骨質(zhì)疏松與NF-κB信號(hào)通路關(guān)系的研究進(jìn)展

骨質(zhì)疏松與NF-κB信號(hào)通路關(guān)系的研究進(jìn)展

李琦謝志堅(jiān)

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院，浙江杭州310006)

關(guān)鍵詞〔〕骨質(zhì)疏松；NF-κB；成骨細(xì)胞；破骨細(xì)胞

中圖分類號(hào)〔〕R787〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A〔

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81272157)

通訊作者：謝志堅(jiān)(1966-)，男，博士，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，主要從事口腔頜面部骨質(zhì)缺損機(jī)制及其治療的研究。

第一作者：李琦(1989-)，男，在讀碩士，主要從事骨質(zhì)疏松相關(guān)信號(hào)通路與種植體的研究。

核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)是一個(gè)存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，它能對(duì)各種刺激做出快速反應(yīng)，從而間接地調(diào)控與多種生理及其病理反應(yīng)有關(guān)的基因表達(dá)，參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、細(xì)胞分化與凋亡及其他應(yīng)激反應(yīng)。有關(guān)研究〔1~5〕表明NF-κB信號(hào)通路的過(guò)度激活或抑制能引發(fā)多種疾病，這表明NF-κB在病理狀態(tài)下發(fā)揮著十分重要的作用〔6〕。而骨質(zhì)疏松(OP)已經(jīng)成為嚴(yán)重影響老年人及絕經(jīng)后婦女健康和生活質(zhì)量的常見(jiàn)多發(fā)病，它受多種因素及基因影響，以骨量減少，骨的微觀結(jié)構(gòu)退化為主要特征，以骨強(qiáng)度減弱，骨脆性增加為主要臨床表現(xiàn)〔7〕。OP的發(fā)生主要由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞維持的骨形成和骨吸收的平衡被破壞所造成〔8〕，而多項(xiàng)研究〔9,10〕表明NF-κB與成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞有著緊密的聯(lián)系，據(jù)此，我們就NF-κB信號(hào)通路和骨質(zhì)疏松之間的關(guān)系展開(kāi)綜述。

1NF-κB信號(hào)通路

1.1NF-κB的組成轉(zhuǎn)錄因子NF-κB由一組五個(gè)同源和異源二聚體蛋白組成，它們分別被命名為NF-κB1(p50及其前體p105)，NF-κB2(p52及其前體p100)，p65/RelA，c-Rel和RelB。這些成員在N 端均含有一個(gè)Rel同源結(jié)構(gòu)域(RHD)〔11〕，能與特異的DNA 發(fā)生結(jié)合，其中RelA、RelB和c-Rel在C 端有一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)(TAD)，p50 和p52 沒(méi)有轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，須依靠和其他轉(zhuǎn)錄因子共同作用來(lái)調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄〔12〕。

1.2NF-κB的激活途徑NF-κB的激活途徑可以分為經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。

經(jīng)典途徑的發(fā)生是由多種促炎癥細(xì)胞因子或病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)誘導(dǎo)，它們可與Toll樣受體(TLR)〔13〕、B細(xì)胞受體(BCR)和T細(xì)胞受體(TCR)〔14〕以及白介素-1受體(IL-1R)〔15,16〕相結(jié)合，從而促進(jìn)靶基因的表達(dá)〔17〕。當(dāng)細(xì)胞處在靜息狀態(tài)時(shí)，NF-κB與其抑制蛋白IκB緊密結(jié)合，大部分IκB的C端含有3~8個(gè)錨蛋白重復(fù)基序，并通過(guò)該基序與NF-κB結(jié)合，覆蓋其Rel同源結(jié)構(gòu)域的核定位序列，抑制NF-κB的活性〔18〕。當(dāng)細(xì)胞受外界刺激時(shí)，IκB蛋白被快速磷酸化后被蛋白酶體降解，解離的NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核后調(diào)節(jié)多種目的基因的表達(dá)〔19〕。而IκB的磷酸化是通過(guò)活化的IKK調(diào)控的，IKK有3個(gè)組成成分：IKKα(IKK1)、IKKβ (IKK2)、IKKγ。IKKγ可以選者性地與IKKβ相結(jié)合〔20〕，繼而引起IKB的磷酸化，這些磷酸化的IKB被聚合泛素化，然后在蛋白酶體中被降解，釋放p50/p65二聚物，二聚物轉(zhuǎn)移至胞核后啟動(dòng)涉及細(xì)胞免疫、炎性反應(yīng)及細(xì)胞的增殖、遷移、趨化、黏附等基因的表達(dá)〔21,22〕。

