細胞縫隙連接與骨及相關(guān)疾病研究進展

黃衛(wèi)民，張小敏，陶　亮

(1新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，烏魯木齊　830002；2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，廣州　510080)

?

·綜述·

細胞縫隙連接與骨及相關(guān)疾病研究進展

黃衛(wèi)民1，張小敏2，陶亮2

(1新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，烏魯木齊830002；2中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，廣州510080)

骨穩(wěn)態(tài)的維持依賴于成骨細胞、骨細胞、破骨細胞三者間的相互調(diào)節(jié)。三者的分化、存活及功能的調(diào)節(jié)則依賴于細胞縫隙連接。Cx43既可以直接調(diào)節(jié)成骨細胞與破骨細胞間動態(tài)平衡，又可以通過調(diào)節(jié)骨細胞基因表達間接調(diào)控成骨細胞與破骨細胞間動態(tài)平衡，而Cx45的功能則與Cx43相反。Cx37是破骨細胞分化所必需的。Cxs在軟骨組織、韌帶、肌腱中的作用研究甚少。同時，研究表明Panx1、Panx2、Panx3在骨及軟骨細胞中表達，但其功能尚不明確。

細胞縫隙連接; 成骨細胞; 骨細胞; 破骨細胞

骨穩(wěn)態(tài)是成骨細胞和破骨細胞功能平衡的結(jié)果，一旦兩者間平衡打破，骨骼系統(tǒng)就會出現(xiàn)病理性改變，如骨質(zhì)疏松、骨肉瘤、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等?；径嗉毎麊挝?，是骨重建的基本功能單位包括破骨細胞、成骨細胞、骨細胞，它們通過功能耦聯(lián)調(diào)節(jié)骨量穩(wěn)態(tài)。成熟骨細胞呈星狀或樹突狀，大量突起相互連接，組成一個發(fā)達的骨陷窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。骨細胞通過黏附分子附著于周圍基質(zhì)及鄰近細胞，而細胞縫隙連接(Gap Junction，GJ)連通骨細胞、成骨細胞以及破骨細胞形成一個復(fù)雜而精密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三者的增殖分化及功能的動態(tài)調(diào)節(jié)則依賴于GJ，本文就細胞縫隙連接與骨及相關(guān)疾病的研究進展綜述如下。

1　細胞縫隙連接

細胞縫隙連接(Gap Junction,GJ)是相鄰2個細胞間的一種膜蛋白通道，在多種組織系統(tǒng)中(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心肌系統(tǒng)、肌肉骨骼系統(tǒng)等)廣泛表達。GJ基本組成單位是連接子(Connexon,Cx)，6個Cx環(huán)繞在一起組成半通道(Hemichannel)，相鄰2個細胞上的半通道對接而成一個全通道GJ。GJ介導(dǎo)直接的細胞間通訊(Gap Junction Intercellular Communication，GJIC)。GJ允許分子量<1 ku的小分子物質(zhì)自由擴散,易化相鄰細胞間電和化學(xué)偶聯(lián)[1]。最近研究表明，Cxs可以傳遞包括核酸在內(nèi)的大分子，表明GJ介導(dǎo)多種功能偶聯(lián)[2]。目前研究表明，人體中有21種Cxs基因[1]，Cx43(GJA 1基因編碼)是表達水平最高、最廣泛的Cx。另外，Cx45(GJC 1基因編碼)、Cx46(GJA 3基因編碼)及Cx37(GJA 4基因編碼)也在骨骼肌肉系統(tǒng)中表達。最近研究發(fā)現(xiàn)，細胞縫隙連接存在另一種組成亞基，Pannexin。由Panx1、Panx2和Panx3基因所編碼的3個pannexins與Connexins具有極為相似的拓撲結(jié)構(gòu)，主要形成溝通胞漿與外界環(huán)境的半通道，在骨骼系統(tǒng)中同樣具有廣泛表達[3]。

1.1Cxs在骨骼系統(tǒng)中的表達Cx43是骨骼系統(tǒng)中表達最為豐富的縫隙連接蛋白，在骨細胞、成骨細胞、破骨細胞中均廣泛表達，Cx45、Cx46則主要表達于成骨細胞[4]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Cx37同Cx43一樣，廣泛表達于成骨細胞、破骨細胞、骨細胞中[5]。

