SHP-2及其調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成作用的研究進(jìn)展

林 鵬，姜 歡綜述，胡 敏審校

0 引 言

酪氨酸的可逆磷酸化是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要環(huán)節(jié)，該過程由蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyro-sine phosphatases，PTPs)和蛋白酪氨酸激酶共同調(diào)節(jié)。SHP-2是PTPs家族中的一員，作為細(xì)胞因子、生長因子及其他胞外刺激因素的下游信號分子，在細(xì)胞的生長分化以及腫瘤細(xì)胞的增殖、黏附、轉(zhuǎn)移過程中起著至關(guān)重要的作用［1］。以往研究主要集中在SHP-2作為具有酪氨酸磷酸酶活性的原癌基因［2］，其突變導(dǎo)致混合性軟骨瘤病、Noonan綜合征(Noonan syndrome，NS)、LEOPARD 綜合征(LEOPARD syndrome，LS)及多種實(shí)體腫瘤的發(fā)生［3-5］。最近學(xué)者發(fā)現(xiàn)SHP-2參與了破骨細(xì)胞(osteoclasts，OC)的分化過程，是OC形成中的關(guān)鍵因子，可能在體內(nèi)骨代謝中發(fā)揮著重要作用［6］。這一發(fā)現(xiàn)為研究骨吸收過程中OC形成的生物學(xué)機(jī)制提供了新思路。本文回顧了SHP-2的相關(guān)研究，并對其在OC形成中的作用做一綜述。

1 SHP-2的結(jié)構(gòu)與功能

SHP-2是 PTPs胞內(nèi)非受體型(non-receptor PTPs，NRPTPs)的一員，由 PTPN11基因編碼。其NH2-末端前后含有2個SH2結(jié)構(gòu)域［N-SH2、C-SH2(112-216)］，COOH-末端含有1個具有催化活性的PTP結(jié)構(gòu)域(221-524)及富含脯氨酸基團(tuán)和酪氨酸磷酸化位點(diǎn)的尾部結(jié)構(gòu)［7］。N-SH2結(jié)構(gòu)域含有高度保守的氨基酸殘基，具有獨(dú)立的磷酸酪氨酸結(jié)合位點(diǎn)。未激活狀態(tài)下，N-SH2結(jié)構(gòu)域能夠結(jié)合到SHP-2的PTP結(jié)構(gòu)域上的相應(yīng)磷酸酪氨酸結(jié)合位點(diǎn)，使SHP-2喪失磷酸酶活性。當(dāng)受到特定細(xì)胞因子刺激時，PTP結(jié)構(gòu)域的催化活性位點(diǎn)暴露，并通過N-SH2和C-SH2結(jié)合于受體酪氨酸激酶、細(xì)胞因子受體或錨定蛋白上相應(yīng)的磷酸酪氨酸位點(diǎn)，從而激活SHP-2的酪氨酸磷酸酶活性［8］。SHP-2作為下游信號分子參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、遷移、死亡等，導(dǎo)致包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生［8］。

2 SHP-2的生物學(xué)作用

2.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞活性及分化 SHP-2調(diào)節(jié)體內(nèi)多種細(xì)胞的活性，從而影響細(xì)胞的分化。胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell，ES)可被誘導(dǎo)分化成各種血細(xì)胞系，包括造血干細(xì)胞、心肌細(xì)胞、噬神經(jīng)細(xì)胞。Chan等［9］對ES細(xì)胞分化的早期階段的研究中發(fā)現(xiàn)，SHP-2突變體可嚴(yán)重降低紅細(xì)胞譜系分化，且髓樣譜系發(fā)生被完全阻止，同時SHP-2突變體也可阻礙淋巴細(xì)胞祖系的分化。Hoffnann等［10］發(fā)現(xiàn) SHP-2突變體明顯降低ES細(xì)胞的分化潛能以及來源于突變ES細(xì)胞的心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的分化。

