Bcl-2家族促凋亡蛋白Bim在骨改建中的作用及調(diào)節(jié)

宋祥晨(綜述)，梁 敏(審校)

(中山大學(xué)光華口腔醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院牙周病科 廣東省口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510055)

人的一生中骨組織不斷地進(jìn)行著改建，骨改建是由骨吸收與骨形成精密控制的生理過(guò)程，其中破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞分別是骨吸收、骨形成的功能細(xì)胞[1]。細(xì)胞凋亡在胚胎肢體骨發(fā)育、骨改建中發(fā)揮重要作用，其中骨細(xì)胞即終末分化的成骨細(xì)胞凋亡增多被認(rèn)為是骨改建活躍的標(biāo)志；行使骨吸收功能后，破骨細(xì)胞迅速發(fā)生凋亡，骨吸收造成的骨陷窩由成骨細(xì)胞占據(jù)并形成新骨，隨后部分成骨細(xì)胞被骨基質(zhì)包埋轉(zhuǎn)變?yōu)楣且r細(xì)胞，其余發(fā)生凋亡。由此可見(jiàn)，成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞凋亡對(duì)骨改建起著重要作用[2]。Bcl-2 interacting mediator of cell death(Bim)是Bcl-2家族促凋亡蛋白成員，介導(dǎo)內(nèi)在凋亡通路的發(fā)生，并廣泛參與健康細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞凋亡[3-5]。該文就Bim在骨改建中的作用進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是程序性細(xì)胞死亡，是受基因調(diào)控的細(xì)胞自滅過(guò)程，在維持機(jī)體正常發(fā)育，穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境，清除腫瘤細(xì)胞、自身反應(yīng)性淋巴細(xì)胞和微生物感染細(xì)胞中具有重要意義。細(xì)胞凋亡主要由死亡受體信號(hào)通路、線粒體信號(hào)通路介導(dǎo)[6]。線粒體信號(hào)通路又稱內(nèi)在通路，由Bcl-2家族成員介導(dǎo)[7]。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能的差異，Bcl-2家族成員可分為三種亞型：①含有多個(gè)BH域的抗凋亡蛋白，包括Bcl-2、Bcl-xL等；②含有多個(gè)BH域的促凋亡蛋白，包括Bak和Bax；③唯BH3域蛋白，包括Bim、Bid、Bad、BNIP3等[8]。唯BH3域蛋白在組織發(fā)育、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定及防治腫瘤中發(fā)揮作用。在外界刺激作用下，唯BH3域蛋白表達(dá)增高或活性增強(qiáng)后激活Bak/Bax。活化的Bak/Bax形成六聚體聚集在線粒體外膜形成孔道，導(dǎo)致細(xì)胞色素C的釋放，與凋亡酶激活因子Apaf-1、ATP結(jié)合形成的多聚體募集并活化胱天蛋白酶(caspase)-9，最終激活下游執(zhí)行者caspase-3、caspase-7，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[8-9]。

2 Bim的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能

2.1Bim的發(fā)現(xiàn)及結(jié)構(gòu) Bim是唯BH3域蛋白家族中的一員。O′Connor等[10]于1998年使用32P標(biāo)簽的Bcl-2蛋白是從T細(xì)胞淋巴瘤KO52DA20建立的λ噬菌體cDNA中篩選獲得；同年Hsu等[11]，使用酵母二元雜交從卵巢cDNA中篩選出與髓細(xì)胞白血病基因1(Mcl-1)結(jié)合的Bcl-2-related ovarian death agonist(BOD)，證實(shí)是Bim的直系同源蛋白質(zhì)。

