[9]。在與礦物質結合的過程中，D1結構域中結合的鈣不是以鈣離子形式存在，而是以礦化離子聚集后形成礦化前體，即Posner礦物聚集簇的形式存在[10]。但這種前體結構及組成尚未明確，可能為無定形磷酸鈣(amorphous calcium phosphate，ACP)、二水磷酸氫鈣(dicalcium phosphate dihydrate，DCPD)、磷酸八鈣(octacalcium phosphste，OCP)等[11]。胎球蛋白A與鈣、磷等礦物質前體結合形成復合體[12]，即鈣-胎球蛋白顆粒。最初形成的顆粒是可溶性的球狀膠體物質，直徑約30~150 nm，隨著礦化的發(fā)展，顆粒內部的礦物質逐漸成熟，體積增大，由非晶體轉變?yōu)榫w結構，并不可溶[13]。胎球蛋白A在這一過程中，能夠維持礦物質的穩(wěn)定，將逐漸成熟且不可溶的礦物質從細胞外液中轉移到目的礦化位點，使礦化的反應鏈繼續(xù)發(fā)展。

2 鈣-蛋白顆粒的形成是一個多步驟過程

相關學者對胎球蛋白A的礦化抑制機制進行了系列研究，發(fā)現鈣-蛋白顆粒的形成是一個多步驟過程[11]。即從鈣-胎球蛋白單體逐漸發(fā)展到初級鈣-胎球蛋白顆粒，最后轉變?yōu)榇渭夆}-胎球蛋白顆粒。每個階段內胎球蛋白A均可以發(fā)揮抑制礦化的作用。

2.1 鈣-胎球蛋白單體 礦物離子在亞穩(wěn)定溶液中能夠自發(fā)形成礦化前體，胎球蛋白A通過D1區(qū)β折疊結構與礦物質進行螯合，形成含有礦物質負載的胎球蛋白單體。鈣-胎球蛋白單體最初是通過小角度中子散射技術觀察到的[10]，在含有鈣負載的胎球蛋白單體中，鈣是以Ca9(PO4)6的形式與胎球蛋白A單體緊密連接在一起。溶液中的礦物離子無需任何有機物質參與自發(fā)地形成小的聚集物，即Posner礦物聚集簇，這是一種體積較小的礦物質-胎球蛋白顆粒，能作為一個整體與胎球蛋白A分子1∶1的結合在一起。Heiss等[10]發(fā)現：當溶液中離子濃度接近飽和極限時，僅有一半的離子和5%的胎球蛋白A處于鈣-胎球蛋白顆粒內，剩余的離子及95%的胎球蛋白A則以含有鈣負載的胎球蛋白A單體的形式存在。胎球蛋白A能夠與自發(fā)聚集形成的Posner礦物聚集簇結合，抑制Posner礦物聚集簇進一步聚集，進而阻止礦物沉積出現。說明約95%胎球蛋白A單體在抑制礦物沉積上發(fā)揮積極的作用。

2.2 初級鈣-胎球蛋白顆粒 當含有礦物負載的胎球蛋白A單體形成后，隨著時間的發(fā)展，胎球蛋白A單體能夠相互聚集形成一個體積較大的球形顆粒，胎球蛋白A位于球的表面，與胎球蛋白A單體結合的Posner礦物聚集簇則被包繞其中，這種臨時穩(wěn)定的鈣-胎球蛋白A顆粒，同樣能夠抑制礦化的進一步發(fā)展。此時形成的復合體顆粒稱為初級鈣-胎球蛋白顆粒。Rochette等[14]人通過小角度的X線技術發(fā)現： 初級鈣-胎球蛋白顆粒的直徑＜100 nm，內部的礦物質為非晶態(tài)的礦化前體，是由早期與胎球蛋白A單體結合的Posner礦物聚集簇發(fā)展而來。Wu等[15]發(fā)現胎球蛋白A本身對礦化本身無直接抑制作用，它抑制礦化的作用機理是抑制成核后礦化前體的聚集和長大，進而避免出現了大的礦物質團塊，最終間接地阻止了礦物質沉積。

