轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β在骨代謝中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

王凱 宋敏，2* 文皓楠 黃凱 張亞彬

1．甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

2．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)是以骨代謝紊亂、骨微結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹饕卣?，具有?qiáng)烈遺傳影響性的多因素疾病［1］。隨著全球老齡化的加劇，OP的發(fā)病率呈逐年升高趨勢(shì)，后期并發(fā)重要部位的脆性骨折極易致殘、致死［2］，是嚴(yán)重危害中老年人健康的世界性難題。骨骼的健康依賴(lài)于完整的結(jié)構(gòu)和充足的骨量，骨吸收與骨形成之間嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機(jī)制是維持骨組織微環(huán)境穩(wěn)定的重要保證。骨代謝是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞主導(dǎo)的，多種細(xì)胞因子共同參與的生理過(guò)程，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β在骨代謝過(guò)程中對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞具有雙重調(diào)節(jié)作用［3－4］，在維持骨吸收與骨形成的平衡狀態(tài)中具有重要意義。本文就轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β對(duì)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的作用機(jī)制作一綜述，以期拓寬防治OP的思路。

1 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β的結(jié)構(gòu)與分型

轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β(transformation growth factorβ，TGF－β)是1981 年 Roberts等［4］在誘導(dǎo)大鼠成纖維細(xì)胞增殖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并分離的多肽蛋白，是一類(lèi)具有保守二聚體結(jié)構(gòu)的多效能細(xì)胞因子超家族［5］，具有廣泛而復(fù)雜的生物學(xué)活性。隨著研究的不斷深入，對(duì)該龐大家族群的認(rèn)識(shí)也日趨完善，目前已知至少有40多種相關(guān)蛋白，TGF－β與骨形態(tài)形成蛋白是其主要的組成成員，在細(xì)胞分化遷移與增殖凋亡的調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［6］。人體內(nèi)的大部分細(xì)胞、組織都可以分泌TGF－β，但在骨組織中成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞均可分泌TGF－β［7］，骨組織局部微環(huán)境為T(mén)GF－β的生成提供了最為適宜的場(chǎng)所。因此，骨組織內(nèi)TGF－β的濃度是其他組織的100倍，是TGF－β主要的儲(chǔ)存庫(kù)。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β是結(jié)構(gòu)相同或相似、相對(duì)分子質(zhì)量為12500的兩個(gè)單體通過(guò)二硫鍵結(jié)合形成的二聚體多肽，前體蛋白是不具有生物活性的大分子復(fù)合物，當(dāng)機(jī)體溫度或內(nèi)環(huán)境酸堿度發(fā)生改變時(shí)可被直接激活［8］轉(zhuǎn)變成具有功能活性的同源二聚體，在骨重建過(guò)程中刺激骨形成，從而發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。目前 TGF－β 已知的亞型有 6種，TGF－β1、TGF－β2及TGF－β3是哺乳動(dòng)物特有的3個(gè)亞型，由于3種亞型64%～82%的氨基酸序列相同而高度同源，同源區(qū)是由8個(gè)半胱氨酸形成的氨基酸簇，所以結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，羧基端序列不同造成了各亞型之間作用機(jī)制的不同［9］。

1.1 TGF－β1

TGF－β1是TGF－β多功能超家族中最為重要的成員［10］，主要在內(nèi)皮細(xì)胞和結(jié)締組織中表達(dá)，其表達(dá)時(shí)間較TGF－β2和TGF－β3最長(zhǎng)，對(duì)骨質(zhì)再建及骨基再生過(guò)程的調(diào)控意義重大。TGF－β1還能有效地刺激膠原纖維和其他細(xì)胞外因子的生成與積聚，促進(jìn)多種器官纖維化，尤其在肝臟組織中，TGF－β1能誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞借助上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化為成纖維細(xì)胞，以加速肝纖維化的進(jìn)程［11］。研究表明，TGF－β1還具免疫調(diào)節(jié)的功能［12］，且作用范圍較廣。