非經(jīng)典途徑的發(fā)生主要是由B細(xì)胞激活因子〔22〕、淋巴毒素β(LTβ)〔18〕、CD40配體〔23〕、CD30配體等誘導(dǎo)，通過(guò)激活NF-κB受體活化因子配體(RANKL)，活化NF-κB誘導(dǎo)激酶(NIK)，而NIK可直接磷酸化，繼而激活I(lǐng)KKα，IKKα是調(diào)控NF-κB非經(jīng)典途徑的核心，IKKα可進(jìn)一步活化p100，使其發(fā)生磷酸化，生成了p52/RelB核轉(zhuǎn)運(yùn)因子復(fù)合物，從而調(diào)節(jié)下游靶基因的表達(dá)〔24〕。近年來(lái)，隨著對(duì)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(TRAF)家族中的TRAF3研究的深入，發(fā)現(xiàn)NIK與TRAF3的相互作用可使前者持續(xù)分解，進(jìn)而激活NF-κB非經(jīng)典途徑，但是NF-κB受體活化因子(RANK)與TRAF3具有較強(qiáng)的結(jié)合力，可與NIK競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合TRAF3，當(dāng)TRAF3與Rank或其他細(xì)胞因子相結(jié)合后，可發(fā)生分解，其結(jié)果導(dǎo)致NIK的穩(wěn)定化，無(wú)法發(fā)生磷酸化，進(jìn)而抑制NF-κB非經(jīng)典途徑的激活〔25〕。

2OP

目前，OP已經(jīng)成為最為常見(jiàn)的十種常見(jiàn)病之一，而OP所導(dǎo)致的病理性骨折的發(fā)病率已經(jīng)超過(guò)了乳腺癌、腦卒中和心肌梗死的總和〔26〕，在老年人，尤其是老年婦女中，其發(fā)病率高達(dá)60%以上，并且在未來(lái)的25年，OP患病人數(shù)還將會(huì)有大幅度的增加，甚至增加一倍以上。

OP的病理性骨量減少和結(jié)構(gòu)變化有以下幾個(gè)形式：(1)骨骼形成發(fā)育的紊亂導(dǎo)致的骨量形成不足和強(qiáng)度減弱。(2)骨吸收的增加導(dǎo)致的骨量丟失和骨小梁微觀結(jié)構(gòu)的改變。(3)在骨改建過(guò)程中，骨吸收大于骨形成〔27〕。這些病理改變的病因有很多，包括運(yùn)動(dòng)、陽(yáng)光照射等物理因素，鈣離子、維生素?cái)z取量等營(yíng)養(yǎng)因素，雌激素、甲狀旁腺激素等激素因素以及種族、性別和年齡等因素〔28〕。

3OP與NF-κB信號(hào)通路的關(guān)系

OP與NF-κB信號(hào)通路主要通過(guò)成骨、破骨細(xì)胞相關(guān)聯(lián)，成骨細(xì)胞起源于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，主要負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌及礦化，破骨細(xì)胞來(lái)源于造血干細(xì)胞，由多核巨細(xì)胞組成，主要行使骨吸收功能。

3.1OP與成骨、破骨細(xì)胞OP的主要變化是骨量減少和骨的微觀結(jié)構(gòu)的變化，而這一變化產(chǎn)生的原因主要是在骨改建的生理過(guò)程中，骨吸收和骨形成的平衡遭到破壞。這其中，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞組成的骨代謝單位(BMUs)通過(guò)自分泌和旁分泌各種細(xì)胞因子又發(fā)揮著最主要的作用〔29〕，破骨細(xì)胞在多位點(diǎn)、同時(shí)地發(fā)揮它的破壞和吸收作用〔30〕，而同時(shí)成骨細(xì)胞又會(huì)在這些骨吸收區(qū)形成新的骨組織。它不僅體現(xiàn)了個(gè)骨量的丟失和骨再生的能力、骨基質(zhì)的更新能力，還體現(xiàn)了整個(gè)骨組織的適應(yīng)能力。OP通過(guò)多種信號(hào)通路，調(diào)節(jié)成骨、破骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化及凋亡能力，從而打破機(jī)體的骨改建平衡，造成骨量的流失，導(dǎo)致病理性骨折的發(fā)生。

