雌激素對成骨細胞作用機制的研究進展

周立新，宋 倩（綜述），薛 鵬，李玉坤（審校）（河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院內分泌二科，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051）

·綜述·

雌激素對成骨細胞作用機制的研究進展

周立新，宋 倩（綜述），薛 鵬，李玉坤*（審校）
（河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院內分泌二科，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051）

雌激素類;成骨細胞;綜述文獻

骨質疏松癥是一種全身性的骨代謝障礙性疾病，是以骨量減少、骨微結構退化、骨脆性增加及易發(fā)生骨折為特征的全身性疾病。骨質疏松癥的發(fā)生與破骨細胞的骨吸收與成骨細胞的骨形成之間動態(tài)平衡的破壞密切相關。雌激素水平下降與骨質疏松發(fā)生發(fā)展關系密切。激素替代治療是絕經后骨質疏松的重要治療方案，以往認為雌激素的主要骨保護作用是抑制破骨細胞的骨吸收，但雌激素對成骨細胞骨形成的作用日趨明了。此外，雌激素對成骨細胞骨形成作用的詳細機制尚未明確，現就雌激素對成骨細胞的作用及機制研究進展綜述如下。

1 成骨細胞的增殖、分化、成熟與凋亡

具有多向分化潛能的間充質干細胞在體內某些調控因素的作用下可以分化為成骨細胞。成骨細胞的發(fā)育大致分為增殖期、基質成熟期、基質礦化期和細胞凋亡期4個階段。很多因素調節(jié)這幾個階段，從而最終影響骨形成。間充質干細胞在向成骨細胞分化過程中的不同階段會陸續(xù)表達各種特征性標志蛋白，如堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和Ⅰ型膠原（collagenⅠ，ColⅠ）在成骨細胞分化早期表達高，發(fā)生礦化后有所降低；骨橋蛋白（osteopontin，OPN）是最早合成的基質蛋白，隨后是骨涎蛋白（bone sialoprotein，BSP），最后骨鈣素（bone gla protein，BGP）和細胞外基質鈣化同時出現。正因為上述這些基質蛋白的協(xié)同作用，才保證了細胞外基質的正常成熟。最終一部分成骨細胞被埋于其自身分泌的骨基質中轉變?yōu)楣羌毎?，一部分轉變?yōu)殪o止的骨襯細胞，其余的則凋亡。

2 雌激素促進成骨細胞的分化、增殖、成熟

1988年Komm等[1]證明了成骨細胞中有雌激素受體（estrogen receptors，ERs）存在，揭示了成骨細胞是雌激素發(fā)揮作用的靶細胞。Zhao等[2]制作了骨髓間充質干細胞體外分化模型，發(fā)現在成骨細胞分化培養(yǎng)基中加入10-7mol/L 17-β雌二醇后，各個時點細胞形態(tài)呈骨細胞改變（可見骨小梁與細胞結節(jié)），ALP活性及鈣鹽沉積面積較未加入雌激素的成骨細胞分化培養(yǎng)基明顯上升，加入ERs抑制劑ICI182、780或PI3K抑制劑LY294002后，ALP活性及鈣鹽沉積面積降低，且骨小梁與細胞結節(jié)不可見。提示雌激素具有促進成骨細胞分化、增殖與成熟，且主要通過ERs機制。另外，人們發(fā)現雌激素通過調節(jié)一些重要的信號作用通路[如骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）/Smads信號通路，胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）/胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）/PI3K/Akt信號通路和Wnt信號通路等]，調節(jié)成骨細胞的增殖、分化與成熟。

2.1 ERs機制

2.1.1 不同ERs亞型對成骨細胞的影響:雌激素是一種類固醇激素，主要通過2個經典的ERs，即ERα和ERβ發(fā)揮作用，目前ERs亞型對成骨細胞的具體調控機制尚有爭論。為了研究ERs對骨髓間充質干細胞分化的調節(jié)作用，Chen等[3]收集絕經后婦女的髂骨骨髓間充質干細胞進行體外原代培養(yǎng)，比較雌激素處理組與對照組ALP、BGP、白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）、ERα和ERβ mRNA的表達。發(fā)現與對照組相比，雌激素處理組ALP和ERα mRNA的表達明顯增加，BGP與IL-6 mRNA的表達明顯降低，而2組中ERβ mRNA的表達差異無統(tǒng)計學意義。ALP為成骨細胞分化早期的標志酶，雌激素處理組ALP表達增加說明雌激素能夠促進間充質干細胞的成骨分化，且主要通過ERα起作用而非ERβ受體。Wang等[4]在研究雌激素類似物對成骨細胞作用的研究中，使用小干擾RNA技術，證明雌激素類似物對成骨細胞的增殖和生長受ERα和ERβ的調控，而成骨細胞的分化主要由ERα調節(jié)。制作成骨細胞上特定的α或β受體基因敲除的模型能夠提供有價值的信息來確定ERα或ERβ在成骨細胞上發(fā)揮的作用，模型的制作有待進一步研究[5]。

