Semaphorin3A抗骨質(zhì)疏松作用靶點(diǎn)的研究進(jìn)展

郭蓓，李法琦

骨骼在人體中是一個(gè)富有活力的器官，其反復(fù)進(jìn)行著破骨細(xì)胞破壞及重吸收舊骨的過(guò)程，并利用成骨細(xì)胞的作用形成新的骨質(zhì)，在生理過(guò)程中需要依賴(lài)不同的生理激素、細(xì)胞因子、趨化因子及外在生物力學(xué)的共同刺激而完成［1-2］，這樣一種網(wǎng)絡(luò)精細(xì)調(diào)節(jié)下共同完成的過(guò)程被稱(chēng)為骨重塑 (bone remodeling)，其是骨穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中維持骨質(zhì)量和力度的必要條件［2］。不管是人類(lèi)還是動(dòng)物，骨吸收和骨再生的平衡一旦失穩(wěn)，將會(huì)不同程度的導(dǎo)致各種代謝性骨疾病。例如，破骨細(xì)胞過(guò)度的骨質(zhì)吸收會(huì)導(dǎo)致病理性的骨破損，多見(jiàn)于骨質(zhì)疏松、類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨腫瘤［1，3-4］，因此骨的重構(gòu)必須在時(shí)間上和空間上進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，以便老化和破壞的骨質(zhì)可以被等質(zhì)的新骨所替代［1，5-6］。然而就局部細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)機(jī)制而言，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)支配作用下組成一個(gè)基本的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)單元 (basic multicellular unit，BMU)，而骨重塑的過(guò)程就是通過(guò)該單元中細(xì)胞之間的相互作用而進(jìn)行調(diào)節(jié)［7］。

目前抗骨質(zhì)疏松藥物治療的作用機(jī)制主要分為兩大類(lèi)，即抗骨吸收和促進(jìn)骨形成。而臨床應(yīng)用廣泛的雙膦酸鹽類(lèi)、雌激素及選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑、降鈣素均屬于前者，僅甲狀旁腺激素及其類(lèi)似物和具有雙向調(diào)節(jié)作用的鍶鹽具有促進(jìn)骨吸收的作用。目前關(guān)于骨質(zhì)疏松的治療都有一個(gè)共同點(diǎn)，其不能把骨質(zhì)衰變和骨質(zhì)再生這兩個(gè)過(guò)程完全分離，即在同一時(shí)間促進(jìn)或者抑制兩個(gè)過(guò)程的發(fā)生［8］，盡管針對(duì)每個(gè)過(guò)程的作用強(qiáng)度不同。

最近 Hayashi 等［9］發(fā) 現(xiàn) 了 蛋 白Semaphorin3A，在減少骨吸收、破壞的同時(shí)也促進(jìn)新骨的再生。在細(xì)胞水平調(diào)節(jié)層面，Semaphorin3A對(duì)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，將骨質(zhì)破壞和新骨再生這兩個(gè)生理過(guò)程相互獨(dú)立，從而產(chǎn)生了新一類(lèi)的雙向作用于骨質(zhì)疏松的治療方法。本文總結(jié)了關(guān)于Semaphorin3A在骨代謝調(diào)節(jié)作用中的相關(guān)分子機(jī)制，對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 Semaphorin3A及其受體

Semaphorins是一系列由分泌型和細(xì)胞膜耦聯(lián)型蛋白組成的家族，其最初發(fā)現(xiàn)是在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育形成過(guò)程中，是一種神經(jīng)軸突導(dǎo)向因子的原型［10］。其中Semaphorin3A是一種分泌型蛋白，既往的研究顯示，Semaphorin3A參與了多種生理及病理代謝過(guò)程，比如免疫應(yīng)答、心血管系統(tǒng)的合成以及腫瘤的形成［11-12］，然而最特別的，越來(lái)越多的研究表明Semaphorin3A蛋白也參與了骨穩(wěn)態(tài)和骨代謝紊亂病理過(guò)程的調(diào)節(jié)［9，13-14］。