在軟骨、韌帶、肌腱組織中，同樣存在Cxs的表達。其中Cx43在這3種組織中均有表達，其次是Cx32，而Cx45、Cx46特異表達于軟骨細胞[6]，Cx40則特異表達于韌帶組織中[7]。

1.2Panxs在骨骼系統(tǒng)的表達Panx1和Panx3在骨骼系統(tǒng)中廣泛表達[8-9]，Panx3在成骨細胞、顱蓋骨細胞以及增生的軟骨細胞等多種細胞中表達。Panx1主要表達于成骨細胞中，在牙周韌帶中也有表達，但在肌腱中尚無文獻報道Panx1的表達。Panx2表達具有局限性,尚未有文獻報道其在骨組織存在表達。

2　細胞縫隙連接在肌肉骨骼系統(tǒng)中的生物學(xué)功能

2.1Cxs對骨組織細胞增殖分化及功能的調(diào)控作用

2.1.1Cx43對成骨細胞增殖分化及功能的調(diào)節(jié)作用多數(shù)研究表明，Cx43對成骨細胞的分化及功能具有調(diào)節(jié)作用。Lecanda等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，Cx43整體敲除的KO小鼠，由于成骨細胞功能障礙而不能存活，而條件性敲除成骨細胞Cx43 的KO小鼠，雖然能夠存活，但由于成骨細胞分化障礙，表現(xiàn)出骨漸進性增生[11]；在體外研究中，上調(diào)Cx43的表達或者增加Cx43的偶聯(lián)，能夠促進成骨細胞的分化，而抑制Cx43的表達及GJ功能，則抑制成骨細胞分化[12]。

有學(xué)者從藥物應(yīng)用角度進一步證實了Cx43對成骨細胞的調(diào)控作用。雙磷酸鹽類骨保護藥物，能夠通過開放Cx43半通道[13]，發(fā)揮骨保護活性；當(dāng)敲除Cx43時，其保護活性明顯減弱[14]。間歇給予PTH是FDA唯一批準(zhǔn)的增加骨量的治療方法，當(dāng)敲除Cx43時，PTH介導(dǎo)的骨礦化速率則降低[15]。

2.1.2Cx43對破骨細胞增殖分化及功能的調(diào)節(jié)作用Cx43對破骨細胞的調(diào)節(jié)，主要是通過成骨細胞/破骨細胞間RANKL/OPG/Cx43軸產(chǎn)生間接調(diào)節(jié)，其直接調(diào)節(jié)功能報道較少。體外實驗，當(dāng)抑制破骨細胞GJ，能夠抑制破骨細胞的融合[16]。而Cx37在破骨細胞再生中則具有明確的生物學(xué)作用[17]，Cx37 KO 小鼠的破骨細胞，不僅細胞體積小，胞核缺失，而且破骨細胞標(biāo)記物明顯減少，Notch信號通路活性顯著上調(diào)。

破骨細胞的分化，除了受成骨細胞和骨細胞中Cx43的調(diào)控外[9]，也受自身Cxs表達的調(diào)節(jié)。當(dāng)在破骨細胞分化前，敲除Cx43表達，表現(xiàn)出股骨遠端松質(zhì)骨破骨細胞明顯減少，皮質(zhì)骨厚度增加，骨小梁間隙縮窄，這些均表明破骨細胞骨吸收功能降低[18]。

2.1.3Cx43 C末端功能區(qū)與其生物學(xué)功能的相關(guān)性Cx43依賴的通道功能是維持皮質(zhì)骨形成和骨基質(zhì)強度所必須的，而Cx43 C末端則是維持松質(zhì)骨體積和成骨細胞功能必不可少的。有學(xué)者構(gòu)建了R67W和Δ130-136缺失，2種Cx43點突變的小鼠模型，前者與野生型小鼠間不存在表型差異，而后者則表現(xiàn)出骨量增加，皮質(zhì)骨骨細胞凋亡增加，這些特異性癥狀同Cx43全敲除的小鼠具有相似性[19]，而當(dāng)過表達Δ130-136時，則具有明顯的骨細胞毒性[20]。而Cx43 C末端缺失(Δ245)的小鼠由于成骨細胞功能障礙導(dǎo)致松質(zhì)骨體積減小[21]。