2.1.2 ERs介導的2條途徑:雌激素以ERs依賴方式發(fā)揮作用有2種途徑——經典和非經典信號途徑。經典的信號途徑為ERs與配體結合后，形成ERα/β同源或異源二聚體，進入細胞核，與雌激素反應元件（estrogen response element，ERE）結合或通過其他轉錄因子與靶基因的啟動子相互作用來調節(jié)基因轉錄活性；非經典的信號途徑又稱為非基因途徑或快速反應，通過ERs激活細胞外信號調節(jié)激酶發(fā)揮生物學作用。Rudnik等[6]用雌激素處理表達ERα/NERKI（防止ERα與DNA結合）和野生型ERα的U2OS細胞，野生型ERα的ALP、BGP和IGF mRNA水平上升，而ERα/NERKI的穩(wěn)定表達卻降低了ALP、BGP和IGF mRNA水平，因此認為在調節(jié)成骨細胞分化、增殖的生物活性上，雌激素與DNA ERE結合發(fā)揮著重要作用。然而，Almeida等[7]發(fā)現在ERα/NERKI小鼠和野生型ERα小鼠中成骨細胞分化與數量差異無統(tǒng)計學意義；另外，無論ERα/NERKI還是野生型ERα小鼠，17-β雌二醇減弱骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）誘導的成骨細胞分化，是ERα受體介導的ERKs的激活和蛋白連接區(qū)域Smad1的磷酸化而導致蛋白酶體的降解，因此雌激素對氧化應激和成骨細胞的增殖和凋亡的作用不是通過ERα與DNA連接，而是通過激活胞質激酶發(fā)揮作用的。除了上述基因途徑，非基因途徑在調節(jié)雌激素對成骨細胞的影響時同樣發(fā)揮著重要作用[8]，越來越受到人們的重視。Almeida等[7]發(fā)現雌激素以ERs依賴方式促進成骨細胞的分化，且不能透過膜的雌激素也能增強成骨細胞的分化，認為雌激素可能以非基因途徑調節(jié)成骨細胞的分化。為了進一步了解2種途徑在促進成骨分化時的不同作用，Syed等[9]制作了相同遺傳背景（C57BL/6）的野生型（ERα+/+）、ERα基因敲除型（ERα-/-）和敲入ERα突變基因型（ERα/NERKI）的小鼠模型，進而研究在雌激素治療的影響下3組小鼠骨髓間充質細胞體外培養(yǎng)基中成骨細胞與脂肪細胞的數量，發(fā)現雌激素治療顯著提高了ERα+/+小鼠成骨細胞數量，對ERα-/-或ERα/NERKI小鼠成骨細胞的數量沒有影響；然而，雌激素治療下ERα+/+和ERα/NERKI小鼠脂肪細胞的數目減少，而ERα-/-小鼠脂肪細胞數量沒有明顯變化。因此，認為雌激素促進間充質干細胞成骨分化是通過經典的ERs-ERE途徑，而抑制成脂分化卻可以通過非經典的途徑。成骨細胞上ERs的2種途徑呈現動態(tài)平衡，2種途徑發(fā)揮作用的具體的分子機制及優(yōu)勢途徑有待進一步研究。

2.2 信號通路:雌激素對成骨細胞的調節(jié)是一個復雜的過程，除ERs途徑，也可通過對 BMP/Smads、IGF/IRS/PI3K/Akt以及Wnt信號通路的調節(jié)來影響成骨細胞的分化和發(fā)育。

