Notch信號通路在骨代謝中的研究進展

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Notch信號通路在骨代謝中的研究進展

郭健民鄒軍1

(上海體育學院運動科學學院，上海200438)

關鍵詞〔〕骨代謝；骨細胞；notch信號通路

1上海體育學院發(fā)展規(guī)劃處

第一作者：郭健民(1990-)，男，碩士，主要從事運動與骨代謝的相關研究。

Notch基因是因1919年Mohr〔1〕發(fā)現(xiàn)該基因的功能缺失會導致果蠅翅緣缺角而命名。Notch信號通路在骨骼中的報道最早見于Conlon等〔2〕關于Notch1缺失會導致小鼠胚胎體節(jié)發(fā)育異常的研究中。Notch是骨骼細胞活動和骨骼發(fā)育的關鍵〔3〕，當Notch功能發(fā)生異常或缺失時，會引起一系列的骨代謝異常和骨疾病。此外成骨細胞和破骨細胞的生長在骨架模型中起著關鍵作用，這些細胞的耦合作用控制骨骼組織的重塑〔4〕。本文旨在綜合國內外最新的關于Notch信號通路在骨代謝方面的研究，強調Notch信號的傳導在調節(jié)成骨細胞和破骨細胞生理方面的作用，并討論Notch基因突變導致的骨疾病，為Notch信號通路未來的研究提供理論基礎。

1Notch信號通路的組成和激活

Notch信號通路是一個在進化上高度保守的系統(tǒng)，是胚胎正常發(fā)育所必不可少的同時也參與調節(jié)人體組織的平衡。Notch信號通路由受體(Notch1、Notch2、Notch3、Notch4)和配體(GLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2)以及細胞內效應分子(Hes1、Hes5)以及相關的酶組成〔5〕。

Notch的配體和受體以單次跨膜受體介導相鄰細胞的相互作用。Notch受體是一種異二聚體跨膜蛋白，其組成分為胞內結構域(NICD)和跨膜結構域：胞外結構域(NECD)的糖基化是Notch受體和配體相互作用的關鍵〔6〕;NECD是由EGF樣重復序列和核管理區(qū)(NRR)組成,NRR可以阻止受體在沒有配體情況下被激活。胞內結構域(NICD)由四個結構域(RAM,ANK,TAD and PEST)和兩個核定位序列組成，NICD的缺失會導致CSL形成各種具有抑制性作用的復合物來抑制Notch靶基因的轉錄；Notch通路活化后被γ-分泌酶復合體識別，釋放Notch的活性片段NICD，后者轉移至細胞核內與DNA結合蛋白CSL結合形成轉錄復合物，激活2個關鍵的堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉錄因子(Hes及HEY)，進而調控靶基因的轉錄〔5〕。Notch配體也是Ⅰ型單通道跨膜蛋白，跨膜結構的內吞是配體激活notch所必須的傳導信號〔7〕，跨膜運輸已經被證明在Notch的激活和調控中具有非常復雜而重要的作用〔8〕。圖1。

