Rab蛋白與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系淺析

尹雨晴 張潔 陳燕

1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)護(hù)理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208 2.湖南省中醫(yī)藥研究院附屬醫(yī)院，湖南 長(zhǎng)沙 410006

骨質(zhì)疏松癥 (osteoporosis，OP) 作為一種常見(jiàn)的代謝性骨病[1]，主要由多因素導(dǎo)致骨量減少及對(duì)骨微結(jié)構(gòu)的破壞，表現(xiàn)為骨脆性增加，發(fā)病人群以絕經(jīng)后婦女及老年人最為多見(jiàn)。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，生活條件及醫(yī)療衛(wèi)生水平日益改善，加速了人口老齡化的進(jìn)程，呈現(xiàn)出骨質(zhì)疏松的發(fā)生率逐年上升。因而，人們對(duì)骨質(zhì)疏松癥的關(guān)注度越來(lái)越高，世界衛(wèi)生組織(WHO)將其列為三大老年病之一[2]。

基于此現(xiàn)狀，Rab蛋白作為細(xì)胞間信息傳遞的重要媒介，因其在骨質(zhì)疏松癥發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中所扮演的角色而備受關(guān)注。Rab蛋白，作為Ras超家族中的一員，是一種小G蛋白，目前發(fā)現(xiàn)已有70余種，它們主要位于亞細(xì)胞器中，對(duì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)起著尤為重要的作用。它們通過(guò)在GTP和GDP結(jié)合狀態(tài)作為分子開(kāi)關(guān)，當(dāng)與GTP結(jié)合時(shí)“開(kāi)”，當(dāng)與GDP結(jié)合時(shí)“關(guān)”。Rab蛋白被認(rèn)為是細(xì)胞器標(biāo)記，每個(gè)Rab蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)牟煌h(huán)節(jié)，Rab蛋白調(diào)節(jié)囊泡運(yùn)輸和外泌體形成與定向轉(zhuǎn)運(yùn)，由此得以發(fā)揮其生物學(xué)功能[3]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨再生的種子細(xì)胞，在發(fā)揮正常骨代謝功能中扮演著重要角色，其成骨分化功能的缺陷是骨質(zhì)疏松發(fā)生的重要原因。BMSCs除了能直接分化成骨外，其旁分泌物質(zhì)(白細(xì)胞介素6、胰島素樣生長(zhǎng)因子1、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等)也能大大促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、遷徙、分化和礦化的能力，尤其是BMSCs分泌的外泌體(exosome,Exo)具有攜帶源細(xì)胞生物信息如蛋白質(zhì)、小分子RNA、Rab蛋白等定向運(yùn)輸?shù)桨袠?biāo)發(fā)揮生物學(xué)功能。由此可知，BMSCs可通過(guò)分泌外泌體調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖、遷徙、分化和礦化，其生物學(xué)效能的發(fā)揮與其分泌的外泌體中攜帶的Rab蛋白密切相關(guān)。因此，本文就 Rab 蛋白與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制

骨質(zhì)疏松癥大致可分為原發(fā)性(絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥和老年型骨質(zhì)疏松癥)、繼發(fā)性和特發(fā)性三大類。引發(fā)各類骨質(zhì)疏松的骨丟失病因繁雜，并且骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制沒(méi)有被系統(tǒng)地報(bào)道過(guò)，但任何原因所致的峰值(BMI)下降，骨吸收增加和形成不足都可以引起骨量降低和骨脆性增加，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。研究表明，激素調(diào)控(尤其是雌激素)[4-5]、相關(guān)細(xì)胞因子[如 TGF-13、白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子(TNF)等]的影響[1]、年齡[6]、運(yùn)動(dòng)[7-8]等因素都與骨質(zhì)疏松的發(fā)生密切相關(guān)。其中，雌激素對(duì)骨質(zhì)疏松癥的產(chǎn)生與發(fā)展尤為重要，雌激素通過(guò)ER介導(dǎo)刺激成骨細(xì)胞增值、分化，抑制破骨細(xì)胞活性，從而調(diào)控骨再建周期中骨形成和骨吸收的平衡。有報(bào)道[9]指出，人骨組織上ER的數(shù)量在一定程度上決定了是否發(fā)生骨質(zhì)疏松及發(fā)病的嚴(yán)重程度。同時(shí)，也有學(xué)者[10-11]提出氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)和炎癥是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)的重要發(fā)病機(jī)制，其結(jié)論的得出主要是由于相關(guān)的叉頭框蛋白Fox O轉(zhuǎn)錄因子、Nox(NADPH氧化酶)、白介素-17等出現(xiàn)相應(yīng)變化。