神經(jīng)叢蛋白 (Plexins)和神經(jīng)纖毛蛋白 (Neuropilins)是Semaphorins重要的受體［15-17］。大部分細(xì)胞膜耦聯(lián)型Semaphorins蛋白通過(guò)直接與Plexins相結(jié)合而發(fā)揮其受體的作用，然而Semaphorins的調(diào)節(jié)作用還需要依賴(lài)Neuropilins的耦合形成復(fù)合受體才得以完成［12］。Behar 等［18］研究中已提出缺乏Semaphorin3A的小鼠中會(huì)呈現(xiàn)一種骨結(jié)構(gòu)異常的表型，特別以骨質(zhì)減少為主要表現(xiàn)，如椎體的塌陷融合、肋胸關(guān)節(jié)間的不良吻合等。Semaphorin3A的調(diào)節(jié)作用需要建立在與Neuropilin-1、Plexin-A1相互結(jié)合成復(fù)合體的基礎(chǔ)之上［12，19］。除此之外，對(duì)于敲入突變Neuropilin-1的小鼠(即缺乏結(jié)合Semaphorin3A的能力)，同缺乏Semaphorin3A的小鼠一樣可以呈現(xiàn)類(lèi)似的表型，這些研究都充分說(shuō)明了Neuropilin-1是存在于骨骼細(xì)胞中的一種可以結(jié)合Semaphorin3A的功能性受體［9］。

2 Semaphorin3A對(duì)破骨細(xì)胞合成、分化、遷移的抑制調(diào)節(jié)作用

破骨細(xì)胞起源于造血干細(xì)胞的單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞系［20］。核因子 κB受體活化因子配體 (RANKL)、核因子κB受體活化因子 (RANK)、骨保護(hù)素 (OPG)的發(fā)現(xiàn)對(duì)理解骨破壞、吸收的分子機(jī)制提供了巨大的理論支持，RANKL可誘導(dǎo)骨髓源單核細(xì)胞中破骨細(xì)胞的生成，而Semaphorin3A可抑制RANKL的活性，從而抑制破骨細(xì)胞的合成［8］。部分研究表明，OPG也是一種由成骨細(xì)胞分泌的重要的破骨細(xì)胞合成代謝的抑制劑，在OPG缺乏的小鼠顱骨細(xì)胞中，Semaphorin3A作為一種條件性的媒介可以阻斷破骨細(xì)胞的形成［21］。

最近的研究表明，Takegahara等［14］發(fā)現(xiàn)Plexin-A1與髓細(xì)胞-2表達(dá)觸發(fā)受體 (TREM2)和DNAX激活蛋白12片段(DAP12)相互結(jié)合形成一種Plexin-A1-TREM2-DAP12復(fù)合物，該復(fù)合物可以通過(guò)激活I(lǐng)TAM信號(hào)途徑來(lái)促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。在Semaphorin3A的存在下則通過(guò)與Neuropilin-1相結(jié)合而破壞Plexin-A1與TREM2-DAP12之間的相互聯(lián)系來(lái)抑制ITAM信號(hào)途徑的激活，從而影響RANK誘導(dǎo)下的破骨細(xì)胞的分化［9］。當(dāng)Semaphorin3A缺乏時(shí)，RANK信號(hào)使Neuropilin-1快速下調(diào)，從而Plexin-A1大量釋放而促進(jìn)破骨細(xì)胞分化［9］，增加骨質(zhì)的破壞、吸收，因此以上機(jī)制都充分證明了Semaphorin3A通過(guò)使單核細(xì)胞處于“待命”狀態(tài)來(lái)抑制破骨細(xì)胞的分化，并以此支持骨形成。除此之外，Semaphorin3A與Neuropilin-1結(jié)合可以通過(guò)抑制三磷酸鳥(niǎo)苷結(jié)合蛋白 (RhoA)的激活來(lái)阻礙破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的遷移［9］。由此可證實(shí) Semaphorin3A在細(xì)胞調(diào)節(jié)水平通過(guò)抑制破骨細(xì)胞的合成、分化及遷移，從而減緩舊骨被破壞吸收的速度。