圖1　Notch信號通路激活示意圖 〔9〕

2Notch信號通路與成骨細胞

Notch信號通路的生理性阻斷已經證明其在骨的調控中起著關鍵性的作用。成骨細胞來源于間充質細胞，并存在于骨髓微環(huán)境中可進一步分化為成骨細胞或者發(fā)生凋亡〔4〕。Dong等〔10〕的研究表明Notch1和Notch2的失活將會導致Notch對成骨細胞產生抑制作用。Canalis等〔11〕的研究表明當Notch激活時成骨細胞譜系不同分化階段中成骨前體細胞的分化受到抑制，造成骨質疏松；當Notch在骨中表達時可以抑制骨吸收增加骨體積。Zhang等〔12〕的研究表明在骨髓間充之干細胞中，Notch的持續(xù)激活會抑制間充質干細胞分化為成骨細胞，造成骨量減少。Hilton等〔13〕的研究表明：骨髓間質細胞中Prx1-cre引起的Notch1和Notch2的缺失的小鼠中，八周時會骨量增加，但在26 w時變異組的骨量減少到對照組的10%，而且Notch信號在抑制間充質祖細胞的分化中起重要作用。Tu等〔14〕的研究表明Notch2在抑制成骨細胞生成中起主導作用，其調節(jié)機制主要通過RBPik來實現(xiàn)；當RBPjk去除后NICD的功能受到抑制〔15〕。Salie等〔16〕的研究表明在12周齡的小鼠中Hey1的過度表達會導致骨量的減少而形成骨質疏松，這項研究為Hey蛋白在成骨中的抑制作用提供了支持。Zhang等〔17〕的研究表明Hes和Hey蛋白抑制成骨細胞分化，Hes1和Runx-2相互作用調節(jié)骨鈣素和骨橋蛋白基因啟動子的活性。Engin等〔18〕的研究表明，在細胞水平上NICD的過度表達會刺激成骨細胞系細胞早期階段的增殖，但是會阻止它們生長為完全成熟的成骨細胞。綜合起來，Notch信號可以調控成骨細胞的增殖、分化以此調節(jié)骨量的平衡。

3Notch信號通路與破骨細胞

破骨細胞在不同階段的特異性調控涉及到不同的Notch受體和配體：Jag1和Notch1阻礙破骨細胞的生成，而Dll1和notch2促進破骨細胞的生成〔19〕。Bai等〔3〕的研究表明巨噬細胞中Notch受體的缺失強化了破骨細胞的分化；并且在破骨細胞中Notch1和Notch3功能的缺失會促進細胞增殖，使破骨細胞數(shù)量增加。相反的Yamada等〔20〕的研究表明骨髓巨噬細胞與一個固定化的Notch配合基一起培養(yǎng)會抑制M-CSF受體對刺激的應答，并抑制破骨細胞分化。Fukushima等〔21〕的研究表明在巨噬細胞系中RANKL誘導的破骨細胞分化會使notch2和Hes1上調，因此用γ分泌酶抑制劑的治療方法阻礙了細胞中破骨細胞的生成；Notch1受體的活化使M-CSF得表達降低，并使RANKL/OPG的表達提高從而降低間充質干細胞中破骨細胞的數(shù)量。Zanotti等〔22〕的研究表明在轉基因雌性小鼠中Ⅰ型膠原控制下的Hes1的過度表達會導致破骨細胞數(shù)量增加而導致骨質疏松。Colombo等〔23〕的研究表明骨肉瘤細胞(MM)中Notch的激活可以促進破骨細胞生成因子RANKL的分泌，Notch2可以通過促進RANKL信號的分泌刺激破骨細胞的分化，此外Notch信號通路的抑制可以減小人體骨肉瘤細胞生成的潛力。Notch信號通路對破骨細胞生成的作用取決于細胞的分化狀態(tài)以及特定配體和受體的表達。

