lncRNA對骨質(zhì)疏松骨代謝相關(guān)信號通路影響的研究進(jìn)展

馬智勇 郭成龍

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730020

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是由于骨生長與骨吸收之間代謝平衡失調(diào)，導(dǎo)致單位結(jié)構(gòu)內(nèi)骨量下降、骨微結(jié)構(gòu)被破壞。在參與骨質(zhì)疏松癥骨代謝失衡的動態(tài)過程中，主要涉及成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等分化與調(diào)節(jié)，同時骨代謝相關(guān)信號通路在此過程中起了重要的調(diào)節(jié)作用。自從2002年Okazaki等[1]首次提出長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs，lncRNA)后，研究者們發(fā)現(xiàn)[2]lncRNA參與了多種生物學(xué)過程，包括lncRNA-DNA、lncRNA-微小RNA(lncRNA-microRNA/miRNA)和lncRNA-蛋白(lncRNA-protein)等。lncRNA很快進(jìn)入了OP的研究領(lǐng)域，不僅研究了lncRNA對參與OP細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)，而且更深入的研究了lncRNA參與調(diào)節(jié)骨代謝相關(guān)信號通路的機(jī)制。本文將從lncRNA與成骨細(xì)胞分化相關(guān)信號通路、與破骨細(xì)胞分化相關(guān)信號通路及與鈣相關(guān)信號通路三個方面對近年來骨質(zhì)疏松癥骨代謝相關(guān)信號通路的調(diào)控進(jìn)行綜述。

1 lncRNA與成骨細(xì)胞分化相關(guān)信號通路

成骨細(xì)胞要經(jīng)過成骨細(xì)胞的增殖、細(xì)胞外基質(zhì)成熟及礦化、成骨細(xì)胞凋亡幾個階段，才能形成骨，在此過程中l(wèi)ncRNA起到了重要的作用，能通過調(diào)節(jié)有關(guān)信號通路進(jìn)而調(diào)控成骨細(xì)胞的形成和成骨細(xì)胞形成骨，其中Wnt/β信號通路、PI3K-Akt信號通路、BMPs/TGF-β信號通路、Notch信號通路及Hedgehog信號通路等備受關(guān)注。

1.1 lncRNA調(diào)節(jié)Wnt/β信號通路

β-catenin是經(jīng)典的Wnt信號通路中調(diào)節(jié)成骨分化的最關(guān)鍵因子，Wnt/β信號能調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化、增殖及功能發(fā)揮，其不僅直接影響多功能干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，而且在脂肪細(xì)胞及前脂肪細(xì)胞定向分化為成骨細(xì)胞的過程中起關(guān)鍵作用。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSc)是具有向成骨細(xì)胞分化功能的多功能潛能干細(xì)胞，lncRNA p21對BMMSc的影響中顯示[3]，沉默lncRNA p21后通過調(diào)節(jié)Wnt/β信號通路能促進(jìn)BMMSc分泌血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子、胰島素樣生長因子和β-catenin蛋白表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)BMMSc向成骨細(xì)胞的分化。Chen等[4]研究表明在成骨細(xì)胞中l(wèi)ncRNA TUG1通過Wnt/β信號通路能促進(jìn)β-catenin、Caspase-3、Bax、MMP3的表達(dá)，抑制Bcl-2和蛋白多糖的表達(dá)，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞細(xì)胞凋亡和衰老，促進(jìn)細(xì)胞增殖。此外，lncRNA作為一種競爭性內(nèi)源性RNA，與miRNA相互競爭而抑制或促進(jìn)其靶基因FoxO1的表達(dá)，F(xiàn)oxO1基因能影響Wnt信號通路而調(diào)節(jié)骨形成過程中的關(guān)鍵因子β-catenin的表達(dá)[5]。lncRNA通過調(diào)節(jié)Wnt/β信號通路對成骨細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)是復(fù)雜、綜合的過程。

