骨質(zhì)疏松與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化調(diào)控的研究進(jìn)展

龔顏，王鍵綜述，魏勁松審校

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科，廣東湛江524000）

·綜述·

骨質(zhì)疏松與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化調(diào)控的研究進(jìn)展

龔顏，王鍵綜述，魏勁松審校

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科，廣東湛江524000）

骨質(zhì)疏松是臨床上常見的老年性疾病，其發(fā)病機(jī)制尚未完全明確。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在骨髓中可分化為成骨細(xì)胞和成脂細(xì)胞，其分化平衡紊亂目前被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制之一。了解轉(zhuǎn)錄水平基因調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化方向的機(jī)理，為骨質(zhì)疏松的藥物和干細(xì)胞治療提供新思路。

骨質(zhì)疏松；骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞；轉(zhuǎn)錄因子

骨質(zhì)疏松癥(Osteoporosis，OP)是以骨量減少、骨的微觀結(jié)構(gòu)退化為特征的，致使骨脆性增加而易發(fā)生骨折的一種全身性骨骼疾病。臨床磁共振波譜分析發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松患者與骨髓脂肪組織增多有關(guān)[1]。骨髓腔中成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞都起源于同一多潛能分化的干細(xì)胞—骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Bone marrow-derived mesenchymal stem cells，MSCs)。骨髓脂肪有害增多導(dǎo)致骨丟失的原因被認(rèn)為是成骨和成脂細(xì)胞的祖細(xì)胞MSCs分化平衡紊亂[2]。多種分子及信號(hào)通路在MSCs定向分化過程中起調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)錄水平上MSCs成骨細(xì)胞或是成脂細(xì)胞定向分化的基因調(diào)控機(jī)制是國內(nèi)外研究的熱門領(lǐng)域。

1 成骨分化的轉(zhuǎn)錄水平基因調(diào)控

1.1 成骨分化與轉(zhuǎn)錄因子RUNX2 RUNX2 (Runt-related transcription factor-2)也被稱作CBFα1 (Core-binding factorα1)，是轉(zhuǎn)錄因子(RUNT)家族成員之一，其含有一個(gè)RUNT結(jié)構(gòu)域(DNA結(jié)合區(qū))、一個(gè)富含脯氨酸－絲氨酸－蘇氨酸C末端(轉(zhuǎn)錄激活區(qū))，它還含有兩個(gè)區(qū)別于其他RUNT相關(guān)蛋白的氨基末端。RUNX2及其下游基因是干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化及成熟過程中所必需的[3]，它通過特異性結(jié)合含有核心序列(PuCCPuCA)的增強(qiáng)子結(jié)合區(qū)從而直接激活成骨細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)，如骨鈣素、Ⅰ型膠原、骨橋蛋白和Ⅲ型膠原酶基因[4]。如果找到一條能選擇性地促使MSCs向成骨細(xì)胞系分化的途徑，那么在骨重建中就能更好地利用MSCs的多向分化能力。RUNX2基因轉(zhuǎn)染小鼠MSCs后，RUNX2蛋白在轉(zhuǎn)錄后1 d開始增多，成骨標(biāo)志物(ALP、鈣結(jié)節(jié))mRAN表達(dá)與RUNX2平行增多。轉(zhuǎn)染RUNX2的MSCs可以明顯提高治療顱蓋骨缺損的效果，還能增加骨量及骨礦物質(zhì)密度。該研究表明轉(zhuǎn)染RNUX2基因可能是增強(qiáng)MSCs成骨分化的潛力和成骨相關(guān)基因表達(dá)的一種有效途徑[5]。各種信號(hào)通路參與MSCs分化方向的調(diào)節(jié)，RUNX2基因表達(dá)可以被多種信號(hào)傳導(dǎo)途徑激活，如BMP、Wnt、Notch、Hedgehog和FGFs，RUNX2就是各種信號(hào)通路集合的焦點(diǎn)[6]。