3 Semaphorin3A對(duì)成骨細(xì)胞分化的促進(jìn)調(diào)節(jié)作用

成骨細(xì)胞起源于間葉干細(xì)胞，這些干細(xì)胞可以分化成為軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞以及肌原細(xì)胞，其在骨基質(zhì)的合成代謝中都起到了十分重要的作用［22-23］。對(duì)于缺乏Semaphorin3A和Neuropilin-1突變的小鼠除了會(huì)呈現(xiàn)一種骨質(zhì)破壞的表型，也會(huì)表現(xiàn)出骨合成調(diào)節(jié)因子和成骨細(xì)胞數(shù)量的減少;與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)相一致的研究也表明，來(lái)自于缺乏Semaphorin3A小鼠的成骨細(xì)胞存在分化的缺陷，同時(shí)伴隨著成骨細(xì)胞標(biāo)志物表達(dá)的減少，如Runx基因轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)和骨含伽馬羧酸蛋白(Bglap)［9］。β連環(huán)蛋白信號(hào)途徑是間葉前體細(xì)胞向成骨細(xì)胞或脂肪細(xì)胞分化的經(jīng)典途徑，控制骨的質(zhì)量變化［22］。同時(shí)，Semaphorin3A和Neuropilin-1的結(jié)合可以通過(guò)作用于FARP2來(lái)激活Rac1，Rac1隨之而來(lái)又可以推進(jìn)Wnt3a誘導(dǎo)下的β連環(huán)蛋白在細(xì)胞核內(nèi)的聚集，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化［9］。對(duì)于 Semaphorin3A基因敲除的成骨細(xì)胞，其分化速度顯著被抑制，而重新給予結(jié)合性的Semaphorin3A治療就會(huì)重新修復(fù)分化缺陷［24］，這些研究都強(qiáng)烈證明了Semaphorin3A以一種自分泌的方式作為成骨細(xì)胞分化的積極調(diào)節(jié)者，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的合成分化，增加新骨合成的速度。

4 應(yīng)用前景

大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，摘除卵巢的小鼠模型，會(huì)表現(xiàn)出明顯的骨質(zhì)丟失，而予以靜脈注射Semaphorin3A治療后小鼠的骨皮質(zhì)體積和骨細(xì)胞數(shù)量迅速增長(zhǎng)［9］，而更深一步的研究表明，對(duì)于缺乏Semaphorin3A的人源細(xì)胞，給予重組的人源Semaphorin3A治療，同樣可以表現(xiàn)出對(duì)破骨細(xì)胞分化代謝的抑制和成骨細(xì)胞合成代謝的促進(jìn)，這樣的一種機(jī)制可以把骨重塑的兩個(gè)過(guò)程完全獨(dú)立，而且不僅僅體現(xiàn)在骨質(zhì)疏松的治療中，針對(duì)惡性腫瘤的骨質(zhì)破壞也可以發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。

本文要點(diǎn)總結(jié):

本文的創(chuàng)新之處在于拋開(kāi)宏觀調(diào)控的束縛，從細(xì)胞微觀調(diào)節(jié)水平挖掘Semaphorin3A的作用，分別從其在抑制破骨細(xì)胞分化合成過(guò)程和促進(jìn)成骨細(xì)胞分化過(guò)程中的分子調(diào)節(jié)機(jī)制闡述其對(duì)骨代謝平衡的調(diào)節(jié)，更加明確了Semaphorin3A可以將骨重塑的兩個(gè)過(guò)程完全獨(dú)立，并且已在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段取得可觀的成效，為后期的人體試驗(yàn)研究及新藥的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

［1］ Takayanagi H.Osteoimmunology:shared mechanisms and crosstalk between the immune and bone systems［J］.Nat Rev Immunol，2007，7(4):292-304.

［2］ Hattner R， Epker BN， FrostHM.Suggested sequential mode of control of changes in cell behaviour in adult bone remodelling ［J］.Nature，1965，206(983):489-490.

