景中坤 吳曉 馬文彬
成都中醫(yī)藥大學(xué),四川 成都 610075
生物體的生命活動(dòng)受到生物鐘的調(diào)控,包括睡眠-覺(jué)醒周期、體溫、心率、血壓、激素水平和認(rèn)知的變化等。哺乳動(dòng)物生物鐘的中樞起搏器位于下丘腦視交叉上核,外周的器官、組織、細(xì)胞的生物鐘同步于中樞生物鐘節(jié)律。生物鐘的形成需要鐘基因的參與。首先,Bmal1(brain and muscle ARNT-like-1,Bmal1)基因與Clock基因形成異二聚體,與周期基因(Period,per1-3)和隱花色素基因(Cryptochrome,cry1-2)啟動(dòng)子的E-box結(jié)合,驅(qū)動(dòng)PERs和CRYs基因的表達(dá),同時(shí)形成PER/CRY蛋白復(fù)合物。PER/CRY蛋白復(fù)合物先聚集在細(xì)胞質(zhì)中,隨后磷酸化遷移到細(xì)胞核中,抑制Clock-Bmal1的活性,關(guān)閉PER/CRY轉(zhuǎn)錄。這個(gè)反饋環(huán)路由核受體Rev-Erbα通過(guò)抑制Bmal1的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)[1]。當(dāng)細(xì)胞核中的PER/CRY復(fù)合物降解后,PER/CRY蛋白復(fù)合物對(duì)Clock-Bmal1的抑制消除,開(kāi)始新的晝夜循環(huán)。
迄今人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)10多種核心生物鐘基因,主要包括Bmal1、Clock、PERs、CRYs、Csnk1、Rev-erbα、RORγt等以及轉(zhuǎn)錄翻譯后的產(chǎn)物。外界光、攝食等信號(hào)輸入中樞節(jié)律起搏器后,通過(guò)生物鐘基因轉(zhuǎn)錄、翻譯,然后與輸出系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的負(fù)反饋節(jié)律通路。Bmal1和Clock是生物鐘的主要正向調(diào)控元件,Cry1、Cry2、Per1和Per2則是主要的負(fù)向調(diào)控元件。
生物鐘基因參與了細(xì)胞生長(zhǎng)、能量代謝、免疫調(diào)節(jié)、腫瘤形成等眾多的生理過(guò)程,生物鐘基因異常會(huì)直接導(dǎo)致生命體晝夜節(jié)律紊亂,還會(huì)使心血管疾病、代謝性疾病、免疫系統(tǒng)疾病和腫瘤等疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增大。
人體骨骼是一個(gè)不斷更新的動(dòng)態(tài)過(guò)程,成年人每年約有10%的骨骼會(huì)發(fā)生骨重塑,以維持骨骼的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。骨吸收和骨形成的動(dòng)態(tài)平衡在骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)和破骨細(xì)胞(osteoclasts,OC)介導(dǎo)了這一過(guò)程。
OC起源于單核-巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的多核巨細(xì)胞。核因子-κB受體活化因子配體(receptor or activator of NF-κB ligand,RANKL)是OC的分化成熟的重要因子。OB、軟骨細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞等均表達(dá)RANKL。在腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子-6存在時(shí),RANKL與其受體核因子κB受體活化因子(nuclear factor κB receptor activator,RANK)結(jié)合并激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factorkappa B,NF-κB),上調(diào)c-fos基因、活化 T 細(xì)胞核因子c(activation of T cell nuclear factor c,NFATc)活性,促進(jìn)OC分化。