3.2NF-κB信號(hào)通路與成、破骨細(xì)胞

3.2.1NF-κB信號(hào)通路與成骨細(xì)胞早期的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在敲除掉p50/p52基因的小鼠中，無(wú)法形成破骨細(xì)胞，且成骨細(xì)胞的數(shù)量增多〔31〕。隨后又在多發(fā)面發(fā)現(xiàn)了NF-κB與成骨細(xì)胞之間的關(guān)聯(lián)。Chang等〔10〕又發(fā)現(xiàn)在IKK顯性基因沉默的轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，成骨細(xì)胞活性的提高，骨密度和骨體積都有顯著增加，除此之外，當(dāng)NF-κB p65 高表達(dá)時(shí)，多個(gè)成骨因子的表達(dá)及細(xì)胞外基質(zhì)的礦化也受到了明顯地抑制。在成骨細(xì)胞的表面，存在雌激素受體(ER)、細(xì)胞因子的受體〔32〕,這些因子能促進(jìn)成骨細(xì)胞中NF-κB 活化〔33〕，而雌激素與雌激素受體結(jié)合，能抑制這些細(xì)胞因子的釋放，從而能抑制NF-κB 的表達(dá)，使其活性能夠穩(wěn)定在一個(gè)正常的水平，進(jìn)而有利于成骨細(xì)胞的增殖分化〔34〕，但在OP模式動(dòng)物中，由于缺少足夠的雌激素及其受體，使NF-κB異常活化，從而抑制了成骨細(xì)胞的增殖和分化〔33〕。

3.2.2NF-κB信號(hào)通路與破骨細(xì)胞已有研究〔35〕證實(shí)NF-κB在破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和成熟過(guò)程中起著十分重要的作用，而NF-κB的5個(gè)二聚體蛋白均起著不同的作用。通過(guò)單基因敲除NF-κB1或NF-κB2小鼠模式動(dòng)物發(fā)現(xiàn)，破骨前體細(xì)胞能正常分化成破骨細(xì)胞，相反，發(fā)現(xiàn)其IL-1的表達(dá)有所增加，從而促進(jìn)了破骨細(xì)胞的形成〔36〕。但是在雙基因敲除NF-ΚB1和NF-κB2的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，其破骨前體細(xì)胞無(wú)法繼續(xù)分化成破骨細(xì)胞，且一些與破骨分化相關(guān)的因子：TRAP、降鈣素受體等的表達(dá)也受到了抑制。這都表明NF-κB1或NF-κB2通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化來(lái)影響破骨細(xì)胞。在C-Rel基因敲除的小鼠動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)其各種炎癥因子表達(dá)及骨磨損均有不同程度的減弱。在RelB基因敲除的小鼠中發(fā)現(xiàn)，其破骨細(xì)胞的形成受到了阻礙，且對(duì)RANKL誘導(dǎo)無(wú)應(yīng)答〔37〕，而在RANKL誘導(dǎo)破骨前體細(xì)胞形成破骨細(xì)胞的早期發(fā)現(xiàn)RelA的表達(dá)有極速且短暫的增加，推測(cè)RelA在破骨細(xì)胞形成的早期發(fā)揮著一定的作用〔38〕。

4總結(jié)

OP的控制與治療被越來(lái)越多的醫(yī)生和研究者所重視，由于其發(fā)病機(jī)制的研究并不完全，臨床現(xiàn)有的治療方法相對(duì)局限，并且都具有一定的副作用。例如作為預(yù)防治療絕經(jīng)后婦女OP的一線藥物的雌激素替代藥物，在抑制骨吸收的同時(shí)，長(zhǎng)期服用可增加子宮癌的風(fēng)險(xiǎn)〔39〕；雙膦酸鹽是迄今為止最有效的骨吸收抑制劑之一，可干擾破骨細(xì)胞的活性和存活能力，進(jìn)而抑制骨吸收和骨轉(zhuǎn)化，平衡骨代謝〔40〕，但是近年來(lái)，大樣本量的臨床研究發(fā)現(xiàn)，此類藥物會(huì)提高頜骨骨髓炎的發(fā)病率；維生素D可通過(guò)加速成骨細(xì)胞基因合成，促進(jìn)骨的礦化，但是需要配合足量鈣的攝入，同時(shí)其作用效果相對(duì)較為局限。

