骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子信號通路與骨質(zhì)疏松的研究進展①

李盛村，鮑捷，王靜，王國祥

骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子信號通路與骨質(zhì)疏松的研究進展①

李盛村，鮑捷，王靜，王國祥

運動對骨質(zhì)疏松癥有積極作用，但其治療的分子生物學機制仍未清楚。骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子(OPG/RANKL/RANK)信號通路的發(fā)現(xiàn)，有助于骨質(zhì)疏松癥的治療。機械應力可以調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號通路，參與預防和治療骨質(zhì)疏松進程。本文就應力敏感信號通路OPG/RANKL/RANK與骨質(zhì)疏松的關(guān)系進行綜述。

骨質(zhì)疏松癥；應力；骨保護素；核因子-κB受體活化因子配體；核因子-κB受體活化因子；信號通路；綜述

[本文著錄格式]李盛村，鮑捷，王靜，等.骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子信號通路與骨質(zhì)疏松的研究進展[J].中國康復理論與實踐,2014,20(3):250-252.

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis)是一種骨代謝障礙疾病，它以骨量減少、骨脆性增加和骨折風險增加為主要特征。骨質(zhì)疏松癥好發(fā)于絕經(jīng)后婦女和老年人群[1]。正常骨組織中新骨與舊骨更替而保持動態(tài)平衡[2]。骨吸收異常增加或骨形成異常減少，均是骨質(zhì)疏松發(fā)生的生理學基礎。

適宜運動是骨質(zhì)疏松癥的有效療法，然而有關(guān)其治療的分子生物學機制尚未清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子(OPG/ RANKL/RANK)信號通路與骨質(zhì)疏松的發(fā)生和治療有密切聯(lián)系[3]，而運動應力可以調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號通路。因此，綜合分析應力刺激和OPG/RANKL/RANK信號通路的關(guān)系以及兩者對骨質(zhì)疏松的影響，可以為骨質(zhì)疏松的治療提供新的線索[4]。

1 OPG/RANKL/RANK信號通路

骨保護素(osteoprotegerin,OPG)是Simonet在給新生大鼠腸cDNA測序時發(fā)現(xiàn)的，包含5個外顯子，其N端D1～D4區(qū)富含半胱氨酸，結(jié)構(gòu)與腫瘤壞死因子受體2(tumor necrosis factor receptor 2,TNFR2)和CD40有高度的保守性，為發(fā)揮生理功能所必需[5]。OPG可抑制破骨細胞活性，也被稱為骨保護蛋白或護骨素[6]。OPG前體是包含401個氨基酸的糖蛋白，去除21個信號肽后，形成含380個氨基酸的成熟OPG蛋白[7]。OPG基因敲除小鼠出現(xiàn)嚴重的骨質(zhì)疏松癥，骨皮質(zhì)和骨小梁均減少；而過度表達OPG的轉(zhuǎn)基因小鼠則出現(xiàn)嚴重的骨硬化癥[8]?？梢奜PG在骨代謝中起重要作用。

人核因子-κB(NF-κB)受體活化因子(receptor activator of NF-κB,RANK)是Ⅰ型跨膜糖蛋白，其cDNA由616個密碼子編碼而成，屬于TNF超家族成員[9]。RANK編碼基因組成包含29個氨基酸信號肽、細胞外編碼區(qū)183個氨基酸、跨膜區(qū)21個氨基酸和細胞質(zhì)區(qū)383個氨基酸[10]。RANK蛋白和其他TNF超家族成員一樣，以三聚體形式實現(xiàn)對細胞外信號進行接收和轉(zhuǎn)導[11]。

人NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)是由317個氨基酸構(gòu)成的Ⅱ型跨膜蛋白，在基質(zhì)/成骨細胞、軟骨細胞和淋巴細胞中廣泛表達[12]。骨中的RANKL可結(jié)合破骨細胞表面受體RANK，激活破骨細胞?；罨钠乒羌毎置诖罅縃+、Cl-等離子進入骨陷窩，從而溶解骨質(zhì)[13]。