2.2Cx43對肌肉骨骼系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié)作用Cx43對肌肉骨骼系統(tǒng)的發(fā)育和功能同樣具有調(diào)控作用。敲除Cx43的小鼠，與同窩出生的Cx43陽性小鼠相比，表現(xiàn)出體質(zhì)量降低和肌肉抽搐的癥狀。而成熟成骨細胞和骨細胞敲除Cx43表達，對體質(zhì)量并不產(chǎn)生影響[22]，說明Cx43對肌肉發(fā)育的調(diào)節(jié)主要是由未成熟的成骨細胞和骨細胞介導(dǎo)的，具體分子機制有待進一步研究。

Cx43是成骨細胞和骨細胞應(yīng)對機械負荷所必需的[23]。多項研究表明，不論是敲除軟骨祖細胞[24]、成熟的成骨細胞和骨細胞[9]、單一骨細胞[25]的Cx43，機械負荷引起的骨形成是增加的，關(guān)于Cx43如何調(diào)節(jié)機械應(yīng)激下骨形成的分子機制，目前尚不明確。

2.3Cx37對骨組織細胞增殖分化的調(diào)節(jié)作用Cx37是最近發(fā)現(xiàn)廣泛表達于成骨細胞、骨細胞和破骨細胞的另一種縫隙連接蛋白[4,13]。Cx37對骨組織細胞的調(diào)控作用具有性別相關(guān)性。Cx37整體敲除導(dǎo)致骨量增加，而這個特點在雄性小鼠中尤為顯著[4]。日本的一項人群研究同樣表明，攜帶Cx37-319P 等位基因與攜帶Cx37-319S的男性相比，前者表現(xiàn)出軀體高大及椎間盤、頸椎和股骨轉(zhuǎn)子骨密度高的特征[26]。針對這一點，有學(xué)者認為骨量增加是由于破骨細胞分化障礙導(dǎo)致破骨細胞數(shù)量減少，骨吸收降低所引起的[13]。

2.4Cxs在軟骨、韌帶和肌腱中的生物學(xué)功能研究Cxs在軟骨，韌帶和肌腱中的生物學(xué)功能報道較少，主要是對于機械負荷的調(diào)節(jié)作用。Cx43通道開放能夠介導(dǎo)軟骨，韌帶和肌腱對力的傳導(dǎo)[27]。而在肌腱中，Cx43和Cx32具有相反的生物學(xué)作用[28]，關(guān)于其作用機制及其他方面的功能尚未見報道。

2.5Pannexs對骨組織細胞增殖分化的調(diào)節(jié)作用Panx1 和Panx3表達于成骨細胞中[8]，在成骨細胞分化過程中，其表達是上調(diào)的[29]。當(dāng)用siRNA干擾Panx3表達時，能夠抑制成骨細胞再生。體內(nèi)腺病毒過表達Panx3時，能夠提高小鼠跖骨成骨細胞再生和增加骨長度。Panx3的這種生物學(xué)功能不僅僅是通過介導(dǎo)細胞間或細胞與外界環(huán)境的信息交流發(fā)揮的，還能對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣通道發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Panx1在成骨細胞中的生物學(xué)作用及Panx1和 Panx3在破骨細胞中的角色，目前還未進行研究。

3　細胞縫隙連接與骨相關(guān)疾病的關(guān)系

Cxs表達與骨發(fā)育異常相關(guān)。Cx43基因突變能夠引起眼齒指發(fā)育不良癥(ODDD)[30]、顱骨干骺端發(fā)育不良癥[31]。G60S-Cx43小鼠，除了具有骨量降低的表型外，還表現(xiàn)出進行性骨髓減少[32]、脂肪細胞增多的癥狀[24]。

在多種骨腫瘤疾病中，Cxs的表達也不盡一致。在濕疹樣癌，異常成骨細胞高表達Cx43[16]，而在骨巨細胞瘤、骨尤文肉瘤中，Cx43表達明顯下調(diào)，其下調(diào)程度與預(yù)后呈正相關(guān)[33]，這些均表明Cx43對于正常骨代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用。