NF-κB信號(hào)通路是OP發(fā)病機(jī)制中的重要組成部分，同時(shí)，從基因?qū)用嫣岢隽艘环N新的OP治療方案及相關(guān)治療靶點(diǎn)，對(duì)于臨床上OP的基因治療和新藥研發(fā)有積極的促進(jìn)作用。

5參考文獻(xiàn)

1Brand K,Page S,Rogler G,etal.Activated transcription factor nuclear factor-kappa B is present in the atherosclerotic lesion〔J〕.J Clin Invest,1996;97(7):1715-22.

2Dijkstra G,Moshage H,Jansen PLM.Blockade of NF-kappa B activation and donation of nitric oxide: New treatment options in inflammatory bowel disease〔J〕.Scandinavian Journal of Gastroenterology,2002;37:37-41.

3Akama KT,Van Eldik LJ.Beta-amyloid stimulation of inducible nitric-oxide synthase in astrocytes is interleukin-1 beta- and tumor necrosis factor-alpha (TNF alpha)-dependent,and involves a TNF alpha receptor-associated factor- and NF kappa B-inducing kinase-dependent signaling mechanism〔J〕.J Biol Chem,2000;275(11):7918-24.

4Garg A,Aggarwal BB.Nuclear transcription factor-kappa B as a target for cancer drug development〔J〕.Leukemia,2002;16(6):1053-68.

5Ben-Neriah Y,Karin M.Inflammation meets cancer,with NF-kappaB as the matchmaker〔J〕.Nat Immunol,2011;12(8):715-23.

6Vallabhapurapu S,Karin M.Regulation and function of NF-kappa B transcription factors in the immune system〔J〕. Annu Rev Immunol,2009;27:693-733.

7Beil FT,Seitz S,Priemel M,etal.Pathophysiology and Pathomorphology of osteoporosis〔J〕.Eur J Trauma Emerg Surg,2008;34(6):527-34.

8Zhao QX,Shao JZ,Chen W,etal.Osteoclast differentiation and gene regulation〔J〕.Frontiers in Bioscience-Landmark,2007;12:2519-29.

9Andela VB,Sheu TJ,Puzas EJ,etal.Malignant reversion of a human osteosarcoma cell line,Saos-2,by inhibition of NFkappaB〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2002;297(2):237-41.

10Chang J,Wang Z,Tang E,etal.Inhibition of osteoblastic bone formation by nuclear factor-kappaB〔J〕.Nat Med,2009;15(6):682-9.

11Kaileh M,Sen R.Role of NF-kappaB in the anti-inflammatory effects of tocotrienols〔J〕.J Am Coll Nutr,2010;29(3 Suppl):334S-39S.

12Hayden MS,Ghosh S.Shared principles in NF-kappaB signaling〔J〕.Cell,2008;132(3):344-62.

13O'Neill LAJ.How Toll-like receptors signal: what we know and what we don't know〔J〕?Curr Opin Immunol,2006;18(1):3-9.

14Qiu LQ,Cresswell P,Chin KC.Viperin is required for optimal Th2 responses and T-cell receptor-mediated activation of NF-kappaB and AP-1〔J〕.Blood,2009;113(15):3520-9.

15Brasier AR.The nuclear factor-kappaB-interleukin-6 signalling pathway mediating vascular inflammation〔J〕.Cardiovasc Res,2010;86(2):211-8.

16Lawrence T,Fong C.The resolution of inflammation: anti-inflammatory roles for NF-kappaB〔J〕.Int J Biochem Cell Biol,2010;42(4):519-23.

17Dixit V,Mak TW.NF-kappaB signaling.Many roads lead to madrid〔J〕.Cell,2002;111(5):615-9.

18Simmonds RE,Foxwell BM.Signalling,inflammation and arthritis: NF-kappaB and its relevance to arthritis and inflammation〔J〕.Rheumatology (Oxford),2008;47(5):584-90.