在骨組織中，多種因素均可以通過調(diào)節(jié)OPG/RANKL之間的比例而影響骨的生理和病理[14]。成骨/基質(zhì)細胞分泌RANKL與破骨細胞表面的RNAK結(jié)合，導致骨吸收增強[15]；成骨細胞分泌OPG可以結(jié)合RANKL，阻礙RANKL與RANK結(jié)合，從而抑制破骨細胞活性[16]。如果RANKL過度表達或OPG異常降低，骨吸收大于骨形成，最終發(fā)生以骨量和骨密度減少為特征的骨質(zhì)疏松癥[7,17]。

2 骨質(zhì)疏松與OPG/RANKL/RANK信號通路

2.1 OPG/RANKL/RANK信號通路與骨質(zhì)疏松發(fā)生

研究發(fā)現(xiàn)，可溶性RANKL過量表達的大鼠，骨骼組織中出現(xiàn)類似絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥狀，包括骨吸收增加、骨密度減少和骨骼脆性增加[18]。Bashir等發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松模型大鼠骨組織中RANKL表達升高，而采用雌激素和雷洛昔芬(raloxifene)治療12個月后，骨密度增加，同時RANKL降低[19]。由此可知，RANKL的異常增加和骨質(zhì)疏松發(fā)生密切相關(guān)，而雌激素或適宜應力刺激均可以降低骨組織中RANKL水平，起到延緩骨質(zhì)疏松進程的作用。

有研究發(fā)現(xiàn)，OPG基因敲除大鼠產(chǎn)生骨質(zhì)疏松癥狀[20]，這與缺乏OPG而不能阻止RANKL和RANK的結(jié)合有關(guān)。程少丹等通過非頻密繁殖法獲得OPG-/-小鼠，發(fā)現(xiàn)與同齡野生型小鼠比較，OPG基因缺失小鼠骨密度、股骨承受最大載荷、股骨剛度、腰椎椎體骨小梁數(shù)目和腰椎椎體骨小梁厚度均顯著下降[21]，證實與大鼠一樣，OPG基因缺失的小鼠也產(chǎn)生骨質(zhì)疏松初期癥狀。Bergstrm等將112名絕經(jīng)后婦女隨機分為對照組和運動組，分別在實驗初期和1年運動訓練結(jié)束后檢測血清OPG、RANKL水平，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，運動組OPG明顯增加，但RANKL水平變化不顯著[22]。

2.2 OPG/RANKL/RANK信號通路與骨質(zhì)疏松治療

OPG/RANKL/RANK信號通路的發(fā)現(xiàn)為闡明骨質(zhì)疏松癥的分子機制奠定了基礎，也可能為骨質(zhì)疏松的靶向治療提供理論依據(jù)[23]。OPG被認為是RANKL的天然拮抗劑，在一期臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，OPG可以降低尿中80%的骨吸收標志物urinary NTx[24]。West等發(fā)現(xiàn)，OPG感應運動應力刺激而抑制骨吸收；然而隨著時間的延長，特異性OPG抗體也增加，從而削弱其長期治療效果[25]。董潔瓊發(fā)現(xiàn)，大鼠切除卵巢后，成骨細胞和骨髓基質(zhì)細胞OPG蛋白和mRNA表達降低；運動3個月后，成骨細胞和骨髓基質(zhì)細胞OPG蛋白和mRNA表達升高[26]。

RANKL在骨質(zhì)疏松患者骨組織中異常升高，研究特異性RANKL抑制劑對骨質(zhì)疏松治療有重要意義。目前，正在開發(fā)的Denosumab(AMG162)單克隆抗體[27]，可通過結(jié)合RANKL，抑制破骨細胞活性[28]。Lewiecki等對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女每6個月皮下注射Denosumab 60 mg，可以增加她們的骨密度，減少骨吸收標志物[29]。