2.2.1 BMP/Smads信號通路:轉化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族是調節(jié)成骨細胞增殖和分化的1組細胞因子的組合，包括TGF-β、骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins,BMPs）、生長分化因子（growth differentiation factors，GDFs）和活化素等。BMPs是一種廣泛存在于骨基質中的酸性糖蛋白，是TGF-β超家族中最大的一族，目前已有20余種成員，是較強的成骨因子，可刺激間充質骨祖細胞分化為成熟的成骨細胞。目前研究[10]發(fā)現，BMP/Smads/ Runt相關轉錄因子2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）/Osterix信號通路是骨組織形成過程中間充質干細胞分化為成骨細胞及骨細胞外基質合成、分泌所必需的。雌激素預處理成骨分化培養(yǎng)基能顯著增加Smad1/5/8的磷酸化，促進Runx2、Osterix的表達。Runx2是新發(fā)現的調控間充質干細胞向成骨細胞分化的特異性轉錄因子，能在非成骨細胞或成骨前體細胞上調成骨細胞分化相關基因的表達。Osterix是成骨細胞特異性轉錄因子，定位于細胞核內，調控許多重要的成骨細胞晚期表型和功能蛋白表達，如ColⅠ、OPN、BSP和BGP等，并合成基質，發(fā)生礦化反應，是成骨細胞分化和骨礦化過程中所必需的基因[11]。Kumar等[12]在羅格列酮誘導的ST2細胞（小鼠骨髓來源的間充質干細胞）的成脂分化培養(yǎng)基中加入雌二醇，雌二醇能顯著增加TGFβ表達，顯著抑制脂肪細胞的形成，誘導ALP、OPN和Runx2的表達。雌二醇促進成骨、抑制成脂的作用，可能與抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ基因有關。

2.2.2 IGF/IRS/PI3K/Akt:IGF是胰島素作用途徑中的重要因子，主要包括IGF1和IGF2。有實驗[13]證明去卵巢大鼠較假手術組IGF1表達減少。因此可以推測，雌激素可能通過調節(jié)IGF1來調節(jié)骨代謝。IGF1是調節(jié)成骨細胞增殖和功能的旁分泌和自主分泌因子，是包括成骨細胞在內多種細胞的促有絲分裂劑，與骨代謝密切相關。在骨形成過程中IGF1可與成骨細胞上的IGF受體結合，促進ColⅠ合成，同時作用于破骨細胞抑制膠原酶合成，還可在骨原細胞和骨基質間起酸化作用，有利于骨礦化。國內有研究[14]發(fā)現雌激素對成骨細胞中IGF2基因的表達具有正性調控作用，認為成骨細胞中IGF2的高表達可能與雌激素調節(jié)成骨細胞增殖和分泌功能相關。IRS是胰島素信號傳遞的重要介質，IRS1和IRS2在胰島素信號通路中的作用尤為重要，近期研究發(fā)現其對骨代謝起重要調控作用。在成骨細胞上存在IRS1和IRS2，IRS1既促進骨形成也促進骨吸收，是維持骨代謝轉換的重要信號因子，而 IRS2主要與骨形成有關。體內外實驗[15]均證實雌二醇增加成骨細胞上IRS2 mRNA表達，并促進 IRS2的磷酸化，發(fā)揮促進骨形成的作用。有實驗[16]證實，在雌激素α受體的協(xié)同作用下，成骨細胞上IGF1受體激活，IGF1與成骨細胞表面的IGF1受體結合，在受體酪氨酸激酶及底物蛋白IRS的作用下，激活細胞內的信號分子PI3K，PI3K活化后將PIP2磷酸化為PIP3，進而進一步激活Akt，Akt活化后調控下游信號分子的基因轉錄水平，可增加β連環(huán)蛋白（β-catenin）的表達，進而促進成骨細胞的分化和增殖，影響骨形成。

2.2.3 Wnt信號通路:Wnt 信號通路是骨代謝研究的新熱點[17]。有實驗[18]表明，抑制Wnt信號通路可使成骨細胞分化受阻，而誘導Wnt信號通路組分表達可加快成骨細胞分化。Wnt信號通路包括3條細胞內信號轉導通路，即 Wnt/β-catenin信號轉導通路，Wnt/Ca2+信號轉導通路和Wnt/平面細胞極性（planar cell polarity，PCP）信號轉導通路，其中以Wnt/β-catenin轉導通路最為經典。Wnt/β-catenin信號轉導通路主要由2個Wnt信號拮抗劑，即硬化蛋白（sclerostin，SOST）和Dickkopf相關蛋白1（Dickkopf related protein 1,Dkk1）調節(jié)。雌激素通過抑制SOST和Dkk1的表達來誘導Wnt信號通路，發(fā)揮促進骨形成的作用[19]。也有觀點[20]認為血液中SOST水平下降通過抑制骨吸收發(fā)揮骨保護作用，與骨形成無明顯相關性。