19Vallabhapurapu S,Karin M.Regulation and function of NF-kappaB transcription factors in the immune system〔J〕.Annu Rev Immunol,2009;27:693-733.

20Espinosa L,Bigas A,Mulero MC.Alternative nuclear functions for NF-kappaB family members〔J〕.Am J Cancer Res,2011;1(4):446-59.

21Shibata W,Maeda S,Hikiba Y,etal.Cutting edge: The IkappaB kinase (IKK)inhibitor,NEMO-binding domain peptide,blocks inflammatory injury in murine colitis〔J〕.J Immunol,2007;179(5):2681-5.

22Bonizzi G,Karin M.The two NF-kappaB activation pathways and their role in innate and adaptive immunity〔J〕.Trends Immunol,2004;25(6):280-8.

23Hayden MS,Ghosh S.Signaling to NF-kappaB〔J〕.Genes Dev,2004;18(18):2195-224.

24Shifera AS.The zinc finger domain of IKKgamma (NEMO)protein in health and disease〔J〕.J Cell Mol Med,2010;14(10):2404-14.

25Novack DV.Role of NF-kappaB in the skeleton〔J〕.Cell Res,2011;21(1):169-82.

26Jaglal SB,Hawker G,Cameron C,etal.The Ontario Osteoporosis Strategy: implementation of a population-based osteoporosis action plan in Canada〔J〕.Osteoporos Int,2010;21(6):903-8.

27Priemel M,Munch C,Beil FT,etal.Pathophysiology and pathomorphology of osteoporosis〔J〕.Radiologe,2006;46(10):831-8.

28Thomsen JS,Ebbesen EN,Mosekilde L.Relationships between static histomorphometry and bone strength measurements in human iliac crest bone biopsies〔J〕.Bone,1998;22(2):153-63.

29Rodan GA,Martin TJ.Role of osteoblasts in hormonal control of bone resorption-a hypothesis〔J〕.Calcif Tissue Int,1981;33(4):349-51.

30Teitelbaum SL.Bone resorption by osteoclasts〔J〕.Science,2000;289(5484):1504-8.

31Xing L,Bushnell TP,Carlson L,etal.NF-kappaB p50 and p52 expression is not required for RANK-expressing osteoclast progenitor formation but is essential for RANK- and cytokine-mediated osteoclastogenesis〔J〕.J Bone Miner Res,2002;17(7):1200-10.

32Rosen CJ,Kessenich CR.The pathophysiology and treatment of postmenopausal osteoporosis.An evidence-based approach to estrogen replacement therapy〔J〕.Endocrinol Metab Clin North Am,1997;26(2):295-311.

33Jimi E,Aoki K,Saito H,etal.Selective inhibition of NF-kappa B blocks osteoclastogenesis and prevents inflammatory bone destruction in vivo〔J〕.Nat Med,2004;10(6):617-24.

34Yamaguchi M,Weitzmann MN.The estrogen 17beta-estradiol and phytoestrogen genistein mediate differential effects on osteoblastic NF-kappaB activity〔J〕.Int J Mol Med,2009;23(2):297-301.

35Miyazaki T,Katagiri H,Kanegae Y,etal.Reciprocal role of ERK and NF-kappaB pathways in survival and activation of osteoclasts〔J〕.J Cell Biol,2000;148(2):333-42.

36Xing L,Carlson L,Story B,etal.Expression of either NF-kappaB p50 or p52 in osteoclast precursors is required for IL-1-induced bone resorption〔J〕.J Bone Miner Res,2003;18(2):260-9.

37Vaira S,Johnson T,Hirbe AC,etal.RelB is the NF-kappaB subunit downstream of NIK responsible for osteoclast differentiation〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2008;105(10):3897-902.

38Asagiri M,Sato K,Usami T,etal.Autoamplification of NFATc1 expression determines its essential role in bone homeostasis〔J〕.J Exp Med,2005;202(9):1261-9.

39Rodan GA,Martin TJ.Therapeutic approaches to bone diseases〔J〕.Science,2000;289(5484):1508-14.

40Moinzadeh AT,Shemesh H,Neirynck NA,etal.Bisphosphonates and their clinical implications in endodontic therapy〔J〕.Int Endod J,2013;46(5):391-8.

〔2014-03-26修回〕

(編輯滕欣航)