2.2 調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附和移動 SHP-2對細(xì)胞黏附能力的作用是通過對成纖維細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)的，SHP-2對成纖維細(xì)胞黏附及移動起正向調(diào)節(jié)作用，成纖維細(xì)胞中的SHP-2突變可導(dǎo)致細(xì)胞的移動及擴(kuò)展性降低。Hartman等［11］發(fā)現(xiàn) SHP-2與局部粘著斑激酶(focal adhesion kinase，F(xiàn)AK)一起控制局部黏附性動力學(xué)效應(yīng)，SHP-2突變致使FAK磷酸化循環(huán)中斷，同時抑制了FAK的去磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞黏附性增高與移動性降低。同時，SHP-2可通過降低E-鈣粘蛋白的表達(dá)，降低細(xì)胞間及細(xì)胞與基質(zhì)間的黏附性;通過增強(qiáng)基質(zhì)金屬蛋白酶-1(matrix metalloproteinase，MMP-1)和MMP-9的分泌，降解細(xì)胞外多種膠原及基質(zhì)，為細(xì)胞移動提供有利條件［12］。

3 SHP-2的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

SHP-2是多種生長因子和細(xì)胞因子的下游信號分子，調(diào)控的生長因子包括血小板源性生長因子、表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)、成纖維細(xì)胞生長因子、胰島素樣生長因子-1等;細(xì)胞因子包括巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colonystimulating factor，M-CSF)、白細(xì)胞介素-3(interleukin-3，IL-3)、促紅細(xì)胞生成素等。SHP-2可以直接與上述因子的受體相互作用，也可以與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中間媒介體(SHPS-1、JAK2、PI3K)的 P85亞單位、Gab1、Gab2 等相結(jié)合，調(diào)節(jié) Ras/MAPK、JAK/STAT3、YAP/TAZ、等［13-17］多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

Ras/MAPK通路是SHP-2發(fā)揮作用最重要的一條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路［13］，該通路的激活機(jī)制主要有3種。EGF等生長因子與受體酪氨酸激酶結(jié)合后，受體磷酸化激活Ras和GAP;而GAP通過內(nèi)在GTP酶活性抑制Ras激活;SHP-2則可結(jié)合GAP而抑制其活性，從而激活 Ras/MARK通路［17］。SHP-2通過活化Src家族激酶(SFKs)從而持續(xù)激活Ras/MAPK通路［18］。Grb-Sos蛋白是激活Ras/MAPK通路重要的蛋白結(jié)合體，SPROUTY蛋白能夠結(jié)合Grb-Sos蛋白而抑制其活性從而抑制Ras/MAPK通路;SHP-2通過結(jié)合SPROUTY蛋白，使其去磷酸化失活，從而解除其對Ras/MAPK通路的抑制［19］。

4 SHP-2與相關(guān)疾病

大量研究結(jié)果表明，SHP-2參與了幾乎所有細(xì)胞因子受體通過Ras/MAPK通路向下游傳遞信號的過程，在通路傳遞過程中，SH2結(jié)構(gòu)域及PTP結(jié)構(gòu)域同時具有活性是必需的［1］，SHP-2活性調(diào)節(jié)機(jī)制的紊亂將導(dǎo)致包括腫瘤在內(nèi)等多種疾病的發(fā)生，如混合性軟骨瘤病、NS、LS、腫瘤性相關(guān)疾病等［20］。

4.1 混合性軟骨瘤病 Bowen等［20］學(xué)者發(fā)現(xiàn)PTPN11(編碼SHP-2)的突變可導(dǎo)致混合性軟骨瘤病，該疾病為一種罕見的遺傳疾病，表現(xiàn)為多發(fā)性外生骨疣、關(guān)節(jié)破壞和骨軟骨瘤。PTPN11的失活是混合性軟骨瘤病的病因。隨后，Yang等［5］學(xué)者證實(shí)破骨細(xì)胞中PTPN11基因的刪除可導(dǎo)致混合性軟骨瘤病，該疾病起源于Ranvier的軟骨膜槽中一個新發(fā)現(xiàn)的間質(zhì)祖細(xì)胞類群。PTPN11的失去通過激發(fā)hedgehog信號來發(fā)揮作用，hedgehog通道抑制因子可改善混合性軟骨瘤病的癥狀，因此PTPN11在軟骨組織中可抑制腫瘤的形成。