3 雌激素抑制成骨細胞凋亡

成骨細胞的增殖與凋亡對維持骨代謝平衡起重要作用，雌激素對成骨細胞表現為抗凋亡作用。成骨細胞的凋亡可能與Bcl-2相關蛋白（Bcl-2 associated X protein,Bax）/B細胞淋巴瘤基因2（B cell lymphoma 2,Bcl2）比值有關。Bcl2蛋白有抗凋亡作用，Bax作用相反。Kousteni等[21]證實，雌激素抗成骨細胞凋亡的作用是通過ERs介導的非基因組途徑實現的。有研究[22]證實，雌激素在血清剝奪情況下通過與其受體結合激活絲裂原活化蛋白激酶，繼而激活Src/Shc/ERK信號通路，促進自噬相關蛋白（LC3，ULK1和Beclin1）的表達，抑制Cas3蛋白（1種凋亡蛋白）的表達及降低Bax/Bcl2比值，抑制抑制成骨細胞凋亡。雌激素抑制成骨細胞凋亡的作用可能與促進成骨細胞自噬能力相關。最新有研究[23]證實，植物雌激素也可通過與ERs結合激活ERK信號通路，降低Bax/Bcl2比值抑制成骨細胞凋亡。Bradford等[24]發(fā)現雌二醇也可通過ERβ1抑制G292細胞itpr1基因的轉錄而抑制細胞內鈣通道和關鍵的凋亡介質InsP3RⅠ的表達而抑制細胞凋亡。雌激素還可通過其他機制調節(jié)成骨細胞凋亡。Cooper等[25]研究發(fā)現，熱休克蛋白27（heat shock protein 27，HSP 27）對細胞生存有多種影響。雌激素通過增加HSP 27的產生以減少腫瘤壞死因子α誘導成骨細胞的凋亡。

4 小 結

綜上所述，雌激素主要通過抑制骨吸收發(fā)揮抗骨質疏松作用，但近來研究表明除抑制骨吸收外，雌激素還具有促進成骨的作用。雌激素促進成骨的機制較復雜，其信號轉導途徑是復雜的、多層面的。雌激素對成骨細胞的增殖、分化、礦化和凋亡的作用主要與ERs有關，但不全是ERs依賴方式，通過細胞因子激活的信號通路發(fā)揮作用亦是其重要作用機制。另外，ERα和ERβ在成骨的不同階段發(fā)揮何種不同作用？ERs介導的2種途徑之間有何關系？雌激素究竟是通過何種途徑激活相應的信號通路？以及這些信號通路之間又是如何相互影響的？有待于進一步探討和研究。

[1] KOMM BS,TERPENING CM,BENZ DJ,et al.Estrogen binding,receptor mRNA,and biologic response in osteoblast-like osteosarcoma cells[J].Science,1988,241（4861）:81-84.

[2] ZHAO JW,GAO ZL,MEI H,et al.Differentiation of human mesenchymal stem cells: the potential mechanism for estrogen-induced preferential osteoblast versus adipocyte differentiation[J].Am J Med Sci,2011,341（6）:460-468.

[3] CHEN FP,HU CH,WANG KC.Estrogen modulates osteogenic activity and estrogen receptor mRNA in mesenchymal stem cells of women[J].Climacteric,2013,16（1）:154-160.

[4] WANG Y,LI LZ,ZHANG YL,et al.LC,a novel estrone-rhein hybrid compound,promotes proliferation and differentiation and protects against cell death in human osteoblastic MG-63 cells[J].Mol Cell Endocrinol,2011,344（1/2）:59-68.

[5] KRUM SA.Direct transcriptional targets of sex steroid hormones in bone[J].J Cell Biochem,2011,112（2）:401-408.

[6] RUDNIK V,SANYAL A,SYED FA,et al.Loss of ERE binding activity by estrogen receptor-alpha alters basal and estrogen-stimulated bone-related gene expression by osteoblastic cells[J].J Cell Biochem,2008,103（3）:896-907.

[7] ALMEIDA M,MARTIN-MILLAN M,AMBROGINI E,et al.Estrogens attenuate oxidative stress and the differentiation and apoptosis of osteoblasts by DNA-binding-independent actions of the ERalpha[J].J Bone Miner Res,2010,25（4）:769-781.

[8] MORIARTY K,KIM KH,BENDER JR.Minireview: estrogen receptor-mediated rapid signaling[J].Endocrinology,2006,147（12）:5557-5563.

[9] SYED FA,FRASER DG,MONROE DG,et al.Distinct effects of loss of classical estrogen receptor signaling versus complete deletion of estrogen receptor alpha on bone[J].Bone,2011,49（2）:208-216.