［3］ Feng X，McDonald JM.Disorders of bone remodeling ［J］.Annu Rev Pathol，2011(6):121-145.

［4］ Seeman E，Delmas PD.Bone quality-the material and structural basis of bone strength and fragility ［J］.N Engl J Med，2006，354(21):2250-2261.

［5］ Martin TJ，Sims NA.Osteoclast-derived activity in the coupling of bone formation to resorption ［J］.Trends Mol Med，2005，11(2):76-81.

［6］ Sims NA，Gooi JH.Bone remodeling:Multiple cellular interactions required for coupling of bone formation and resorption［J］.Semin Cell Dev Biol，2008，19(5):444-451.

［7］ Nakahama K.Cellular communications in bone homeostasis and repair［J］.Cell Mol Life Sci，2010，67(23):4001-4009.

［8］ Abdallah BM， Kassem M. Human mesenchymalstem cells:from basic biology to clinicalapplications ［J］.Gene Ther，2008，15(2):109-116.

［9］ Hayashi M，Nakashima T，Taniguchi M，et al.Osteoprotection by semaphorin 3A［J］.Nature，2012，485(7396):69-74.

［10］ Luo Y，Raible D，Raper JA.Collapsin:a protein in brain that induces the collapse and paralysisofneuronalgrowth cones［J］.Cell，1993，75(2):217-227.

［11］ Kang S，Kumanogoh A.Semaphorins in bone development， homeostasis， and disease ［J］.Semin Cell Dev Biol，2013，24(3):163-171.

［12］ He Z，Tessier-Lavigne M.Neuropilin is a receptor for the axonal chemorepellent Semaphorin Ⅲ ［J］. Cell，1997，90(4):739-751.

［13］ Negishi-Koga T，Shinohara M，Komatsu N，et al.Suppression of bone formation by osteoclastic expression of semaphorin 4D［J］.Nat Med，2011，17(11):1473-1480.

［14］ Takegahara N，Takamatsu H，Toyofuku T，et al.Plexin-A1 and its interaction with DAP12inimmuneresponsesand bone homeostasis ［J］.Nat Cell Biol，2006，8(6):615-622.

［15］ Takahashi T，F(xiàn)ournier A，Nakamura F，et al.Plexin-neuropilin-1 complexes form functional semaphorin-3A receptors［J］.Cell，1999，99(1):59-69.

［16］ TamagnoneL， ArtigianiS，Chen H，et al.Plexins are a large family of receptors for transmembrane，secreted，and GPI-anchored semaphorins in vertebrates ［J］.Cell，1999，99(1):71-80.

［17］ Winberg ML，Noordermeer JN，Tamagnone L，et al.Plexin A is a neuronal semaphorin receptor that controls axon guidance ［J］.Cell，1998，95(7):903-916.

［18］ Behar O，Golden JA，Mashimo H，et al.SemaphorinⅢ isneededfornormal patterning and growth of nerves，bones and heart［J］.Nature，1996，383(6600):525-528.

［19］ Potiron V，Roche J.Class 3 semaphorin signaling:the end of a dogma［J］.Sci STKE，2005，2005(285):pe24.

［20］ Teitelbaum SL.Osteoclasts:what do they do and how do they do it［J］.Am J Pathol，2007，170(2):427-435.

［21］ Boyce BF，Xing L.Functions of RANKL/RANK/OPG in bone modeling and remodeling ［J］.Arch Biochem Biophys，2008，473(2):139-146.

［22］ Heino TJ，Hentunen TA.Differentiation of osteoblasts and osteocytes from mesenchymal stem cells ［J］.Curr Stem Cell Res Ther，2008，3(2):131-145.

［23］ Cawthorn WP，Bree AJ，Yao Y，et al.Wnt6，Wnt10a and Wnt10b inhibit adipogenesis and stimulate osteoblastogenesis through a β-catenindependent mechanism ［J］.Bone，2000，50(2):477-489.

［24］ FukudaT， TakedaS， Xu R， et al.Sema3A regulates bone-mass accrual through sensory innervations ［J］.Nature， 2013， 497 (7450):490-493.