1.2 成骨分化與轉(zhuǎn)錄因子Osterix Osterix因與先前發(fā)現(xiàn)的Sp基因家族成員Sp1～Sp6同源，故又被稱作Sp7(Special protein)，其蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其羧基末端有三個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)的DNA結(jié)合域。Osterix是MSCs成骨細(xì)胞分化過程中又一個(gè)或不可缺的轉(zhuǎn)錄因子，是膜內(nèi)成骨和軟骨成骨過程的重要調(diào)節(jié)因子。Osterix基因敲除小鼠模型中，胚胎發(fā)育過程中長骨骨髓腔和骨小梁形成明顯延遲，骨骼生長也伴隨減少[7]。來源于小鼠顱蓋骨的MSCs因高表達(dá)Osterix而有更強(qiáng)的成骨分化能力，但是成脂分化減弱[8]。Kurata等[9]在培養(yǎng)Osterix基因修飾的干細(xì)胞過程中發(fā)現(xiàn)Osterix超表達(dá)刺激骨橋蛋白和ALP的表達(dá)，但是成骨分化晚期標(biāo)志物骨鈣素基因的表達(dá)未上調(diào)。說明Osterix雖在干細(xì)胞成骨分化中起促進(jìn)作用，但不能刺激干細(xì)胞分化為成熟的成骨細(xì)胞。在體外培養(yǎng)的hMSCs用麥考酚酸處理后，RUNX2和Osterix表達(dá)都下調(diào)，MSCs成骨相關(guān)基因骨橋蛋白和BMP-2表達(dá)受到抑制[10]。因此MSCs分化為成熟的成骨細(xì)胞是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要Runx2和Osterix等多因子的參與。

2 成脂分化的轉(zhuǎn)錄水平基因調(diào)控

2.1 成脂分化與轉(zhuǎn)錄因子PPARγPPARγ(Peroxisome proliferator-activated receptor γ)是細(xì)胞核受體PPAR家族成員中的一種轉(zhuǎn)錄因子，含有DNA結(jié)合區(qū)、配體結(jié)合區(qū)和輔因子復(fù)合物等結(jié)構(gòu)域，存在PPARγ1和PPARγ2兩種主要亞型，在成脂分化過程中起重要作用[11-12]。噻唑烷二酮類藥物是PPARγ激活劑，臨床上服用噻唑烷二酮類(TZDs)藥物的糖尿病患者骨量減少，發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)度增加[13]。噻唑烷二酮類藥物羅格列酮可導(dǎo)致大鼠骨量丟失，成骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨形成速率降低，還能使MSCs成骨分化受到抑制[14]。體外實(shí)驗(yàn)用PPARγ拮抗劑GW9662處理并成骨誘導(dǎo)hMSCs，其成骨早期標(biāo)志物、ALP、OPG表達(dá)增強(qiáng)；將處理后MSCs移植到小鼠顱蓋骨缺損部位可以增強(qiáng)干細(xì)胞修復(fù)骨缺損的能力[15]。近年研究發(fā)現(xiàn)不管羅格列酮PPARγ激活劑還是PPARγ超表達(dá)都可以促進(jìn)成骨分化。相反，PPARγ基因敲除減弱了成骨分化。但是，羅格列酮隨后會(huì)增強(qiáng)成骨系細(xì)胞的活性氧族蓄積和調(diào)亡。與此不同的是，羅格列酮抑制了成脂系細(xì)胞的活性氧族蓄積和調(diào)亡。因此，當(dāng)PPARγ的激活時(shí)，成骨系細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激和凋亡更敏感。這與臨床上服用TZDs的患者骨髓脂肪生成更多、骨形成減少和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加并不矛盾[16]。也有研究表明，在BMPs誘導(dǎo)下，PPARγ2超表達(dá)不僅促進(jìn)了MSCs成脂分化，也能增強(qiáng)成骨分化。然而PPARγ2敲除后MSCs表現(xiàn)為成脂和成骨能力都下降[17]。因此，PPARγ可能在MSCs成骨和成脂分化中都起重要作用。PPARγ影響干細(xì)胞分化方向時(shí)可被多種分子信號(hào)調(diào)節(jié)，如BMP[17]、hedgehog信號(hào)[18]和經(jīng)典Wnt信號(hào)通路[19]等，都可以調(diào)節(jié)干細(xì)胞中PPARγ的作用。