1.2 lncRNA調(diào)節(jié)PI3K-Akt信號通路

PI3K-Akt信號通路存在于多種細(xì)胞系中，是細(xì)胞存活的主要途徑，其調(diào)控的靶蛋白是骨形成和骨重建的基礎(chǔ)。PI3K-Akt信號通路激活后能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，而減弱其活性后能促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化[6]。MALAT1是第一個發(fā)現(xiàn)與癌癥相關(guān)的lncRNA，涉及多種骨腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。Dong等[7]研究表明在骨腫瘤細(xì)胞中，敲除MALAT1后抑制成骨細(xì)胞內(nèi)增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)、基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP-9)、PI3K p85α和Akt表達(dá)，從而減弱了成骨細(xì)胞的增殖。

1.3 lncRNA調(diào)節(jié)Notch信號通路

Notch信號通路能夠監(jiān)控成骨細(xì)胞的基質(zhì)沉淀活動，保持機(jī)體骨代謝的平衡，Notch信號激活后能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，進(jìn)而增加骨量。研究顯示lncRNA能調(diào)節(jié)Notch信號通路促使間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)向成骨細(xì)胞分化，其可能機(jī)制是lncRNA-AK096529/003ups/AK056311通過下調(diào)Smurfl基因的表達(dá)，而減緩Rimx2的降解，以促進(jìn)MSCs向成骨細(xì)胞分化[8,9]。lncRNA在許多生理和病理過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。Liao 等[10]研究lncRNA H19通過BMP9調(diào)控BMMSc成骨分化過程中顯示，在BMP9刺激BMMSc的早期階段lncRNA H19表達(dá)顯著上調(diào)，隨后又迅速下降并逐漸恢復(fù)到基礎(chǔ)水平，這與BMP9誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)相關(guān)，此過程中無論是lncRNA H19表達(dá)或沉默，都導(dǎo)致一組預(yù)測的miR的靶向Notch配體和受體的表達(dá)增加，最終使BMP9誘導(dǎo)BMMSc在體內(nèi)外向成骨細(xì)胞分化，這是通過有效地激活Notch信號通路實(shí)現(xiàn)的。

1.4 lncRNA調(diào)節(jié)Hedgehog信號通路

Hedgehog信號通路不僅能作用于轉(zhuǎn)錄因子Runx2、Osx、β-catenin等促進(jìn)MSCs向成骨細(xì)胞分化，而且能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖。Chan等[11]研究Hedgehog信號在骨肉瘤發(fā)生發(fā)展中的作用時，制備了細(xì)胞內(nèi)有上調(diào)的Hedgehog信號通路成骨細(xì)胞，從而導(dǎo)致成骨細(xì)胞過度成骨性生長，研究結(jié)果顯示，lncRNA H19的異常表達(dá)能誘導(dǎo)上調(diào)Hedgehog信號通路與Yes相關(guān)蛋白1(yes-associated protein 1，YAP1)的表達(dá)，使成骨細(xì)胞過度異常增殖。

1.5 lncRNA調(diào)節(jié)BMPs/TGF-β信號通路

BMPs是TGF-β超家族中的一員，有多種亞型。BMPs/TGF-β信號通路可通過經(jīng)典的Smad通路與非經(jīng)典的P38通路調(diào)控BMMSc內(nèi)Runx2基因的表達(dá)[12]，進(jìn)而調(diào)控BMMSc向成骨細(xì)胞分化，同時還能調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化和功能，在骨質(zhì)疏松骨代謝平衡中發(fā)揮重要作用。Wei等[13]研究顯示lncRNA HOTAIR通過BMPs/TGF-β信號通路調(diào)節(jié)miR-17-5p及其靶基因Smad7而調(diào)節(jié)成骨分化和增殖。Xu等[14]研究lncRNA HIF1α-1在成骨細(xì)胞分化及其靶向調(diào)節(jié)Sirtuin1(SIRT1)蛋白時發(fā)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)機(jī)制是激活了BMMSc內(nèi)的BMPs/TGF-β通路而干擾SIRT1的表達(dá)。lncRNA HIF1α-AS1下調(diào)后則SIRT1蛋白過表達(dá)。進(jìn)一步研究顯示lncRNA HIF1α-AS1下調(diào)HOXD10而干擾組蛋白乙?；?，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化的抑制，表明HIF1α-AS1是成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子，有望成為治療骨質(zhì)疏松癥的基因治療劑。lncRNAs正在成為轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的重要調(diào)控因子，在人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSC)向成骨細(xì)胞分化中起著不可或缺的作用，但是其作用和功能仍需進(jìn)一步研究。有研究認(rèn)為[15]，新型通路H1/miR-675/TGF-β/Smad3/HDAC能調(diào)控hMSCs向成骨細(xì)胞分化，這可以作為提高體內(nèi)骨形成潛在的治療骨質(zhì)疏松癥的目標(biāo)。

