成骨細胞向脂肪細胞和骨細胞分化的研究進展*

安敏 王兆杰 安榮澤 葉含釗

成骨細胞在骨代謝中發(fā)揮了的重要作用，其分化成熟、功能活動及歸屬對骨質疏松等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展意義深遠。研究發(fā)現(xiàn)，成骨細胞不僅可以在自身分泌的基質包埋下形成骨細胞，還可以橫向分化為脂肪細胞。本文就成骨細胞向脂肪細胞橫向分化及其向骨細胞分化作一綜述。

1 各細胞與基因的相關性

1.1 成骨細胞與Runx2 Runx2為Runxx（runt related gene，Runxx）相關轉錄因子蛋白因子家族成員，是成骨細胞特異轉錄因子，在骨形成的多個階段起調(diào)控作用。轉錄因子Runx2對成骨細胞表型的確定是必需的，當Runx2缺失時，鼠成骨細胞分化完全受抑制，骨膜成骨及軟骨內(nèi)成骨都不能發(fā)生[1]。體外實驗證實，BMP-2與Runx2聯(lián)合作用可使成骨細胞更好地分化[2]。另外，外源性Runx2還可對抗地塞米松誘導骨髓基質細胞向脂肪細胞分化的作用[3]。經(jīng)典的Wnt/B—catenin信號通路和轉化生長因子-β/骨形態(tài)發(fā)生蛋白（TGF—β/BMP-2）信號通路都可以促進成骨細胞的分化和其分泌的胞外基質礦化，這兩條通路對成骨分化極為重要，研究發(fā)現(xiàn)它們最后的靶基因都是Runx2[4-5]。然而，Runx2不只是通過這兩條途徑發(fā)揮作用，大多涉及到成骨分化途徑的最終靶基因幾乎均是Runx2[6]。由此可見Runx2作為各個轉導通路的交匯點對成骨細胞的分化起著決定性作用。不少學者還認為不少細胞因子、激素、藥物都可以調(diào)節(jié)Runx2的表達，從而影響成骨分化。

1.2 骨細胞和SOST SOST基因編碼骨硬化蛋白，其僅在骨細胞表達[7]。人的SOST表達缺失將導致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的發(fā)生。小鼠SOST基因缺失同樣表現(xiàn)為高骨量和骨強度增加，而轉基因小鼠過表達人SOST則表現(xiàn)為低骨量[8-9]。這些研究證明SOST基因編碼骨硬化蛋白對骨形成具有特殊的抑制效果[10]。SOST基因編碼的骨硬化蛋白對骨形成蛋白（BMP）家族的成員蛋白具有很強的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1與LRP5和LPR6結合，阻止Wnt信號通路的激活。此類研究表明骨細胞中少量表達的基因可能作為骨組織重建過程中的分子調(diào)解者。研究還發(fā)現(xiàn)，甲狀旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表達，間斷或連續(xù)給予PTH，都將下調(diào)小鼠骨細胞中骨硬化蛋白的表達，對人而言則降低骨硬化蛋白在體內(nèi)循環(huán)水平[11]。

1.3 脂肪細胞和PPAR-γ 過氧化物酶增殖物激活受體γ（PPAR-γ）在不同物種動物的脂肪組織中高度表達。研究發(fā)現(xiàn)，在沒有PPAR-γ的情況下，沒有發(fā)現(xiàn)一種因素可以誘導脂肪細胞的分化，其被認為是與脂肪細胞分化最重要轉錄因子，尤其在脂肪細胞分化早期起到不可或缺的作用[12]。盡管C/EBPα基因在脂肪形成過程中也有著至關重要的作用，但在缺失PPAR-γ的永生纖維細胞系中，僅有C/EBPα基因條件下不能促進脂肪形成，而在C/EBPα基因缺失細胞中，PPAR-γ則可以促進脂肪形成[13]。不僅如此，Kim等[14]還發(fā)現(xiàn)，將小鼠成骨細胞株MC3T3-E1經(jīng)過成脂誘導后，細胞的PPAR-γ的表達增強，表明PPAR-γ參與調(diào)控成骨細胞向脂肪細胞橫向分化過程。由此可見，深入研究PPAR-γ信號通路將為脂類代謝疾病的治療和預防提供重要的理論參考。