RANKL活性同樣受到骨保護(hù)素(osteoporogeterin,OPG)調(diào)控,OB和基質(zhì)細(xì)胞分泌的OPG可作為誘餌受體通過(guò)結(jié)合RANKL而阻止RANKL與RANK結(jié)合,在體外阻斷OC分化成熟。所以,OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)是調(diào)節(jié)骨代謝的重要反應(yīng)器。
許多細(xì)胞因子能對(duì)OC的活性產(chǎn)生作用,如白介素-1(Interleukin 1,IL-1)、白介素-6(Interleukin-6,IL-6)、白介素-17(Interleukin-17,IL-17)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、1,25二羥基維生素D3[1,25 dihydroxyvitamin D3,1,25(OH)2D3]、RANKL等誘導(dǎo)OC分化;白介素-4(Interleukin-,IL-4)、白介素-10(Interleukin-10,IL-10)、干擾素-γ(Interferon-γ,IFN-γ)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)、OPG等對(duì)OC的活性產(chǎn)生負(fù)向調(diào)控;IL-6和TGF-β因OC分化的階段產(chǎn)生不同影響。不同的基因、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等通過(guò)NF-κB、BMP/Smads、Wnt/β-catenin及OPG/RANKL/RANK等信號(hào)通路對(duì)骨代謝結(jié)局產(chǎn)生不同影響。
免疫與骨代謝關(guān)系復(fù)雜多樣,為了從細(xì)胞分子水平研究?jī)烧叩南嗷プ饔煤蜋C(jī)制,誕生了骨免疫學(xué)。骨細(xì)胞和免疫細(xì)胞均從骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)分化而來(lái),巨噬細(xì)胞、髓樣樹突細(xì)胞與OC共同來(lái)源于髓系前體細(xì)胞,OB、血液細(xì)胞和免疫細(xì)胞均來(lái)源于骨髓中的造血干細(xì)胞。
生理?xiàng)l件下,T細(xì)胞通過(guò)CD40配體與CD40結(jié)合可促進(jìn)B細(xì)胞產(chǎn)生OPG,骨髓中45%的OPG來(lái)源于成熟B細(xì)胞。B細(xì)胞可直接參與OC的生成,也可通過(guò)RANKL介導(dǎo)OC分化[2]。B細(xì)胞敲除的小鼠出現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥和骨髓OPG缺陷,T細(xì)胞缺陷的老鼠同樣如此,導(dǎo)致骨吸收增強(qiáng)[3]。但活化的T細(xì)胞和B細(xì)胞分泌促進(jìn)OC的生成因子,包括促進(jìn)骨丟失的RANKL、IL-17 A和TNF-α等炎癥因子,骨吸收作用增強(qiáng)。T細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子中,RANKL、TNF-α、IL-6等促進(jìn)骨吸收,TGF-β、IL-4、IL-10和IFN-γ等阻礙骨吸收。T細(xì)胞活化后激活RANKL/RANK信號(hào)通路,對(duì)骨吸收產(chǎn)生正向調(diào)控。源自CD4+T細(xì)胞中的TNF-α、RANKL可誘導(dǎo)OC的形成增加,TNF-α是炎癥中產(chǎn)生OC最有效的因子之一,在存在正常水平的RANKL的情況下,TNF-α直接刺激巨噬細(xì)胞和OC的分化[4]。