4Notch信號通路與軟骨

軟骨的形成是軟骨細胞增殖、肥大、分化、聚集的過程，并且軟骨為脊柱動物骨架提供最初的支架。人體骨架主要由兩部分組成：四肢骨和中軸骨，四肢骨主要有上肢、下肢以及肩帶和腰帶；中軸骨主要有顱骨、肋骨和脊柱〔24〕。脊柱和肋骨主要由體節(jié)間質發(fā)展而來，四肢骨主要由COP細胞發(fā)育而來。在胚胎發(fā)育過程中間充質干細胞凝集、分化并通過COP階段轉化成軟骨細胞并形成軟骨支架；隨后由軟骨的骨化被鈣化的骨所取代〔25〕。Dong等〔10〕的研究表明軟骨細胞中Notch信號的抑制會引起軟骨細胞增殖和肥大，這將會導致骨形成減少。Zanotti等〔26〕的研究表明Notch可以抑制活化T細胞的核因子在軟骨細胞中的轉錄和表達。Chen等〔27〕的研究表明Rbpjk依賴的Notch信號通路通過抑制Sox9蛋白的表達來抑制軟骨祖細胞的分化。Kohn等〔28〕的研究表明軟骨細胞和軟骨膜細胞中Rbpjk的缺失會導致軟骨細胞的成熟延緩；此外notch可以影響軟骨細胞的形態(tài)，誘導軟骨細胞的增殖以及不成熟軟骨細胞的凋亡。Dishowitz等〔29〕的研究表明在脛骨骨折和骨缺損的愈合中Notch的表達增強其中Jag1和Notch2的表達增強最明顯，而在間充質細胞中則會降低軟骨形成的表達；因此Notch可以調節(jié)軟骨內和膜內成骨的愈合。Tian等〔30〕的研究表明小鼠肢芽間充質干細胞中Notch的激活可抑制軟骨的形成。Serrano等〔31〕的研究表明Notch信號的阻斷會抑制下頜髁突軟骨(MCC)中軟骨細胞的增殖，促進軟骨細胞的分化。Hosaka等〔32〕的研究表明在小鼠軟骨細胞系ATD5和原代軟骨細胞的分化中，Notch1、Notch2、RBPj和Hes1的表達增加，而Notch3、Notch4以及Hes和Hey家族的表達減少；這說明Notch信號可以調控軟骨細胞的分化。綜合起來Notch信號通路可以調控軟骨細胞的增殖、分化、成熟以及軟骨前體細胞的生理活動。

5Notch信號通路和骨疾病

阿拉吉歐(Alagille)綜合征是一種具有骨骼畸形、腎發(fā)育不良等特點的常染色體顯性疾病，而Notch2基因突變在Alagille綜合征的病人中被發(fā)現(xiàn)〔33〕。Sparrow等〔34〕研究表明在人體中4型脊柱肋骨發(fā)育不良與Hes7的失活和突變有關，這為Notch信號通路失調導致此類疾病提供了有力的證據。豪-謝(Hajdu-Cheney)綜合征是指骨遠端骨溶解、骨丟失和骨折為特征的成染色體顯性遺傳病，而Hajdu-Cheney綜合征與Notch2的持續(xù)激活有關〔35〕。Engin等〔36〕的研究表明骨肉瘤的侵襲能力與Notch信號通路有關，骨肉瘤中Jag1、Notch1、Hes1的表達增加。Sethi等〔37〕的研究表明通過RNA干擾下調Jag1可以降低乳腺癌的骨溶性，這揭示了Notch信號通路在溶骨性轉移方面的作用〔37〕。在中國人口和中歐混血人口中關于全基因組關聯(lián)的研究表明：骨密度與Jag1存在關聯(lián)性〔38〕，這說明notch信號通路與骨質疏松存在一定聯(lián)系。Sugita等〔39〕的研究表明在小鼠中Hes的缺失會抑制骨關節(jié)炎(OA)的發(fā)展。

6小結

Notch信號通路是骨骼發(fā)育和骨重建一個重要的調節(jié)器，通過與其他信號傳導系統(tǒng)的相互作用調控成骨細胞、破骨細胞以及軟骨的生理活動以維持人體骨量的平衡。隨著研究的深入人們對Notch信號通路越來越了解，但Notch的作用不是孤立的，在體內當細胞接受多個信號時會做出一個集成的應答，因此Notch與其他信號系統(tǒng)的相互作用以及Notch在有機整體的作用需要進一步的探索。

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〔2015-01-17修回〕

(編輯滕欣航)

通訊作者：鄒軍(1969-)，男，教授，主要從事運動與骨代謝的相關研究。

基金項目：國家自然科學基金項目(81170323)；上海市人類運動能力開發(fā)與保障重點實驗室(上海體育學院)(11DZ2261100)

中圖分類號〔〕R68〔

文獻標識碼〕A〔

文章編號〕1005-9202(2015)24-7260-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.24.141