2 成骨細胞向脂肪細胞橫向分化

隨著細胞生物學研究的不斷深入，越來越多的研究表明，起源于同一祖細胞的各種終末分化細胞在一定的條件下可以相互轉化，由一種細胞橫向分化（transdifferentiation）為另一種細胞[15-16]。成熟的成骨細胞和脂肪細胞均是由骨髓間充質干細胞分化而來，它們具有某些相同的細胞表型，在一定條件下同樣能發(fā)生橫向分化。Nuttal等[17-18]的研究在這方面提供了有力證據(jù)，他們認為在一定的條件下，成熟成骨細胞能向脂肪細胞發(fā)生橫向分化。此后國內(nèi)學者將成骨細胞置于成脂培養(yǎng)基中進行誘導分化也證實了這個結論[19-20]。此外，童天朗等[21]采用間充質干細胞向成骨細胞分化，定向成骨分化的“前成骨細胞”也成功的分化為脂肪細胞。隨著糖皮質激素在臨床上的應用越來越廣泛，Yao等[22]發(fā)現(xiàn)，大劑量糖皮質激素作用下的小鼠骨髓組織中有大量脂肪細胞沉積。為探究其機制，羅磊等[23]將糖皮質激素長期、大劑量地作用于大鼠顱骨成骨細胞，發(fā)現(xiàn)糖皮質激素可使成骨細胞橫向分化為成熟的脂肪細胞。進一步研究發(fā)現(xiàn)，大劑量GCs作用下，PPAR-γ表達上調(diào)、Runx2表達下調(diào)，調(diào)控BMSCs向脂肪細胞分化并促進成骨細胞橫向分化為脂肪細胞[24]。這些發(fā)現(xiàn)證明了在超生理劑量GCs作用下，一方面BMSCs向脂肪細胞分化，并抑制其向成骨細胞分化；另一方面成骨細胞向脂肪細胞分化，最終導致骨髓內(nèi)脂肪細胞積聚、成骨細胞數(shù)量減少，骨代謝失衡。

上述研究表明，骨髓中脂肪細胞的增加伴隨著成骨細胞的減少，兩者存在“此消彼長”的關系，暗示脂肪細胞分化和成骨細胞分化可能有共同的作用調(diào)控靶點。細胞向特定方向分化受相關基因的調(diào)控。Runx2是成骨分化主要的決定基因，而PPARγ主要促進脂肪形成。Kim等[14]實驗發(fā)現(xiàn)可以通過成脂轉錄因子PPAR-γ將小鼠成骨細胞株MC3T3-E1誘導分化為成熟的脂肪細胞。表明內(nèi)源性PPAR-γ活化在譜系分化過程中可使非成熟或成熟成骨細胞譜系更傾向于向脂肪譜系轉變。另外，TAZ（具有PDZ結合域的轉錄共刺激因子）是可以與14—3—3蛋白結合的一個轉錄調(diào)節(jié)因子，其通過共激活Runx2依賴基因的轉錄和抑制PPARγ依賴基因的轉錄，從而促進骨形成和抑制脂肪形成。這些發(fā)現(xiàn)表明Runx2或PPARγ2表達對細胞向成骨細胞還是脂肪細胞分化有著重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)脂肪細胞分化特異轉錄因子和脂肪細胞特異基因的表達與激素使用劑量和使用時間呈正相關[25]。國內(nèi)研究者在這方面做了深入的研究，謝小偉等[26]認為長期、大劑量應用糖皮質激素可通過升高DKK-1的表達抑制促進成骨細胞分化的Wnt信號通路，成骨細胞增殖受抑制，促進其脂肪化，提示經(jīng)典Wnt信號通路對成骨細胞與脂肪細胞橫向分化有一定的影響，但具體的分子機制尚不明確。此外，王兆杰等[27]指出縫隙連接蛋白Cx43可能在骨髓成骨細胞向脂肪細胞橫向分化過程中起主導地位。其分子作用機制可能是某些抑制劑使細胞膜上有效的縫隙連接通道數(shù)量減少。骨骼中縫隙連接通訊的調(diào)節(jié)可能代表新一類藥物的目標，此類藥物可以抑制成脂的發(fā)生而相應的引起成骨過程的升高。