4.2 NS NS是一種以特殊面容、身材矮小、智力發(fā)育障礙并伴有骨骼發(fā)育異常、先天性心臟病為特征的多發(fā)性先天畸形。其中，50%的NS患者存在PTPN11突變，大多數(shù)突變導(dǎo)致SHP-2的NSH2或PTP結(jié)構(gòu)域發(fā)生變化，自身抑制解除，持續(xù)激活Ras/MAPK 通路［21］;其次是，PTPN11 某些部位突變，如 T42A，E139D和 R138Q，只導(dǎo)致 SHP-2的 C末端磷酸化位點(diǎn)功能改變［22］，亦可導(dǎo)致NS的發(fā)生。腫瘤類型不同，SHP-2的突變位點(diǎn)通常不同，并且此時并不伴隨其他激活Ras/MAPK途徑的基因的突變，說明此時導(dǎo)致細(xì)胞異常增殖的Ras/MAPK途徑的異常激活主要是由SHP-2的突變引起，持續(xù)激活Ras/MARK通路是NS發(fā)病的重要原因。

4.3 LS LS又稱豹皮綜合征，該病的典型特征為多發(fā)性黑痣，同時伴有骨骼異常、先天性心血管畸形、眼異常、生殖系異常、神經(jīng)性耳聾和中樞神經(jīng)系異常等。LS幾乎均伴有PTPN11基因突變，導(dǎo)致SHP-2的PTP結(jié)構(gòu)域改變。與NS不同的是，這種突變通常直接影響PTP結(jié)構(gòu)域催化基團(tuán)的活性，抑制細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶活性，負(fù)性調(diào)控Ras/MARK通路［23］。

4.4 腫瘤相關(guān)疾病 SHP-2作為一種原癌基因，不僅在Ras/MAPK、JAK/STAT、YAP/TAZ等多條促癌信號通路中起到重要作用［13-15］，還在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移過程中起中介和放大信號的作用［24］。其通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和存活，可導(dǎo)致如血液系統(tǒng)惡性腫瘤、幽門螺桿菌感染相關(guān)性胃癌、乳腺癌、肺癌等腫瘤性疾病的發(fā)生。

5 SHP-2對OC的調(diào)節(jié)

5.1 OC的形成和分化 OC是來自單核-巨噬造血細(xì)胞系終末分化的多核巨細(xì)胞，骨髓中的破骨前體細(xì)胞受到微環(huán)境中細(xì)胞因子的誘導(dǎo)，迅速融合并分化為成熟的OC［25-26］。細(xì)胞核因子κB受體活化因子配基(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)是OC形成和分化過程中的兩個必需的因子，與細(xì)胞表面受體相結(jié)合，提供破骨細(xì)胞存活、增殖信號并激活相應(yīng)信號通路，使成熟的OC執(zhí)行骨吸收功能［25］。OC分化及功能異常會導(dǎo)致多種骨代謝疾病，如骨質(zhì)疏松癥、骨硬化癥、Paget's病等［27-28］。研究顯示，OC會導(dǎo)致小鼠骨硬化癥，而體內(nèi)注射M-CSF則可使之治愈，M-CSF可有效誘導(dǎo)OC的分化和生成，而不需其它因子參與［29］。MCSF可以刺激骨髓干細(xì)胞向單核-巨噬細(xì)胞系分化，促進(jìn)OC前體細(xì)胞分化為成熟的OC，提供OC存活、增殖信號并激活相應(yīng)信號通路，使成熟的OC執(zhí)行骨吸收功能。此外，M-CSF還可以抑制成熟OC的凋亡，是OC存活所必需的因子之一［30］。

5.2 SHP-2調(diào)節(jié)OC的形成 PTPs參與調(diào)節(jié)OC的酪氨酸磷酸化過程，對于OC的增殖和功能至關(guān)重要［31］。SHP-2作為PTPs的一員，參與了OC的分化過程，是破骨細(xì)胞形成中的關(guān)鍵因子，在體內(nèi)骨代謝中發(fā)揮著重要作用［6］。