IL-6被認(rèn)為是炎癥反應(yīng)中生物效應(yīng)的放大因子,是RANKL表達(dá)的受體激活劑?;ぜ?xì)胞產(chǎn)生的IL-6可以作為RANKL表達(dá)的受體激活劑,激活粘附分子,將白細(xì)胞募集到骨關(guān)節(jié)處,破壞細(xì)胞外基質(zhì)。RANKL可以使基質(zhì)金屬蛋白酶9、組織蛋白酶K、酒石酸鹽酸性磷酸酶、碳酸酐酶II對(duì)IL-1產(chǎn)生反應(yīng),共同上調(diào)NFATc1的表達(dá),誘導(dǎo)滑膜細(xì)胞增殖和OC分化[5]。研究表明[6],TNF/IL-6復(fù)合物可以通過(guò)IL-6R、NFATc1、DNAX活化蛋白12和細(xì)胞增殖途徑,誘導(dǎo)OC在RANK敲除小鼠的骨髓和滑膜培養(yǎng)物中產(chǎn)生。同時(shí),IL-6、白血病抑制因子、制瘤素M在炎癥性關(guān)節(jié)炎的滑膜中表達(dá)增加。說(shuō)明TNF與IL-6類細(xì)胞因子可以通過(guò)非RANKL依賴性途徑誘導(dǎo)的OC產(chǎn)生,導(dǎo)致骨破壞。Wnt信號(hào)與成骨密切相關(guān),IL-6與TNF-α可以一起抑制滑膜細(xì)胞和OB中Wnt信號(hào)的激活。而shRNA介導(dǎo)的IL-6基因敲除的小鼠可以在炎癥環(huán)境中促進(jìn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白異源二聚體的表達(dá),誘導(dǎo)OB的發(fā)生[7]。用重組小鼠IL-6和IL-6R處理骨樣細(xì)胞MLO-Y4并與OC前體細(xì)胞共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)IL-6和IL-6受體在骨樣細(xì)胞MLO-Y4的mRNA和蛋白水平上增強(qiáng)了RANKL的表達(dá)和RANKL/OPG表達(dá)比。但使用JAK2抑制劑后發(fā)現(xiàn)OC分化能力下降。這表明IL-6也可通過(guò)激活JAK2和RANKL介導(dǎo)OC分化[8]。
對(duì)比健康人群與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)患者發(fā)現(xiàn)[9],RA患者更容易發(fā)生骨質(zhì)疏松,這與RA患者體內(nèi)的免疫細(xì)胞因子水平升高相關(guān)。同時(shí),RA患者的I型膠原羧基端交聯(lián)肽(C-terminaltelopeptides collagen,CTX)水平升高,Ⅰ型前膠原N端前肽(N-terminal propeptide of type 1precollagen,P1NP)水平降低,這也增加了骨質(zhì)疏松發(fā)生的幾率。
骨組織具有自己的生物鐘,受到Bmal1、Clock、PERs等時(shí)鐘基因的調(diào)控。將離體小鼠的軟骨細(xì)胞置于三維海綿上培養(yǎng)后,通過(guò)分析胞漿、胞核和細(xì)胞骨架的12 000多種基因的微點(diǎn)陣,均能發(fā)現(xiàn)節(jié)律鐘基因Clock、Per1和Per2在軟骨細(xì)胞上的表達(dá),并呈現(xiàn)明顯的節(jié)律性[10]。在3~9周齡小鼠的股骨中發(fā)現(xiàn)[11],Per2基因轉(zhuǎn)錄的節(jié)律明顯,并且對(duì)由于外界影響導(dǎo)致的節(jié)律紊亂具有可逆性,表明在骨組織具有相對(duì)穩(wěn)定的生物鐘。將小鼠進(jìn)行光暗周期處理,從松質(zhì)骨提取mRNA并分析OC相關(guān)基因和時(shí)鐘基因,OC相關(guān)基因顯示出與時(shí)鐘基因Per1、Per2和Bmal1同步的節(jié)律性。研究表明[12],OC上Bmal1基因和酪氨酸激酶家族相互作用進(jìn)而與NFATc1啟動(dòng)子結(jié)合控制骨吸收。時(shí)鐘基因Bmall的功能蛋白與NFATc1啟動(dòng)子上的E-box結(jié)合,上調(diào)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的活性,使NFATc去磷酸化,激活CN/NFATc信號(hào)通路。