由于mRNA選擇性剪接的差異，Bim mRNA存在三種亞型：BimEL、BimL、BimS。O′Connor等[10]發(fā)現(xiàn) 3種翻譯后產(chǎn)物BimEL、BimL、BimS均可通過(guò)BH3結(jié)構(gòu)域與Bcl-2蛋白結(jié)合，其中BimS拮抗Bcl-2的抗凋亡作用最強(qiáng)。Adachi等[12]根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異，將后續(xù)發(fā)現(xiàn)的18種Bim亞型分為6組：BimEL、BimL、BimS、BimD、BimDd和BimEDd。其中小鼠BimEL含196個(gè)氨基酸，除含有BH3結(jié)構(gòu)域外，還包含2個(gè)泛素化位點(diǎn)、3個(gè)核糖體蛋白S6激酶磷酸化位點(diǎn)、1個(gè)β-transducinrepeats-containingproteins(β-TrCP)結(jié)合模板、3個(gè)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)磷酸化位點(diǎn)和1個(gè)c-Jun氨基端激酶磷酸化位點(diǎn)[13]。

2.2Bim的生物學(xué)功能 正常情況下，BimEL/L結(jié)合于微管動(dòng)力蛋白輕鏈1/動(dòng)力蛋白輕鏈亞基(LC8)，形成微管動(dòng)力蛋白復(fù)合體。在凋亡信號(hào)刺激下，c-Jun氨基端激酶活化，并磷酸化Bim位于動(dòng)力蛋白結(jié)合域的Ser56，致Bim與LC8同時(shí)從動(dòng)力蛋白復(fù)合體上釋放，并參與凋亡活動(dòng)[14]。

Bim可通過(guò)直接結(jié)合和間接替代兩種模式激活Bak/Bax。①直接結(jié)合模式：Bim直接與Bak/Bax結(jié)合致其發(fā)生構(gòu)象改變而活化；②間接替代模式：Bim與所有Bcl-2抗凋亡蛋白家族成員均具較高的親和力，故Bim可將Bak/Bax從Mcl-1/Bcl-xL中替代出來(lái)而活化[15]。除此之外，Weber等[16]發(fā)現(xiàn)BimS還可直接插入線粒體外膜，致細(xì)胞發(fā)生凋亡，而不依賴與Bcl-2/Mcl-1或Bak/Bax的結(jié)合。

2.3Bim在骨改建中的作用及調(diào)節(jié)機(jī)制 骨改建過(guò)程包括破骨細(xì)胞激活期、吸收期、逆轉(zhuǎn)期、成骨細(xì)胞成骨期，由基礎(chǔ)多細(xì)胞單位完成[17]?；A(chǔ)多細(xì)胞單位含有3種細(xì)胞成分：破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞。細(xì)胞凋亡影響成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的數(shù)量及功能，從而調(diào)節(jié)骨代謝平衡，而B(niǎo)im作為細(xì)胞凋亡的重要調(diào)節(jié)因子，在骨改建中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.3.1Bim在破骨細(xì)胞中的作用及調(diào)節(jié)機(jī)制 骨改建往往由破骨細(xì)胞行使骨吸收開(kāi)始，Bim在破骨細(xì)胞凋亡中的作用及調(diào)節(jié)研究較多。Akiyama等[18]發(fā)現(xiàn)，破骨細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)因子(巨噬細(xì)胞集落刺激因子)缺乏時(shí)迅速凋亡并伴隨Bim表達(dá)上調(diào)；而敲除bim基因的破骨細(xì)胞，體內(nèi)外存活率均升高。Houde等[19]和Sugatani等[20]通過(guò)siRNA干擾破骨細(xì)胞bim基因表達(dá)后均發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞凋亡減少及存活率增加。Bim在破骨細(xì)胞凋亡中的作用機(jī)制研究表明，巨噬細(xì)胞集落刺激因子、核因子κB受體活化因子配體缺乏時(shí)，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β可上調(diào)Smad2及p38 Bim表達(dá)而誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡[19]。Matsumoto等[21]證實(shí)，含氮二磷酸利塞膦酸鹽經(jīng)內(nèi)在凋亡通路上調(diào)Bim表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，而對(duì)敲除bim基因(bim-/-)小鼠及轉(zhuǎn)染促分裂原活化的蛋白激酶激酶1的破骨細(xì)胞無(wú)凋亡作用。以上研究提示，Bim在破骨細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。