1.2 TGF－β2

TGF－β2屬于成骨細(xì)胞趨化因子，主要在分化成熟的上皮細(xì)胞中表達(dá)，能通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成調(diào)節(jié)骨基質(zhì)形成，具有誘導(dǎo)成骨的潛力［13］。TGF－β2在直接刺激骨祖細(xì)胞增殖的同時(shí)，在ERK/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活化過(guò)程中［14］也具有誘導(dǎo)作用，間接促進(jìn)骨祖細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化，與骨組織的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。TGF－β2還具有促炎性細(xì)胞因子的功能，能在機(jī)體氧化應(yīng)激狀態(tài)下迅速作出應(yīng)答［15］，發(fā)揮自身免疫調(diào)節(jié)作用，使機(jī)體盡快適應(yīng)內(nèi)環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)的改變。

1.3 TGF－β3

TGF－β3主要來(lái)源于骨質(zhì)，成骨細(xì)胞及關(guān)節(jié)軟骨也是TGF－β3的生成場(chǎng)所，最初生成的TGF－β3不具有任何活性貯存在基質(zhì)中，在機(jī)體創(chuàng)傷愈合過(guò)程中由于體內(nèi)酸堿環(huán)境發(fā)生改變時(shí)被相應(yīng)的蛋白激酶激活，從而在后期可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖［16］，促進(jìn)骨質(zhì)的形成和成熟。TGF－β3與TGF－β1及β2在結(jié)構(gòu)序列上相似，均是由110～140個(gè)氨基酸殘基多肽鏈構(gòu)成的二聚體，相對(duì)分子質(zhì)量為25 000，但TGF－β3與骨形態(tài)蛋白聯(lián)合后在誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化時(shí)的雙向調(diào)控作用更加持久。TGF－β3在骨生長(zhǎng)代謝過(guò)程中通過(guò)形成積極的反饋機(jī)制來(lái)調(diào)控骨改建，對(duì)來(lái)源于間充質(zhì)的細(xì)胞也可產(chǎn)生一定的作用，尤其對(duì)前軟骨干細(xì)胞的增殖及基質(zhì)蛋白的鈣化具有顯著的正向調(diào)節(jié)作用［17］。

2 TGF－β與成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSCs)分化而來(lái)，在骨代謝過(guò)程負(fù)責(zé)骨形成的同時(shí)，還能主導(dǎo)破骨細(xì)胞的生成及活性，這與骨吸收和骨形成之間的脫偶聯(lián)機(jī)制［18］有關(guān)。TGF－β對(duì)成骨細(xì)胞的作用機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，最基本的模式是成骨細(xì)胞合成并分泌大量的TGF－β，然后與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合后又作用于自身［19］，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成，影響成骨細(xì)胞的增殖分化。TGF－β還可作用于成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞，即骨髓中成骨細(xì)胞祖細(xì)胞，當(dāng)機(jī)體TGF－β水平減低或人為進(jìn)行TGF－β抗體干預(yù)后，成骨細(xì)胞前體細(xì)胞的增殖活力明顯受到抑制，導(dǎo)致成骨細(xì)胞數(shù)量減少。

2.1 TGF－β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

Smad蛋白介導(dǎo)的TGF－β/Smad信號(hào)通路主要是通過(guò)配受體結(jié)合的方式發(fā)揮作用，TGF－β受體(TβR)與其他信號(hào)受體所介導(dǎo)的跨核膜轉(zhuǎn)運(yùn)有所不同，TGF－β 必須同時(shí)與 TβR－I和 TβR－II兩種受體結(jié)合后才能啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。TGF－β選擇性地與成骨細(xì)胞膜上的Ser/thr激肽酶II型受體相結(jié)合，使配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的改變，并磷酸化TβR－I形成TβR－I－配體－TβR－II三聚體復(fù)合物［20］。TβR－III不含激酶活性區(qū)，不能直接參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，但在受體復(fù)合物形成過(guò)程中具有重要的調(diào)節(jié)作用。攜帶信號(hào)傳遞信息的三聚體受體復(fù)合物通過(guò)細(xì)胞膜后，使受體調(diào)節(jié)型Smad(R－Smad)被TβR－I磷酸化［21］，緊接著共同通路型Smads(Co－Smads)與其特異性結(jié)合形成復(fù)合物異位進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)。細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)反應(yīng)主要是在Smad蛋白富含脯氨酸(Pro)的高度保守結(jié)構(gòu)區(qū)域MH1(Mad homology domain－1)內(nèi)進(jìn)行，發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)與DNA上的SBE直接結(jié)合，導(dǎo)致特定靶基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖、分化及I型膠原蛋白的合成［22］，從而促進(jìn)骨的形成。