Cxs參與多種疾病的發(fā)生，不僅與Cxs自身表達及涉及通路相關(guān)，還與疾病狀態(tài)及發(fā)病的細胞微環(huán)境相關(guān)，然而其具體發(fā)病機制目前尚未有深入研究。

4　總結(jié)與展望

Cx43在成骨細胞和破骨細胞分化、細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、骨量獲取及維持機械負荷中的生物學(xué)功能得到了大量研究和證實。Cx43 C末端與生物學(xué)功能的相關(guān)性也得到了初步探討，也有研究揭示了Cx37在骨穩(wěn)態(tài)中的生物學(xué)作用。然而，針對其他Cxs與Panxs在肌肉骨骼系統(tǒng)中的生物學(xué)功能的研究卻相對較少，深入研究Cxs與Panxs對肌肉骨骼系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用的多樣性，不僅能夠為治療相關(guān)疾病提供新靶點，也對提高現(xiàn)有治療藥物的治療效果具有重大意義。

[1]Nielsen MS,Axelsen LN,Sorgen PL,et al.Gap junctions[J].Compr Physiol,2012,2(3):1981-2035.

[2]Brink PR,Valiunas V,Gordon C,et al.Can gap junctions deliver[J].Biochim Biophys Acta,2012,1818(8):2076-2081.

[3]Penuela S,Gehi R,Laird DW.The biochemistry and function of pannexin channels[J].Biochim Biophys Acta,2013,1828(1):15-22.

[4]Stains JP,Civitelli R.Gap junctions in skeletal development and function[J].Biochim Biophys Acta,2005,1719(1-2):69-81.

[5]Paic F,Igwe JC,Nori R,et al.Identification of differentially expressed genes between osteoblasts and osteocytes[J].Bone,2009,45(4):682-692.

[6]Mayan MD,Carpintero-Fernandez P,Gago-Fuentes R,et al.Human articular chondrocytes express multiple gap junction proteins:differential expression of connexins in normal and osteoarthritic cartilage[J].Am J Pathol,2013,182(4):1337-1346.

[7]Yamaoka Y,Sawa Y,Ebata N,et al.Cultured periodontal ligament fibroblasts express diverse connexins[J].Tissue Cell,2002,34(6):375-380.

[8]Baranova A,Ivanov D,Petrash N,et al.The mammalian pannexin family is homologous to the invertebrate innexin gap junction proteins[J].Genomics,2004,83(4):706-716.

[9]Ishikawa M,Iwamoto T,Nakamura T,et al.Pannexin 3 functions as an ER Ca(2+) channel,hemichannel,and gap junction to promote osteoblast differentiation[J].J Cell Biol,2011,193(7):1257-1274.

[10]Lecanda F,Warlow PM,Sheikh S,et al.Connexin43 deficiency causes delayed ossification,craniofacial abnormalities,and osteoblast dysfunction[J].J Cell Biol,2000,151(4):931-944.

[11]Zhang Y,Paul EM,Sathyendra V,et al.Enhanced osteoclastic resorption and responsiveness to mechanical load in gap junction deficient bone[J].PLoS One,2011,6(8):e23516.

[12]Gramsch B,Gabriel HD,Wiemann M,et al.Enhancement of connexin 43 expression increases proliferation and differentiation of an osteoblast-like cell line[J].Exp Cell Res,2001,264(2):397-407.

[13]Plotkin LI,Bivi N,Bellido T.A bisphosphonate that does not affect osteoclasts prevents osteoblast and osteocyte apoptosis and the loss of bone strength induced by glucocorticoids in mice[J].Bone,2011,49(1):122-127.

[14]Plotkin LI,Lezcano V,Thostenson J,et al.Connexin 43 is required for the antiapoptotic effect of bisphosphonates on osteocytes and osteoblasts in vivo[J].J Bone Miner Res,2008,23(11):1712-1721.

[15]Chung D,Castro CH,Watkins M,et al.Low peak bone mass and attenuated anabolic response to parathyroid hormone in mice with an osteoblast-specific deletion of connexin43[J].J Cell Sci,2006,119(Pt 20):4187-4198.