許多骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物在血漿或尿液中表現(xiàn)出晝夜變化。研究通過(guò)每間隔2 h測(cè)量10名健康男性血清中的硬骨素、CTX和P1NP,CTX存在明顯的晝夜節(jié)律,并且在5:30達(dá)到峰值[13]。研究人員通過(guò)對(duì)志愿者進(jìn)行3周的睡眠限制,對(duì)比了20~27歲的年輕人與55~65歲的老年人之間4種骨生物標(biāo)志物,包括CTX、P1NP、硬骨素和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子23。發(fā)現(xiàn)年輕人P1NP的下降幅度比老年人更大,骨形成減少但骨吸收不變,表明晝夜節(jié)律紊亂可能在成年早期對(duì)骨代謝影響更大[14]。
時(shí)鐘基因功能異常會(huì)影響骨量。研究發(fā)現(xiàn)Per2基因突變和Cry2基因敲除的小鼠在12周齡時(shí)骨量顯著增加,骨轉(zhuǎn)換率增高。并且Cry2和Per2通過(guò)不同的途徑調(diào)節(jié)骨體積,Cry2主要影響OC,而Per2作用于OB[15]。從妊娠4.5 d的Per2轉(zhuǎn)基因大鼠分離子宮內(nèi)膜間質(zhì)細(xì)胞,Per2-dLuc生物發(fā)光活性顯著下降。用Bmal1特異性siRNA轉(zhuǎn)染的子宮內(nèi)膜間質(zhì)細(xì)胞發(fā)現(xiàn),Rev-erbα表達(dá)下調(diào),骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)中BMP2、BMP4和BMP6上調(diào),其中Rev-erbα在BMPs基因轉(zhuǎn)錄沉默中起重要作用。表明BMPs基因通過(guò)生物鐘基因的衰減而上調(diào),有利于向軟骨組織和骨組織分化[16]。
研究者通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序在小鼠椎間盤中發(fā)現(xiàn)607個(gè)基因的表達(dá)在生理狀態(tài)中具有節(jié)律性。敲除Bmal1的小鼠表現(xiàn)出與年齡正相關(guān)的椎間盤退變,說(shuō)明了生物鐘基因的破壞可能會(huì)影響椎間盤生理病理[17]。隨著機(jī)體的衰老,老化的BMSCs會(huì)減弱向骨細(xì)胞分化增殖的能力,導(dǎo)致骨骼衰老。當(dāng)Rev-erbα過(guò)表達(dá)時(shí),會(huì)促使BMSCs提前衰老,細(xì)胞增殖能力下降,進(jìn)而導(dǎo)致骨形成減少,表明Rev-erbα與機(jī)體衰老有一定關(guān)系[18]。在Bmal1過(guò)表達(dá)的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中,Bmal1蛋白水平與BMSCs增殖活性之間呈正相關(guān)。這可能是由于Bmal1的過(guò)表達(dá)激活了經(jīng)典Wnt途徑中β-catenin因子,使其表達(dá)增加[19]。另外,研究者通過(guò)敲低Clock和Per2兩個(gè)主要時(shí)鐘基因,觀察到BMSCs分化成脂肪細(xì)胞的能力受到顯著抑制,而OB分化能力沒(méi)有改變[20]。
1,25(OH)2D3對(duì)OC和OB形成均有調(diào)節(jié)作用。在Bmal1缺陷型骨細(xì)胞中,1,25(OH)2D3可以誘導(dǎo)RANKL的活性增強(qiáng),導(dǎo)致骨破壞,而Bmal1/Clock的過(guò)表達(dá)則可以在OB中抑制這種情況[21]。Clock基因作為重要的節(jié)律調(diào)控基因,也可以控制1,25(OH)2D3的受體——蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶A3的轉(zhuǎn)錄,調(diào)節(jié)骨的形成。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶A3也被證明是一種鐘控基因,受上游節(jié)律鐘基因的控制。而Clock基因突變導(dǎo)致小鼠細(xì)胞凋亡增加,骨密度明顯降低[22]。