2.2 TGF－β誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬

自噬(autophagy)是細(xì)胞通過(guò)形成自噬體的方式對(duì)自身蛋白或受到損害的細(xì)胞器進(jìn)行分解再利用，既可以清除細(xì)胞內(nèi)的異常組分，又可以實(shí)現(xiàn)自身營(yíng)養(yǎng)的供給，是細(xì)胞在應(yīng)激狀態(tài)下維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的一種適應(yīng)性機(jī)制和正常生理代謝過(guò)程［23］。自噬對(duì)與骨代謝相關(guān)的細(xì)胞具有重要作用，在退變過(guò)程中自噬可以協(xié)助清除骨細(xì)胞內(nèi)損害的成分，把衰老對(duì)骨細(xì)胞產(chǎn)生的不良影響［24］降到最低。骨重建過(guò)程中，成骨細(xì)胞自噬活性的降低會(huì)直接對(duì)骨形成產(chǎn)生負(fù)面影響，造成骨骼質(zhì)量下降、骨質(zhì)疏松的發(fā)生。究其原因，活躍的自噬行為在基質(zhì)處于低氧微環(huán)境時(shí)可以為細(xì)胞創(chuàng)造“自給自足”式的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，為細(xì)胞器的加速更新［25］提供能量，同時(shí)還可以豐富胞漿中的肌動(dòng)蛋白，在成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過(guò)程中起到促進(jìn)作用。自噬的活化受到嚴(yán)格的基因調(diào)控［26］，其發(fā)生主要依賴(lài)I型微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule－associated protein 1 light chain 3，LC3)向II型LC3的轉(zhuǎn)換。研究表明，TGF－β能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的自噬活性，使其轉(zhuǎn)錄生成更多的 LC3 m RNA，進(jìn)一步翻譯為相關(guān)蛋白［27］，而且在一定時(shí)間段內(nèi)LC3 m RNA表達(dá)水平與TGF－β的作用時(shí)長(zhǎng)呈正相關(guān)，TGF－β能通過(guò)調(diào)控與自噬有關(guān)的基因促進(jìn)成骨細(xì)胞的增長(zhǎng)。

2.3 TGF－β對(duì)雌激素受體的作用

雌激素是人體重要的內(nèi)源性激素，通過(guò)對(duì)人體多系統(tǒng)的調(diào)控作用來(lái)維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育與生殖繁衍。在OP的發(fā)病機(jī)制中，雌激素水平的降低可直接導(dǎo)致骨轉(zhuǎn)換失衡、骨代謝微環(huán)境紊亂以及骨量減少。雌激素對(duì)骨代謝的調(diào)節(jié)主要是借助于雌激素受體(estrogen receptor，ER)［28］結(jié)合后對(duì)相關(guān)細(xì)胞因子產(chǎn)生作用，使相應(yīng)的信號(hào)通路受到刺激，產(chǎn)生一系列的生物效應(yīng)。目前已知的ERα和ERβ亞型，均屬于核受體超家族，基因序列具有高度的同源性，成骨細(xì)胞以及它的前體細(xì)胞都可以表達(dá)ERα和ERβ，ERα是雌激素在骨組織中的主要作用受體，而ERβ在ERα功能缺陷或異常時(shí)能起到部分替代作用［29］。ERα和ERβ的活性及數(shù)量受雌激素分泌水平高低的影響，隨著年齡的增長(zhǎng)或女性絕經(jīng)后，ERα和ERβ的表達(dá)水平明顯降低，導(dǎo)致老年性骨質(zhì)疏松和絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生。雌激素與成骨細(xì)胞內(nèi)的ERα及ERβ受體結(jié)合后刺激成骨細(xì)胞釋放生物活性因子并分泌膠原酶，通過(guò)提高Ⅰ型膠原mRNA在成骨細(xì)胞中的表達(dá)水平［30］促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化，增強(qiáng)其成骨能力，優(yōu)化骨組織重建。這一過(guò)程涉及復(fù)雜的信號(hào)通路，同時(shí)也需要相關(guān)細(xì)胞因子(如TGFβ、Wnt、BMP 等)的參與。研究表明 TGF－β 能夠誘導(dǎo)激活促使ER發(fā)生磷酸化的活化激酶，從而提高雌激素受體的表達(dá)水平，并對(duì)TGF－β的作用濃度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)依賴(lài)性［31］。