Bim除在破骨細(xì)胞凋亡中發(fā)揮作用外，對(duì)破骨細(xì)胞骨吸收能力也有影響。Akiyama等[18]發(fā)現(xiàn)與野生型(bim+/+)相比，bim-/-的小鼠破骨細(xì)胞，其骨吸收能力降低，同時(shí)bim-/-小鼠可出現(xiàn)輕微的骨質(zhì)硬化；而bim-/-的破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)染bimL后細(xì)胞存活率降低，同時(shí)伴有骨吸收能力恢復(fù)。Bcl-2家族抗凋亡成員Bcl-xL的相關(guān)研究[23]表明，過(guò)表達(dá)Bcl-xL/SV40 T抗原基因的小鼠破骨細(xì)胞，其宿主小鼠同樣出現(xiàn)骨質(zhì)硬化現(xiàn)象；Iwasawa等[24]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Bcl-xL可通過(guò)降低細(xì)胞外基質(zhì)的分泌而減弱破骨細(xì)胞的骨吸收能力，因此推測(cè)促凋亡蛋白Bim與Bcl-2家族抗凋亡蛋白之間的平衡對(duì)骨代謝至關(guān)重要。

大量研究發(fā)現(xiàn)，在腫瘤細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞凋亡中Bim存在基因水平、蛋白合成水平及蛋白合成后水平等多層次調(diào)節(jié)，而B(niǎo)im在破骨細(xì)胞凋亡中的調(diào)節(jié)主要是蛋白合成后水平的調(diào)節(jié)[4,25-29]。Akiyama等[18]、Wakeyama等[30]和Bradley等[31]相繼證實(shí)破骨細(xì)胞凋亡中bim mRNA表達(dá)并未發(fā)生改變，但Akiyama等[18]發(fā)現(xiàn)Bim在破骨細(xì)胞中受c-Cbl介導(dǎo)的泛素化蛋白酶體降解調(diào)控。Bradley等[31]研究同樣證實(shí)轉(zhuǎn)錄因子EGR-2可通過(guò)上調(diào)c-Cbl表達(dá)降解Bim。Purev等[32]進(jìn)一步證實(shí)，敲除破骨細(xì)胞c-Cbl、Cbl-b基因可顯著上調(diào)Bim表達(dá)并誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，同時(shí)破壞細(xì)胞偽足小體及微管系統(tǒng)，推斷Cbl家族可通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞支架影響B(tài)im的泛素化降解。針對(duì)破骨細(xì)胞凋亡中Bim的調(diào)節(jié)機(jī)制，Sugatani等[20]、Wakeyama等[30]先后發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞中存在mTOR-Bim、Caspase-Bim負(fù)反饋調(diào)控。Matsumoto等[21]對(duì)利塞膦酸鹽骨保護(hù)機(jī)制的研究顯示，破骨細(xì)胞敲除bim及轉(zhuǎn)染促分裂原活化的蛋白激酶激酶1均可抑制利塞膦酸鹽的破骨細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)作用，但無(wú)法抑制利塞膦酸鹽的骨保護(hù)作用，而只有轉(zhuǎn)染蛋白激酶B(Akt)能夠促進(jìn)骨吸收；利塞膦酸鹽在bim-/-小鼠中起著與野生型小鼠相同的骨保護(hù)作用：證實(shí)ERK/Bim通路調(diào)控小鼠破骨細(xì)胞凋亡，而Akt通路可能通過(guò)細(xì)胞骨架調(diào)控破骨細(xì)胞骨吸收。