2.2 成脂分化與轉(zhuǎn)錄因子C/EBP(CCAAT/enhancer-binding protein alpha)C/EBP屬于含有bZIP蛋白的一類轉(zhuǎn)錄因子，其bZIP結(jié)構(gòu)域由富含堿性氨基酸鏈連接一個(gè)亮氨酸拉鏈的二聚體組成。C/EBP亞型主要有α、β和δ蛋白三種，由C/EBP相關(guān)基因編碼，具有相似的DNA結(jié)合專一性和親和力,并表達(dá)于脂肪、肝和腸組織[20]。C/EBPβ和δ在成脂分化早期表達(dá)，而C/EBPα在成脂分化晚期才大量表達(dá)，它們?cè)谥炯?xì)胞最終分化過程中起級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)作用[21]。超表達(dá)外源性C/EBPsα和β，不管是體外培養(yǎng)，還是體內(nèi)移植都能增強(qiáng)hMSCs成脂分化[22]。近年研究發(fā)現(xiàn)，STAT3 (Signal transducer and activator of transcription 3)能結(jié)合C/EBPβ啟動(dòng)子遠(yuǎn)側(cè)區(qū)，調(diào)節(jié)C/EBPβ基因表達(dá)，從而促進(jìn)早期的成脂分化[23]。吲哚美辛促進(jìn)MSCs成脂分化是因?yàn)橥瑫r(shí)增強(qiáng)了C/EBPβ和PPARγ2基因表達(dá)[24]。C/EBPβ和δ基因在成脂分化早期快速地被誘導(dǎo)表達(dá)，最后刺激PPARγ和C/EBPα基因表達(dá)[25]。因此，在MSCs成脂方向分化過程中，可能需要多種轉(zhuǎn)錄因子參與，多轉(zhuǎn)錄因子間存在級(jí)聯(lián)反應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)語

MSCs具有多向分化功能，在骨髓中調(diào)節(jié)MSCs定向分化的轉(zhuǎn)錄因子之間相互影響機(jī)制目前仍未完全明確。誘導(dǎo)成脂分化的過程中hMSCs同時(shí)表達(dá)PPARγ1和PPARγ2，而誘導(dǎo)其成骨分化過程中只檢測(cè)到PPARγ1表達(dá)。PPARγ拮抗劑和PPARγ基因敲除可以抑制hMSCs成脂分化但是不影響成骨分化轉(zhuǎn)錄因子Runx2的表達(dá)，也不能促進(jìn)其成骨分化[26]。說明單一因素不能影響MSCs分化方向，需要多轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控。PPARγ和Runx2之間可能存在相互抑制的關(guān)系。3T3-L1成脂細(xì)胞與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)體系中，成脂細(xì)胞PPARγmRNA表達(dá)增高的同時(shí)，成骨細(xì)胞的Runx2表達(dá)下降。當(dāng)用siRAN敲除PPARγ基因時(shí)，這種現(xiàn)象受到遏制[27]。體外模擬細(xì)胞外基質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，成骨分化早期MSCs因高表達(dá)RUNX2，MSCs的成骨分化能力增強(qiáng)，但是抑制了PPARγ基因的表達(dá)[28]。RUNX2基因轉(zhuǎn)染MSCs后，成骨細(xì)胞標(biāo)志基因堿性磷酸酶、骨鈣素和骨橋蛋白等表達(dá)上調(diào)，然而PPARγ2表達(dá)下降，抑制了MSCs成脂分化[29]。如果能找到一條有效途徑來調(diào)節(jié)骨髓中MSCs分化為成骨細(xì)胞，而不是有害的脂肪細(xì)胞，臨床上在治療骨質(zhì)疏松、老年患者骨折和一些溶骨性疾病時(shí)，干細(xì)胞作為藥物的靶細(xì)胞和移植細(xì)胞時(shí)將有很好的運(yùn)用前景。

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R681.1

A

1003—6350（2013）03—0427—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2013.03.0188

2012-08-30)

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2010B031600288）

魏勁松。E-mail：jlccwjs@163.com