2 Rab蛋白與骨質(zhì)疏松關(guān)系研究

2.1 Rab蛋白

Rab蛋白是小GTP酶屬Ras超家族，每一個(gè)Rab蛋白都特異地分布在控制細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸?shù)牟煌瑏喖?xì)胞的膜結(jié)構(gòu)上，并發(fā)揮著獨(dú)特的調(diào)控作用。真核細(xì)胞中廣泛存在著一類分子量為20～27 kDa之間的小分子Rab蛋白，依賴GTP激活的一類小GTP酶。所有Rab蛋白的共同的生物效應(yīng)機(jī)制就是GTP分子開(kāi)關(guān)，這些 GTPases 在與GDP結(jié)合時(shí)，處于失活狀態(tài)，當(dāng)與GTP結(jié)合時(shí)處于激活狀態(tài)，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由特定的調(diào)節(jié)因子完成。其參與細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸，可以到達(dá)指定的效應(yīng)位點(diǎn)，這和Rab蛋白準(zhǔn)確、精細(xì)的靶向運(yùn)輸密切相關(guān)，調(diào)控胞外分泌，包括外泌體的釋放，定向作用于靶細(xì)胞，由此以發(fā)揮其生物學(xué)作用[12]，但目前對(duì)于Rab蛋白如何精準(zhǔn)到達(dá)指定位點(diǎn)的相關(guān)機(jī)制尚不明確。另外，Rab 蛋白的異常表達(dá)與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。例如，Rab1a與舌癌細(xì)胞[13]，Rab5a、Rab7與甲狀腺腺癌細(xì)胞[14]，Rab25與前列腺癌、膀胱移行上皮細(xì)胞癌、侵襲性乳腺腫瘤細(xì)胞以及卵巢上皮細(xì)胞[15-19]，均有相關(guān)研究證實(shí)以上Rab蛋白亞型對(duì)相應(yīng)腫瘤細(xì)胞的增殖、分化及其轉(zhuǎn)移能力影響較大，在對(duì)應(yīng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中有不可忽視的作用。

2.2 Rab蛋白與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系的研究進(jìn)展

談及骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生與防治，不可忽視的是BMSCs對(duì)于成骨分化的作用。BMSCs是具有多向分化潛能的間質(zhì)干細(xì)胞，源于中胚層間充質(zhì)，主要分布在全身結(jié)締組織及器官間質(zhì)中，尤以骨髓組織中含量最為豐富， 具有向骨原性干細(xì)胞分化的潛能，進(jìn)而分化形成軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞，以完成骨的構(gòu)建過(guò)程[20]。研究[21]表明，當(dāng)BMSCs數(shù)量逐漸減少時(shí)，成骨細(xì)胞減少，骨組織不斷丟失、骨含量減少，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥，這與BMSCs分泌的外泌體可攜帶源細(xì)胞生物信息(如Rab蛋白、小分子RNA等)并且能定向運(yùn)輸?shù)桨袠?biāo)以發(fā)揮其生物學(xué)功能的能力下降有著密切聯(lián)系。而從另一方面看，有研究指出[22]，破骨細(xì)胞的存活依賴于Rab家族GTP酶的活性，并且廣泛用于臨床治療骨質(zhì)疏松癥的雙膦酸鹽藥物是通過(guò)阻止小GTP酶的異戊二烯化作用，抑制破骨細(xì)胞活性，并誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到治療骨質(zhì)疏松的目的。然而，并非所有的Rab蛋白都與骨質(zhì)疏松癥存在聯(lián)系，也并非所有Rab蛋白對(duì)骨質(zhì)疏松的影響都是一致的，現(xiàn)主要介紹三個(gè)與BMSCs關(guān)系密切的Rab蛋白，即Rab27a、Rab27b及Rab23。

2.2.1Rab蛋白與成骨細(xì)胞的關(guān)系：Rab27a、Rab27b，此二者同屬Rab27系列，Rab27a在氨基酸水平上與Rab27b有71%的同一性，并且在某些情況下對(duì)Rab27b生物學(xué)功能的發(fā)揮具有補(bǔ)償作用[23-24]。有研究[25-26]報(bào)道，Rab27a和Rab27b在成骨細(xì)胞中表達(dá)并且參與刺激依賴型RANKL從成骨細(xì)胞中的分泌溶酶體中釋放。并且有研究[27]表明，Rab27b介導(dǎo)的抗壞血酸可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞，這對(duì)于涉及骨蛋白分泌和沉積缺陷的疾病有著重要意義。