2.3 次級鈣-胎球蛋白顆粒 初級鈣蛋白顆粒是一個不穩(wěn)定的過渡結構，經過一段時間的延遲，其內部的非晶態(tài)礦物質逐漸轉變?yōu)榫B(tài)礦物質，體積增大為原來的2倍，顆粒形態(tài)也從球形被逐漸拉長，包繞在顆粒周圍的胎球蛋白A聚集的更加緊密，逐漸過渡到一個穩(wěn)定階段，此時該顆粒稱為次級鈣-胎球蛋白顆粒，或者成熟的鈣-胎球蛋白顆粒[16]。轉變?yōu)榇渭夆}-胎球蛋白顆粒后，顆粒不會繼續(xù)增大，在生物體溫下維持穩(wěn)定30 h[17]，這為生理性礦化時礦化位置、礦化時機、以及多余礦化顆粒的清除提供了充足的時間。Wald等[17]通過電鏡觀察發(fā)現，形成的次級鈣-胎球蛋白顆粒中，除含有大量胎球蛋白A之外，還含有很多血漿白蛋白和其他酸性蛋白，說明存在一些功能類似礦化抑制蛋白的共同作用，保證礦化的有序進行； 除胎球蛋白A外，其他抑制性蛋白均為輔助性蛋白。很多學者研究次級鈣-胎球蛋白顆粒形成和轉變的條件，發(fā)現多種因素如： 胎球蛋白A的濃度、礦物離子的濃度、溫度等都能對這一過程產生影響。Jahnen-Dechent等[18]發(fā)現提高胎球蛋白A的濃度，則會形成小的鈣蛋白顆粒，同時顆粒穩(wěn)定的時間延長，礦化被抑制的更明顯； 提高溫度、礦物離子濃度，降低胎球蛋白的濃度，可以加速鈣蛋白顆粒的形成和轉變過程，顆粒穩(wěn)定的時間則縮短。

3 鈣-胎球蛋白顆粒的清除

Herrmann等[19]最近發(fā)現鈣-胎球蛋白A顆粒是由巨噬細胞系統(tǒng)清除的，在小鼠肝臟和脾臟邊緣位置的Kupffer細胞能吞噬鈣-胎球蛋白A顆粒，而且清道夫受體SR-AI/II缺陷的小鼠對鈣-蛋白顆粒的清除能力比野生型小鼠的清除能力要弱50%； 他們認為SR-AI/II受體可以介導巨噬細胞清除鈣-胎球蛋白顆粒，通過激活網狀內皮系統(tǒng)可以加快這些顆粒的吸收，進而可以減少異位礦化或病理鈣化的可能。Nagayam等[20]也發(fā)現了巨噬細胞類似的作用。目前已經證實，胎球蛋白A可以認為是一種血漿調理素蛋白，能夠影響樹突狀細胞的吞噬作用，影響巨噬細胞的病理性凋亡，調理膦脂顆粒的活性。實驗培養(yǎng)的人血管平滑肌細胞可以清除胎球蛋白A[21]，而且在次級鈣-胎球蛋白A顆粒中，由于顆粒表面胎球蛋白A大量聚集，能夠使清道夫細胞與胎球蛋白A間的連接更為集中和緊密，因而實驗中發(fā)現顆粒狀的鈣-胎球蛋白A顆粒較單體清除快。

4 展望

認識礦化早期體內存在的抑制機制，能夠進一步加深我們對生物礦化的認識，同時也為探索體內礦物過度沉積、骨質增生、移位骨化等疾病和骨替代材料在體內生物學改變提供新的思路[22-23]，通過加強胎球蛋白A這一類抑制性蛋白的活性或者適度激活內皮網狀系統(tǒng)的活性，或許能夠在一定程度上抑制或減緩疾病的進程，但這仍有待進一步的研究。

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