敲除SHP-2基因后的小鼠于妊娠期間死亡，因此需要使用條件缺失模型來研究SHP-2在體內(nèi)的作用。Bauler等［6］學(xué)者發(fā)現(xiàn)，SHP-2基因缺失的成年小鼠產(chǎn)生了嚴(yán)重的骨骼畸形，發(fā)生影響全部骨骼系統(tǒng)的骨硬化癥，軟骨結(jié)構(gòu)顯著改變，骨小梁顯著增加，OC幾乎完全缺失。Bauler等［6］實(shí)驗(yàn)證實(shí)，來自骨髓前體細(xì)胞、由M-CSF和RANKL引起的OC分化嚴(yán)重受損。SHP-2缺失小鼠發(fā)生骨硬化癥的一個主要原因是破骨前體細(xì)胞分化障礙導(dǎo)致OC無法形成，另一個可能原因在于成骨細(xì)胞活動的增強(qiáng)。

小鼠體內(nèi)缺失SHP-2后，M-CSF促進(jìn)破骨前體細(xì)胞分化的途徑無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致OC分化和形成障礙;但破骨前體細(xì)胞內(nèi)的RANKL信號是否受損尚待進(jìn)一步研究。對SHP-2基因缺失小鼠骨髓細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，其分化為OC的能力明顯降低，蛋白激酶B(Akt)在受到M-CSF的刺激后未被正常激活。而M-CSF引起的Akt激活為巨噬細(xì)胞分化為OC提供必要的信號支持［32-33］。在M-CSF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，SHP-2可直接或間接調(diào)控Ras蛋白而促進(jìn)Akt的激活，從而促進(jìn)OC的形成。這些發(fā)現(xiàn)表明SHP-2是OC形成的關(guān)鍵因子，在成人骨骼生長和重塑中是至關(guān)重要的。

Lapinski等［34］學(xué)者近期發(fā)現(xiàn)將間充質(zhì)干細(xì)胞系中的SHP-2特異性敲除后，小鼠表現(xiàn)為出生后的生長遲滯，包括軀干及胸廓畸形，顱骨發(fā)育障礙，具體表現(xiàn)為成熟成骨細(xì)胞的缺失以及大量軟骨發(fā)育不良，絲裂原活化蛋白激酶和Akt的激活障礙導(dǎo)致了上述骨骼畸形的發(fā)生。該發(fā)現(xiàn)與Bauler等［6］人的發(fā)現(xiàn)有所不同，其原因可能在于:在成年的SHP-2缺失大鼠體內(nèi)，OC缺失對骨骼發(fā)育的影響顯著大于成骨細(xì)胞分化障礙對其的影響。Kim等［35］學(xué)者同樣發(fā)現(xiàn)SHP-2缺陷小鼠發(fā)生了嚴(yán)重的脊柱側(cè)突畸形，證實(shí)SHP-2在軟骨細(xì)胞分化及脊柱正常發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。Kaneshiro等［36］觀察到IL-6負(fù)向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化是通過SHP2/MEK2以及SHP2/Akt2信號通路進(jìn)行的，提示SHP-2不僅調(diào)節(jié)OC的分化，而且在成骨細(xì)胞分化中起到一定的作用。

6 展 望

目前研究顯示，SHP-2在細(xì)胞的生長分化以及腫瘤細(xì)胞的增殖、黏附中起著至關(guān)重要的作用。SHP-2是OC分化和形成中的重要因子，而OC的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜，蛋白酪氨酸的磷酸化過程涉及多個信號的傳導(dǎo)通路，其相關(guān)分子機(jī)制所知甚少;同時SHP-2對成骨細(xì)胞的分化也起到一定作用，但其作用尚未探明?？梢灶A(yù)見，SHP-2調(diào)控骨代謝的機(jī)制研究將是今后的研究熱點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步探索SHP-2調(diào)節(jié)細(xì)胞生長分化的作用，以期更好地指導(dǎo)臨床實(shí)踐。

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