2.2.2Rab蛋白與破骨細(xì)胞的關(guān)系：Rab蛋白對(duì)破骨細(xì)胞亦有調(diào)節(jié)作用。有研究[28]在MC3T3-E1細(xì)胞(鼠成骨細(xì)胞前體細(xì)胞系)、RAW-D細(xì)胞(鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7的亞克隆，其具有高分化成OCLs的亞克隆)中均測(cè)得Rab27a和Rab27b的mRNA水平，定量時(shí)PCR分析顯示RAW-D細(xì)胞中Rab27a的mRNA水平比MC3TC-E1細(xì)胞中的高4.5倍。而破骨細(xì)胞是由分化的巨噬細(xì)胞形成的多核細(xì)胞，由此可見(jiàn)Rab27a與破骨細(xì)胞關(guān)系更為密切。并且，Rab27a缺陷型破骨細(xì)胞其骨吸收活性明顯受損，由此表明Rab27a在維持破骨細(xì)胞的正常功能具有重要作用。該研究[28]還指出，Rab27a缺陷誘導(dǎo)多核巨細(xì)胞，其中各種破骨細(xì)胞標(biāo)記基因(例如RANK，Ctsk和CTR)的 mRNA水平，與對(duì)照組相比顯著增高。若通過(guò)干擾Rab27a RNA的釋放來(lái)降低OVX小鼠(卵巢切除小鼠)中的循環(huán)外來(lái)體的水平，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中可以觀察到成骨細(xì)胞活性的上調(diào)[29]，但是，其破骨細(xì)胞活性卻隨之增強(qiáng)，并且隨著Rab27a水平降低，破骨細(xì)胞中miR-214水平增加。另外，Rab27a的消耗會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)胞表型異常，對(duì)于破骨細(xì)胞中的調(diào)節(jié)多核和溶酶體相關(guān)細(xì)胞器的細(xì)胞表面受體的正常轉(zhuǎn)運(yùn)，具有調(diào)節(jié)作用[25,28]。

2.2.3Rab蛋白與軟骨細(xì)胞的關(guān)系：軟骨形成是一個(gè)多步驟的復(fù)雜過(guò)程，通過(guò)協(xié)調(diào)控制骨髓間充質(zhì)細(xì)胞促使其分化為由II型膠原(Col2)和其他細(xì)胞外基質(zhì)蛋白表達(dá)所標(biāo)記的成熟軟骨細(xì)胞，而這些成熟的細(xì)胞又可以成為由X型膠原蛋白表達(dá)標(biāo)記的肥大軟骨細(xì)胞。然后，肥大軟骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，在軟骨內(nèi)成骨過(guò)程中留下成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞侵入的支架。有研究[30]表明，軟骨細(xì)胞的分化主要受轉(zhuǎn)錄因子如Sox9控制。有實(shí)驗(yàn)通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄病毒插入對(duì)ATDC5細(xì)胞進(jìn)行誘變，并分離出兩個(gè)不能分化的突變克隆，對(duì)這些克隆進(jìn)行逆向PCR分析揭示逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA被插入Rab23的啟動(dòng)子區(qū)域基因，導(dǎo)致Rab23表達(dá)增加。其研究結(jié)果顯示，Rab23的上調(diào)確實(shí)可以抑制軟骨形成分化，同時(shí)伴隨著基質(zhì)基因如II型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的下調(diào)。另外，Rab23的siRNA表達(dá)降低也會(huì)導(dǎo)致軟骨形成分化受到抑制，以及促使軟骨形成的主要調(diào)節(jié)因子Sox9的下調(diào)。然而，Sox9表達(dá)與Gli1相關(guān)，該研究[31]發(fā)現(xiàn)Rab23表達(dá)的下降也會(huì)使軟骨細(xì)胞中Gli1的表達(dá)降低。由于Rab23被認(rèn)為參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹匾浇閇32-33]，不能排除Sox9的表達(dá)可能需要通過(guò)Rab23這一關(guān)鍵因素的可能性，并Rab23的缺失將是導(dǎo)致Sox9下調(diào)的一個(gè)重要因素。

3 小結(jié)

近年來(lái)，人們對(duì)骨質(zhì)疏松癥防治的關(guān)注度越來(lái)越高，且隨著干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的專家、學(xué)者運(yùn)用間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等移植技術(shù)治療多種疾病。有文獻(xiàn)[34]報(bào)道，通過(guò)移植BMSCs可逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松。由此可見(jiàn)，BMSCs對(duì)成骨分化的重要作用。除此之外，BMSCs旁分泌物質(zhì)也能大大促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、遷徙、分化和礦化的能力，其旁分泌物質(zhì)主要有白細(xì)胞介素6、胰島素樣生長(zhǎng)因子1、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β等；另外，BMSCs分泌的外泌體攜帶的Rab蛋白定向運(yùn)輸?shù)桨悬c(diǎn)精準(zhǔn)發(fā)揮其生物學(xué)作用，對(duì)成骨分化具有重要影響。并且，不同亞型的Rab蛋白其作用亦不相同，Rab27b與成骨細(xì)胞聯(lián)系密切，Rab27a對(duì)破骨細(xì)胞具有獨(dú)特地調(diào)節(jié)作用，而Rab23的表達(dá)則與軟骨細(xì)胞的分化密切相關(guān)。綜上所述，對(duì)Rab蛋白進(jìn)行有針對(duì)性的深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，且Rab蛋白有望成為防治骨質(zhì)疏松癥藥物開(kāi)發(fā)的新靶點(diǎn)。