生理狀態(tài)下,免疫系統(tǒng)具有晝夜節(jié)律,免疫功能一定程度上受到生物鐘基因的調(diào)控。巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞、肥大細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞等細(xì)胞的晝夜節(jié)律受時(shí)鐘基因的調(diào)節(jié),并且TNF-α、IL-6、IL-13、IFN-γ等細(xì)胞因子分泌的節(jié)律同樣受到生物鐘基因的調(diào)控。在健康人的CD4+T細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘基因E4bp4、Per2、Per3、Rev-erbα和Rorα的mRNA表達(dá),在時(shí)鐘基因的刺激下,IL-2、IL-4和IFN-γ的表達(dá)具有穩(wěn)定的節(jié)律性[23]。
IL-17是連接T細(xì)胞活化和OC的Th細(xì)胞亞群,主要由輔助性T細(xì)胞17(T help cell 17, Th17)產(chǎn)生。在野生小鼠小腸固有層中發(fā)現(xiàn),Th17細(xì)胞的節(jié)律受到Clock基因的調(diào)節(jié)[24]。時(shí)鐘基因E4bp4參與了Th17細(xì)胞的發(fā)育。E4bp4通過(guò)與RORγt結(jié)合會(huì)抑制Th17細(xì)胞的發(fā)育,但E4bp4可以通過(guò)Rev-erbα將Th17細(xì)胞發(fā)育與生物鐘網(wǎng)絡(luò)相連接[25-26]。
Cry1過(guò)度表達(dá)則抑制晝夜節(jié)律紊亂導(dǎo)致的血管炎癥,這與NF-κB信號(hào)通路和cAMP/PKA途徑激活有關(guān)[27]。時(shí)鐘基因Cry1和Cry2的缺失會(huì)引起蛋白激酶A活化,介導(dǎo)p65磷酸化,誘導(dǎo)NF-κB活化和IL-6、TNF-α的表達(dá)[28]。
Rev-erbα是具有改變時(shí)鐘功能的核激素受體之一,主要參與脂質(zhì)代謝、脂肪形成和炎癥反應(yīng)。Rev-erbα可在炎癥狀態(tài)下直接抑制Ccl2啟動(dòng)子中的Rev-erbα結(jié)合區(qū)域,抑制Ccl2下游的MAPK/ERK和p38MAPK信號(hào)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的炎癥浸潤(rùn),Rev-erbα缺損的小鼠巨噬細(xì)胞中Ccl2表達(dá)增加證實(shí)了Rev-erbα的作用[29]。
脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)能夠刺激TNF-α、IL-2和IFN-γ等細(xì)胞因子的表達(dá),導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明[30],Per2是NK細(xì)胞節(jié)律功能的重要調(diào)節(jié)因子。用LPS攻擊Per2缺陷小鼠,與野生型小鼠相比,Per2缺陷小鼠血清中促炎細(xì)胞因子IFN-γ和IL-1β的水平明顯降低,而TNF-α、IL-6和IL-10大致正常。肝癌骨質(zhì)疏松發(fā)病率明顯升高,且發(fā)病率隨肝功能損害的逐漸加重而逐漸升高。在Per2突變的肝癌小鼠模型上發(fā)現(xiàn)[31],肝臟IL-6蛋白濃度的失常,肝臟增殖基因包括c-Myc、Wee1、Ccnb1和K-ras mRNA的表達(dá)失調(diào),同時(shí)炎癥反應(yīng)增強(qiáng)。在RA缺氧的關(guān)節(jié)腔內(nèi),Clock可誘導(dǎo)血管氧化損傷、炎癥反應(yīng)和骨質(zhì)破壞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這是通過(guò)上調(diào)IL-1β、IL-6、TNF-α、細(xì)胞間粘附分子1的表達(dá)水平,隨后激活NF-κB信號(hào),對(duì)OC產(chǎn)生調(diào)控,導(dǎo)致骨吸收增強(qiáng)[32]。