3 成骨細胞向骨細胞分化

骨細胞和成骨細胞是骨組織中重要組成部分，其中骨細胞總數(shù)占骨組織細胞90%以上，它是由成骨細胞分泌基質并自身包埋分化而成，并擁有大量突觸結構，因此，骨細胞可以理解為終末的成骨細胞[28]。雖然骨細胞是終末分化的成骨細胞系，但是兩種細胞在形態(tài)、標志物、功能等方面均有顯著差異。成骨細胞分化為新生骨細胞后，細胞體積下降70%，細胞也逐漸失去了細胞器和分泌細胞外基質的能力，而突觸的體積卻增加[29]。這些含有細胞漿的突觸將骨細胞與臨近骨細胞、成骨細胞和破骨細胞串聯(lián)起來，成為與其他細胞形態(tài)學鑒別的突出特征。而Pazzaglia等[30]在這方面做了最新的研究，他們使用掃描電鏡（SEM）分析證實骨陷窩-微管系統(tǒng)（lacuna-canalicuarsystem）的形成對成骨細胞向骨細胞分化有重要意義。據(jù)報道，成骨細胞中ALP的表達明顯高于骨細胞，且隨著成骨細胞向骨細胞分化進展，ALP的表達呈逐步下降趨勢[31]。骨鈣素（OC）是成骨細胞特異性合成和分泌的一種非膠原蛋白，是向成熟骨細胞分化的最具特征性的標志物。在成骨細胞分化后期表達大量的OC調(diào)節(jié)其向骨細胞分化，而在成熟骨細胞階段OC的表達處于高峰期。因此，它在成骨細胞體外分化為成熟骨細胞及基質鈣化的過程中具有重要意義。

然而，近來的研究發(fā)現(xiàn)，骨細胞在常規(guī)的二維培養(yǎng)環(huán)境中有發(fā)生去分化的趨勢，失去了骨細胞固有形態(tài)。甚至將其培養(yǎng)于含Ⅰ型膠原蛋白凝膠（含0.1%FBS）的三維培養(yǎng)基中，隨著時間的推移，骨細胞同樣去分化為成骨細胞，但其去分化現(xiàn)象沒有在二維培養(yǎng)基中顯著[32]。為了全面分析骨細胞功能，相關學者建立了一個更好的維持骨細胞特性和形狀的培養(yǎng)條件（含50%人工基膜（Matrigel）和0.2%FBS的Ⅰ型膠原培養(yǎng)基），但并不能完全抑制成熟骨細胞的去分化[33]。此外，Torreggiani等[34]發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌在骨基質中的前骨細胞/骨細胞是活動的，一旦給予額外的骨環(huán)境，它們將從骨陷窩中遷移出去并去分化為成骨細胞，這可能是成骨細胞另一來源。這些研究暗示，我們有必要去建立一個更適合培養(yǎng)骨細胞的體外環(huán)境，以避免骨細胞去分化為成骨細胞存在的干擾問題。

綜上所述，在骨髓基質系統(tǒng)中，成骨細胞不僅在一定條件下可以橫向分化為脂肪細胞，也是生成骨細胞的主要來源，其在骨組織中擁有至關重要的地位。當前不少研究報道認為，骨質減少性疾病是由于骨髓中脂肪細胞增加，這些增加的脂肪細胞可能是由BMSCs直接縱向分化而來，但也有可能是由成骨細胞橫向分化轉變而來，Runx2與PPAR-γ是成骨細胞和脂肪細胞分化的關鍵性調(diào)控因子，兩者相關的信號轉導通路間相互協(xié)調(diào)、相互抑制。研究還發(fā)現(xiàn)細胞間的縫隙連接也可能是這兩種細胞相互轉化的機制。由此設想，如果改變脂肪細胞分化過程中相關基因表達方式或調(diào)控縫隙連接通道，阻止成骨細胞橫向分化為脂肪細胞，甚至促進脂肪細胞再分化為成骨樣細胞，以達到治療骨丟失和骨代謝異常的目的。研究發(fā)現(xiàn)，骨細胞有向成骨細胞逆向分化的可能，這成為筆者體外研究骨細胞的一個難題，構建維持骨細胞結構及功能的體外培養(yǎng)系統(tǒng)，可能成為筆者下一步研究的一個方向。

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