2.3.2Bim在成骨細(xì)胞中的作用及調(diào)節(jié)機(jī)制 成骨細(xì)胞形成新骨是骨改建的完成階段。成骨細(xì)胞凋亡在骨改建過(guò)程中同樣發(fā)揮作用，而B(niǎo)im是成骨細(xì)胞凋亡的重要調(diào)節(jié)因子[33]。Espina等[34]證實(shí)，生理狀態(tài)下小鼠前成骨細(xì)胞系小鼠骨髓間質(zhì)細(xì)胞中促凋亡蛋白Bim表達(dá)很低，高濃度腎上腺皮質(zhì)激素作用24～48 h后Bim的表達(dá)增高，同時(shí)伴有大量細(xì)胞凋亡，且隨著腎上腺皮質(zhì)激素作用時(shí)間及濃度的增加，Bim的表達(dá)及細(xì)胞凋亡也隨之上調(diào)；siRNA干擾bim表達(dá)可降低小鼠骨髓間質(zhì)細(xì)胞凋亡比例。血清饑餓致成骨細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究進(jìn)一步證實(shí)Bim在介導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡過(guò)程中起關(guān)鍵作用[35]。Kawamura等[36]在血清饑餓誘導(dǎo)小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1凋亡中同樣證實(shí)，Bim表達(dá)呈時(shí)間依賴性升高，而B(niǎo)ax、Bcl-2及Bcl-xL表達(dá)均未發(fā)生改變；siRNA干擾bim后活化的胱天蛋白酶3表達(dá)也隨之降低。以上研究說(shuō)明，Bim介導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡。

Bim在成骨細(xì)胞凋亡中存在多水平調(diào)節(jié)。Espina等[34]證實(shí)，血清饑餓從基因水平上調(diào)成骨細(xì)胞Bim mRNA表達(dá)。Kawamura等[36]進(jìn)一步對(duì)Bim基因水平調(diào)節(jié)的研究表明，叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子O3a結(jié)合bim啟動(dòng)子后可啟動(dòng)其轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，而Akt1可通過(guò)磷酸化叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子O3a、阻止其核轉(zhuǎn)移而抑制bim轉(zhuǎn)錄活性及成骨細(xì)胞凋亡，另一方面敲除Akt1(Akt1-/-)的成骨細(xì)胞叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子O3a磷酸化減弱、核轉(zhuǎn)移降低、成骨細(xì)胞凋亡率下降。Purev等[32]同樣發(fā)現(xiàn)ERK/蛋白激酶B抑制Bim mRNA及蛋白表達(dá)，推斷ERK/蛋白激酶B通路下調(diào)Bim基因表達(dá)。Guo等[37]敲除成骨細(xì)胞miR-17～92a可促進(jìn)地塞米松誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，而過(guò)表達(dá)miR-17～92a可加強(qiáng)雌激素對(duì)成骨細(xì)胞的抗凋亡作用，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR-17～92a可與Bim 3′-非翻譯區(qū)域結(jié)合而抑制Bim表達(dá)。Liang等[35]在成骨細(xì)胞凋亡中發(fā)現(xiàn)Bim受蛋白水平調(diào)節(jié)。蛋白合成后，蛋白酶體抑制劑MG132可顯著上調(diào)成骨細(xì)胞Bim的表達(dá)，提示Bim受蛋白酶體的降解調(diào)控[35]。

3 小 結(jié)

骨改建包括骨形成與骨吸收，兩者的平衡對(duì)骨穩(wěn)態(tài)十分重要。目前的研究已證實(shí)，除在破骨細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用外，Bim對(duì)破骨細(xì)胞的骨吸收能力也有一定的影響，但具體機(jī)制尚不清楚。Bim在破骨細(xì)胞凋亡中存在c-Cbl介導(dǎo)的泛素化蛋白酶體降解調(diào)控，但基因水平及蛋白合成水平調(diào)控目前尚未證實(shí)。與破骨細(xì)胞相比，生理狀態(tài)下成骨細(xì)胞中Bim的表達(dá)很低；而在腎上腺素、血清饑餓等刺激下，Bim表達(dá)上調(diào)并伴有細(xì)胞凋亡。Bim同樣介導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡并存在多水平、多層次調(diào)節(jié)。

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