免疫反應(yīng)也能通過(guò)影響生物鐘基因?qū)谴x產(chǎn)生影響。成纖維樣滑膜細(xì)胞(fibroblast-like synoviocytes,F(xiàn)LS)是人類和動(dòng)物RA模型中的炎癥介質(zhì)之一。在炎癥環(huán)境中FLSs被激活,導(dǎo)致其表觀遺傳修飾,侵襲性增強(qiáng),釋放多種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子,破壞軟骨和骨[33]。在RA小鼠模型上發(fā)現(xiàn)[34],黑暗條件下兩個(gè)負(fù)性調(diào)控的時(shí)鐘基因CRY1和CRY2抑制了FLSs介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。在RA和骨關(guān)節(jié)炎患者身上發(fā)現(xiàn)[35],炎癥刺激擾亂了FLSs的節(jié)律,并且在生物鐘重置之后IL-6和IL-1β分泌的晝夜節(jié)律破壞,而ARNTL2和NPAS2似乎是炎癥條件下受影響最大的時(shí)鐘基因。其中,TNF-α能直接干擾FLSs的時(shí)鐘基因表達(dá)[36]。表明炎癥狀態(tài)使時(shí)鐘基因功能障礙,影響正常的生物節(jié)律。在RA滑膜細(xì)胞中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),TNF-α還增強(qiáng)Bmal1和Cry1的mRNA表達(dá),但不影響Clock、Per1和Cry2的表達(dá)[37]。另外,TNF-α在滑膜成纖維細(xì)胞中以NF-κB依賴性方式在mRNA和蛋白質(zhì)水平上刺激鐘控基因DEC2的表達(dá)[38]。但在鈣信號(hào)存在時(shí),TNF-α與TNFR1相互作用導(dǎo)致Dbp表達(dá)快速下調(diào),時(shí)鐘基因Per1、Cry1上調(diào),同時(shí)使分化型胚胎軟骨發(fā)育基因1表達(dá)增強(qiáng),有利于向軟骨細(xì)胞分化[39]。
研究顯示,TNF和IL-1β可以抑制Per1-3、Cry1-2、PAR-bZip等多種時(shí)鐘基因以及鐘控基因的表達(dá)[40]。這是由于TNF導(dǎo)致Twist1的過(guò)表達(dá)與CLOCK競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合PERs和Dbp的E-box,導(dǎo)致時(shí)鐘基因轉(zhuǎn)錄受阻[41]。在衰老小鼠OA模型中,Per2轉(zhuǎn)錄的晝夜節(jié)律性在軟骨組織中顯著降低[42]。除了年齡的影響,還由于炎癥狀態(tài)下,IL-1β消除Cry1轉(zhuǎn)錄和Per2轉(zhuǎn)錄表達(dá)的晝夜節(jié)律,而NF-κB信號(hào)通過(guò)干擾Clock/Bmal1復(fù)合物的功能參與了這一過(guò)程[43]。
免疫系統(tǒng)與骨骼系統(tǒng)有復(fù)雜的關(guān)系,免疫系統(tǒng)對(duì)骨代謝結(jié)局有雙向作用,細(xì)胞因子的種類起著關(guān)鍵作用。生物鐘基因既能調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)的生物節(jié)律,也可以直接對(duì)骨免疫產(chǎn)生影響,還可以通過(guò)骨免疫相關(guān)的細(xì)胞因子對(duì)骨量產(chǎn)生不同作用。免疫反應(yīng)也能抑制或增強(qiáng)生物鐘基因的功能,從而影響骨代謝。但由于生物鐘基因眾多,目前的研究對(duì)生物鐘基因的功能尚不能完全解釋。同時(shí),骨免疫過(guò)程生理機(jī)制復(fù)雜多變,免疫系統(tǒng)的細(xì)胞因子與骨細(xì)胞的關(guān)系需更多研究闡明,生物鐘基因如何影響骨免疫來(lái)調(diào)節(jié)骨細(xì)胞功能的機(jī)制需深入研究。