2 lncRNA與破骨細(xì)胞分化相關(guān)信號通路

在骨質(zhì)疏松發(fā)生的骨代謝過程中，破骨細(xì)胞是僅有的具有溶解骨組織功能的細(xì)胞，在骨代謝平衡中發(fā)揮著重要作用[16]，破骨細(xì)胞在形成、增殖、分化、成熟以及凋亡過程中受多種信號通路的影響，越來越多的研究顯示lncRNA對此類信號通路的調(diào)控作用意義重大，并且這種調(diào)控機(jī)制是復(fù)雜、綜合、全面的過程，目前l(fā)ncRNA調(diào)控信號通路對破骨細(xì)胞影響機(jī)制的報道較少，但也有部分報道，如RANK/RANKL/OPG通路、MAPK通路、PPAR-γ通路等。

2.1 lncRNA調(diào)節(jié)RANK/RANKL/OPG信號通路

RANK/RANKL/OPG信號通路調(diào)控破骨細(xì)胞的增殖、分化、成熟及凋亡，該系統(tǒng)激活后可延緩破骨細(xì)胞的凋亡，通過復(fù)雜的機(jī)制后促骨基質(zhì)的吸收，導(dǎo)致OP的發(fā)生。Che等[17]研究RANK/RANKL/OPG信號調(diào)節(jié)人成骨細(xì)胞株hFOB 1.19 時發(fā)現(xiàn)，在骨代謝失衡的病理狀態(tài)下lncRNA MALAT1調(diào)RANK/RANKL/OPG通路，使骨模型中破骨細(xì)胞活化和重塑破骨細(xì)胞活性。

2.2 lncRNA調(diào)節(jié)MAPK信號通路

MAPK信號通路是普遍存在于真核生物細(xì)胞內(nèi)介導(dǎo)細(xì)胞反應(yīng)的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，其主要包括ERK1/2通路、JNK通路、P38通路和ERK5通路。在骨質(zhì)疏松癥骨代謝失衡過程中，活化的MAPK信號通路能促進(jìn)破骨細(xì)胞的增殖和分化。在骨組織中成骨細(xì)胞分泌的RANKL作用于未分化破骨細(xì)胞的RANK而激活MAPK信號通路，最終誘導(dǎo)其分化為破骨細(xì)胞。BMMSc分化是由細(xì)胞外環(huán)境中的機(jī)械刺激和分子信號精確調(diào)控的，其涉及轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控的復(fù)雜通路。Zhang等[18]研究BMMSc分化為成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞過程中l(wèi)ncRNA的表達(dá)譜和功能時發(fā)現(xiàn)，lncRNA xr-111050通過調(diào)控MAPK信號通路調(diào)節(jié)BMMSc分化為成骨或破骨細(xì)胞，結(jié)果顯示BMMSc可成為骨損傷后骨再生和修復(fù)的最有希望的細(xì)胞類型。