3 應力調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號通路

以往認為，通過運動改善絕經(jīng)后婦女雌激素的分泌，可改善骨質(zhì)疏松患者骨密度[30-32]。值得注意的是，不同的運動方式改變骨密度有明顯的部位特異性，即受力越集中的骨骼，骨密度越高[33-34]。房冬梅等對105名不同專項女子運動員7個部位的骨密度進行檢測，發(fā)現(xiàn)舉重運動員整體承受應力最大，各部位骨密度絕對值都高于其他運動員組；自行車運動員前臂骨密度較高，腰椎骨密度較低[35]。此外，網(wǎng)球運動員持拍手的骨密度高于非持拍手，劃船運動員脊椎骨密度高于舞蹈和徑賽運動員[36]。這種應力引起的骨密度改變不僅僅是激素的全身性效應，也存在力對局部骨組織的直接效應。

大量研究表明，OPG/RANKL/RANK信號通路是力學敏感通路[37]。Kaneuji等發(fā)現(xiàn)，對大鼠骨祖細胞施加持續(xù)3D機械應力，骨祖細胞OPG基因表達增加[38]。Hou等應用不同振幅機械力(40 Hz,30 min/d)刺激成骨細胞3 d以上，發(fā)現(xiàn)成骨細胞表達OPG蛋白增加，RANKL蛋白表達減少；在mRNA轉(zhuǎn)錄水平，OPG mRNA表達增強比RANKL表達降低幅度更加明顯[39]。Li等探索不同方式的流體剪切力對骨細胞的影響，發(fā)現(xiàn)OPG mRNA表達隨頻率加快和持續(xù)時間延長及應力刺激強度加大而下降[40]。Yamamoto等采用自制的靜水壓力裝置模擬牙齒咬合力，對下頜骨來源的成骨細胞施加壓力，發(fā)現(xiàn)RANKL/OPG比例上升，其中RANKL mRNA和蛋白都上調(diào)[41]。Sanchez等采用3D加力方式研究高強度外力(1 MPa和1.6 MPa)對成骨細胞基因表達的影響，發(fā)現(xiàn)成骨細胞受大強度應力刺激后，OPG mRNA表達下降，而RANKL mRNA表達沒有發(fā)生明顯變化，RANKL/OPG比例上升[42]。

雖然上述研究結(jié)果之間還存在一定分歧，特別是應力刺激對RANKL的影響還不一致，但大部分研究表明，適宜的中等強度應力刺激引起RANKL/OPG比值下降，有利于骨骼發(fā)展；而大強度應力刺激引起RANKL/OPG比值升高，不利骨骼發(fā)展。此外，有研究認為雌激素對骨骼發(fā)揮的作用，可能也與OPG/RANKL/RANK信號通路有關(guān)[43-44]。通過適宜應力刺激調(diào)節(jié)或直接靶向干預OPG、RANKL有望成為治療骨質(zhì)疏松的新方法。深入研究骨質(zhì)疏松和OPG/RANKL/RANK的關(guān)系，對預防和治療骨質(zhì)疏松癥有重要意義。

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Stress Sensitive Signal Pathway Osteoprotegerin/ReceptorActivator of Nuclear Factor-κB ligand/ReceptorActivator of Nuclear Factor-κB and Osteoporosis(review)

LI Sheng-cun,BAO Jie,WANG Jing,et al.School of Physical Education of Soochow University,Suzhou 215021,Jiangsu,China

Exercise is benefic for osteoporosis,without clear molecular biology mechanism.The osteoprotegerin/receptor activator of nuclear factor-κB ligand/receptor activator of nuclear factor-κB(OPG/RANKL/RANK)signal pathway contributes to osteoporosis,which can be mediated by mechanical force.Research progress on osteoporosis and the stress sensitive signal pathway OPG/RANKL/RANK were reviewed in this paper.

osteoporosis;stress;osteoprotegerin;receptor activator of nuclear factor-κB ligand;receptor activator of nuclear factor-κB; signal pathway;review

R681

A

1006-9771(2014)03-0250-03

2013-09-02

2013-11-01)

江蘇省2012年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(No.CXZZ12_0787)。

蘇州大學體育學院，江蘇蘇州市215021。作者簡介：李盛村(1985-)，男，漢族，浙江溫州市人，博士研究生，主要研究方向：運動醫(yī)學。通訊作者：王國祥，男，教授，博士生導師。

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.03.013