[16]Schilling AF,Filke S,Lange T,et al.Gap junctional communication in human osteoclasts in vitro and in vivo[J].J Cell Mol Med,2008,12(6A):2497-2504.

[17]Pacheco-Costa R,Hassan I,Reginato RD,et al.High bone mass in mice lacking Cx37 due to defective osteoclast differentiation[J].J Biol Chem,2014,289(12):8508-8520.

[18]Sternlieb M,Paul E,Donahue HJ,et al.Ablation of connexin 43 in osteoclasts leads to decreased in vivo osteoclastogenesis[J].J Bone Miner Res,2012,27(Suppl 1):S53.

[19]Xu H,Gu S,Riquelme MA,et al.Connexin 43 channels are essential for normal bone structure and osteocyte viability[J].J Bone Miner Res,2015,30(3):550-562.

[20]Plotkin LI,Bellido T.Beyond gap junctions:connexin43 and bone cell signaling[J].Bone,2013,52(1):157-166.

[21]Flenniken AM,Osborne LR,Anderson N,et al.A Gja1 missense mutation in a mouse model of oculodentodigital dysplasia[J].Development,2005,132(19):4375-4386.

[22]Niger C,Buo AM,Hebert C,et al.ERK acts in parallel to PKC delta to mediate the connexin43-dependent potentiation of runx2 activity by FGF2 in MC3T3 osteoblasts[J].Am J Physiol Cell Physiol,2012,302(7):C1035-C1044.

[23]Bivi N,Pacheco-Costa R,Brun LR,et al.Absence of Cx43 selectively from osteocytes enhances responsiveness to mechanical force in mice[J].J Orthop Res,2013,31(7):1075-1081.

[24]Grimston SK,Watkins MP,Brodt MD,et al.Enhanced periosteal and endocortical responses to axial tibial compression loading in conditional connexin43 deficient mice[J].PLoS One,2012,7(9):e44222.

[25]Plotkin LI,Speacht TL,Donahue HJ.Cx43 and mechanotransduction in bone[J].Curr Osteoporos Rep,2015,13(2):67-72.

[26]Yamada Y,Ando F,Shimokata H.Association of candidate gene polymorphisms with bone mineral density in community-dwelling Japanese women and men[J].Int J Mol Med,2007,19(5):791-801.

[27]Garcia M,Knight MM.Cyclic loading opens hemichannels to release ATP as part of a chondrocyte mechanotransduction pathway[J].J Orthop Res,2010,28(4):510-515.

[28]Waggett AD,Benjamin M,Ralphs JR.Connexin 32 and 43 gap junctions differentially modulate tenocyte response to cyclic mechanical load[J].Eur J Cell Biol,2006,85(11):1145-1154.

[29]Bond SR,Lau A,Penuela S,et al.Pannexin 3 is a novel target for Runx2,expressed by osteoblasts and mature growth plate chondrocytes[J].J Bone Miner Res,2011,26(12):2911-2922.

[30]Laird DW.Syndromic and non-syndromic disease-linked Cx43 mutations[J].FEBS Lett,2014,588(8):1339-1348.

[31]Hu Y,Chen IP,de AS,et al.A novel autosomal recessive GJA1 missense mutation linked to?craniometaphysealdysplasia[J].PLoS One,2013,8(8):e73576.

[32]Gonzalez-Nieto D,Li L,Kohler A,et al.Connexin-43 in the osteogenic BM niche regulates its cellular composition and the bidirectional traffic of hematopoietic stem cells and progenitors[J].Blood,2012,119(22):5144-5154.

[33]Balla P,Maros ME,Barna G,et al.Prognostic Impact of Reduced Connexin43 Expression and Gap Junction Coupling of Neoplastic Stromal Cells in Giant Cell Tumor of Bone[J].PloS One,2015,10(5):e0125316.

(本文編輯王艷)

新疆維吾爾自治區(qū)科技支撐計劃項目(201233150)

黃衛(wèi)民(1967-)，男，副教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：脊髓損傷與骨質(zhì)疏松。

陶亮，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：細胞縫隙連接與疾病，E-mail:taol@mail.sysu.edu.cn。

R329.2

A

1009-5551(2016)11-1474-04

10.3969/j.issn.1009-5551.2016.11.032

2016-02-23]