2.3 lncRNA調(diào)節(jié)PPARγ信號通路

PPARγ可通過自身通路及Wnt/β通路、NK-κB等通路的交互作用對骨代謝發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，通過復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制不僅影響B(tài)MMSc向不同細(xì)胞系分化，而且其激活后還能加快成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞的凋亡和促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，導(dǎo)致骨代謝平衡紊亂而引發(fā)骨質(zhì)疏松。Tong等[19]研究顯示循環(huán)中的lncRNAs和單核細(xì)胞等直接參與破骨細(xì)胞的分化，如lncRNA DANCR誘導(dǎo)血液循環(huán)中的單核細(xì)胞表達(dá)白細(xì)胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)，而促進(jìn)了女性絕經(jīng)后低骨密度(BMD)并伴有骨吸收。Hao等[20]在研究去卵巢小鼠下頜骨骨質(zhì)疏松癥相關(guān)lncRNA表達(dá)譜時發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞過度表達(dá)的lncRNA-mmu-16032-PI428960544 和lncRNA-mmu-6597-PI428990136調(diào)節(jié)PPARγ和胰島素信號通路降低了雌性小鼠的骨量和加速的骨丟失， PPARγ通路抑制后通過促進(jìn)破骨細(xì)胞生成加速下頜骨骨丟失。lncRNA以及其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與雌激素缺乏引起的骨質(zhì)疏松相關(guān)，在治療OP時lncRNAs潛在的治療和生物標(biāo)志物的功能已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注，并且PPARγ通路拮抗劑可改變BMMSc分化方向(抑制成脂分化而促進(jìn)成骨分化)，且通過抑制破骨細(xì)胞形成而達(dá)到治療OP的目的。

3 lncRNA與鈣相關(guān)信號通路

鈣離子可通過激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)、鈣調(diào)蛋白激酶 Ⅱ(CaMKⅡ)和環(huán)單磷酸腺苷(cAMP)等多種鈣依賴蛋白參與骨形成。鈣離子與鈣調(diào)蛋白(CaM)結(jié)合后激活CaMKⅡ，可通過CaMKⅡ-NF-ATc信號通路促進(jìn)成骨過程[21]。lncRNA通過調(diào)節(jié)與鈣相關(guān)信號而參與調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、運(yùn)動、凋亡等各個生理病理過程。陳娟等[22]研究lncRNA在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥腎陰虛證中的表達(dá)特征及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析顯示，經(jīng)過比較骨質(zhì)疏松腎陰虛證有8個共同差異表達(dá)lncRNA參與鈣離子代謝信號等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控。Hadji 等[23]研究了lncRNA H19基因DNA甲基化能通過沉默Notch1信號而促進(jìn)鈣化性主動脈瓣礦化，其機(jī)制是在主動脈瓣成骨活性的Notch1的調(diào)控下表達(dá)成骨關(guān)鍵基因如Runx2和BMP2，結(jié)果顯示鈣化性主動脈瓣疾病過程中l(wèi)ncRNA H19基因啟動子甲基化異常與lncRNA H19高表達(dá)相關(guān)，進(jìn)而通過干擾Notch1信號的表達(dá)最終促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性。lncRNA H19基因控制印跡基因網(wǎng)絡(luò)(IGN)中胰島素樣生長因子2(IGF2)的表達(dá)，在胚胎發(fā)育和個體生長過程中有重要作用。Liu 等[24]研究顯示，lncRNA H19基因激活后能調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的多分化(如向骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞分化)，促進(jìn)肌肉骨骼系統(tǒng)再生。

4 展望

既往認(rèn)為,lncRNA幾乎不編碼蛋白質(zhì)且無特殊生物學(xué)功能，被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄中的“噪音”。但到目前為止越來越多的證據(jù)表明，lncRNA在基因表達(dá)如轉(zhuǎn)錄調(diào)控、表觀遺傳修飾及蛋白翻譯后修飾等多種機(jī)制中發(fā)揮重要作用，人們逐漸認(rèn)識到這個基因“富礦”在多種生物學(xué)過程起著關(guān)鍵作用，包括細(xì)胞生長、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和分化等，若它們?nèi)狈t會導(dǎo)致蛋白質(zhì)編碼能力的缺失，失調(diào)的lncRNA與人類疾病密切相關(guān)，包括骨肌疾病、癌癥等。lncRNA對OP發(fā)病的調(diào)控及治療意義重大，其通過信號通路對骨代謝調(diào)控的作用機(jī)制目前仍處于研究階段，隨著研究技術(shù)的發(fā)展和研究方法的深入，lncRNA對骨代謝信號通路的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制將會進(jìn)一步被闡明，其對骨代謝調(diào)控機(jī)制的闡明將使它在治療OP方面發(fā)揮巨大的臨床應(yīng)用潛力。lncRNA作為OP骨代謝生物標(biāo)志物，lncRNA調(diào)控骨代謝相關(guān)信號通路的作用方式及對OP病理變化的影響，可作為今后OP診斷、治療及判斷預(yù)后的新的靶向目標(biāo)。