[10] MATSUMOTO Y,OTSUKA F,TAKANO M,et al.Estrogen and glucocorticoid regulate osteoblast differentiation through the interaction of bone morphogenetic protein-2 and tumor necrosis factor-alpha in C2C12 cells[J].Mol Cell Endocrinol,2010,325（1/2）:118-127.

[11] NAKASHIMA K,DE CROMBRUGGHE B.Transcriptional mechanisms in osteoblast differentiation and bone formation[J].Trends Genet,2003,19（8）:458-466.

[12] KUMAR A,RUAN M,CLIFTON K,et al.TGF-β mediates suppression of adipogenesis by estradiol through connective tissue growth factor induction[J].Endocrinology,2012,153（1）:254-263.

[13] LI B,WANG Y,LIU Y,et al.Altered gene expression involved in insulin signaling pathway in type Ⅱ diabetic osteoporosis rats model[J].Endocrine,2013,43（1）:136-146.

[14] 趙玉巖，郭磊，都健，等.雌激素對成骨細胞增殖及IGF-2表達的調控作用[J].中國組織化學與細胞化學雜志，2008，17（4）：311-314.

[15] BU YH,PENG D,ZHOU HD,et al.Insulin receptor substrate 2 plays important roles in 17beta-estradiol-induced bone formation[J].J Endocrinol Invest,2009,32（8）:682-689.

[16] SUNTERS A,ARMSTRONG VJ,ZAMAN G,et al.Mechano-transduction in osteoblastic cells involves strain-regulated estrogen receptor alpha-mediated control of insulin-like growth factor （IGF） Ⅰ receptor sensitivity to Ambient IGF,leading to phosphatidylinositol 3-kinase/AKT-dependent Wnt/LRP5 receptor-independent activation of beta-catenin signaling[J].J Biol Chem,2010,285（12）:8743-8758.

[17] KUBOTA T,MICHIGAMI T,OZONO K.Wnt signaling in bone metabolism[J].J Bone Miner Metab,2009,27（3）:265-271.

[18] SHI YC,WORTON L,ESTEBAN L,et al.Effects of continuous activation of vitamin D and Wnt response pathways on osteoblastic proliferation and differentiation[J].Bone,2007,41（1）:87-96.

[19] ROSSINI M,GATTI D,ADAMI S.Involvement of WNT/β-catenin signaling in the treatment of osteoporosis[J].Calcif Tissue Int,2013,93（2）:121-132.

[20] M?DDER UI,CLOWES JA,HOEY K,et al.Regulation of circulating sclerostin levels by sex steroids in women and in men[J].J Bone Miner Res,2011,26（1）:27-34.

[21] KOUSTENI S,HAN L,CHEN JR,et al.Kinase-mediated regulation of common transcription factors accounts for the bone-protective effects of sex steroids[J].J Clin Invest,2003,111（11）:1651-1664.

[22] YANG YH,CHEN K,LI B,et al.Estradiol inhibits osteoblast apoptosis via promotion of autophagy through the ER-ERK-mTOR pathway[J].Apoptosis,2013,18（11）:1363-1375.

[23] LIU LJ,LIU LQ,BO T,et al.Puerarin Suppress Apoptosis of Human Osteoblasts via ERK Signaling Pathway[J].Int J Endocrinol,2013,2013:786574.

[24] BRADFORD PG,GERACE KV,ROLAND RL,et al.Estrogen regulation of apoptosis in osteoblasts[J].Physiol Behav,2010,99（2）:181-185.

[25] COOPER LF,TIFFEE JC,GRIFFIN JP,et al.Estrogen-induced resistance to osteoblast apoptosis is associated with increased hsp27 expression[J].J Cell Physiol,2000,185（3）:401-407.

（本文編輯：趙麗潔）

本刊關于對作者所投稿件查重的說明

為了保證雜志的質量，我們將采用科技期刊學術不端文獻檢測系統(tǒng)對作者所投稿件查重，凡不符合要求的稿件一律退稿。故要求作者務必以電子郵件的形式投稿，本刊投稿信箱為hbydxb@126.com，電子版稿件中需注明作者的聯系方式（手機號及E-mail）。今后本刊編輯部不再受理作者的紙質稿件。

敬請理解與合作！

《河北醫(yī)科大學學報》編輯部

2014-02-22；

2014-03-22

河北省醫(yī)學適用技術跟蹤項目（GL2011-43）

周立新（1986-），女，河北冀州人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院醫(yī)學碩士研究生，從事內分泌與代謝疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail: liyukun@medmail.com.cn

R681

A

1007-3205（2012）05-0613-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.05.044