3 TGF－β與破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)來(lái)源于造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cell，HSC)，成熟的破骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)與單核巨噬細(xì)胞類(lèi)似［32］，直徑在100 μm以上，屬于巨大的多核細(xì)胞，主要位于哈弗斯系統(tǒng)內(nèi)骨膜的內(nèi)表面。破骨細(xì)胞是人體唯一能夠溶解骨組織的細(xì)胞，骨吸收的作用能啟動(dòng)舊骨基質(zhì)的清除和新骨的重塑，使骨重塑周期保持穩(wěn)態(tài)化。骨質(zhì)疏松的發(fā)生［33］是破骨細(xì)胞活性異常、功能太過(guò)活躍造成的不良結(jié)果，骨吸收能力強(qiáng)于骨形成，最終導(dǎo)致骨量流失、骨質(zhì)量下降。因此，抑制破骨細(xì)胞的活化與增殖是治療骨質(zhì)疏松的重要手段，研究表明TGF－β可抑制破骨細(xì)胞的形成和分化，還能誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的程序性死亡［34］。

3.1 TGF－β與OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)

OPG/RANKL/RANK能在破骨細(xì)胞的分化成熟過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，是維持骨代謝平衡的重要信號(hào)傳導(dǎo)通路。核因子 κB受體活化因子配體(receptor activator of NF－кB ligand，RANKL)能與破骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞前體細(xì)胞表面的RANK相結(jié)合，激活的RANK通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子NF－κB將信號(hào)呈遞并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)，刺激 c－Fos的表達(dá)增強(qiáng)［35］，c－Fos與活化的T細(xì)胞核因子結(jié)合后調(diào)控與破骨細(xì)胞生成相關(guān)的特異性基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化，最終生成具有增強(qiáng)骨吸收活性的成熟破骨細(xì)胞并抑制其凋亡。骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)屬于腫瘤壞死因子受體超家族的重要成員，在和破骨細(xì)胞膜表面的RANK結(jié)合時(shí)，與RANKL屬于一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，且結(jié)合能力強(qiáng)于RANKL［36］，從而有效地阻止RANKL與RANK結(jié)合，明顯阻斷能夠引起破骨細(xì)胞鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的信號(hào)傳遞，抑制破骨細(xì)胞的形成，在破骨細(xì)胞的增殖分化、成熟過(guò)程中起到負(fù)性調(diào)節(jié)作用。OPG/RANKL/RANK信號(hào)系統(tǒng)在促進(jìn)骨吸收的同時(shí)，骨髓基質(zhì)及成骨細(xì)胞分泌一定量的OPG使OPG/RANK比例保持在適當(dāng)水平［37］，以防止骨吸收過(guò)度。與骨代謝相關(guān)的大部分細(xì)胞因子都參與OPG/RANKL/RANK信號(hào)軸的調(diào)控，TGF－β可以上調(diào)成骨細(xì)胞表達(dá)OPG的水平，大量表達(dá)的OPG與RANKL競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合后拮抗RANK的作用，能有效地抑制破骨細(xì)胞的分化成熟。研究發(fā)現(xiàn)，在TGF－β高濃度環(huán)境中，OC分化受到抑制;低濃度的TGF－β可以提高巨噬細(xì)胞集落刺激因子水平和RANKL/OPG比例［38］，對(duì)破骨細(xì)胞的分化具有促進(jìn)作用。

3.2 TGF－β在免疫應(yīng)答中的作用

免疫系統(tǒng)中T淋巴細(xì)胞也與破骨細(xì)胞的增殖分化密切相關(guān)，Th1和Th2細(xì)胞均屬于CD4+T細(xì)胞的亞群，能通過(guò)分泌IFN－γ和IL－4的方式抑制破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向成熟破骨細(xì)胞的發(fā)育，在骨質(zhì)吸收的調(diào)控過(guò)程中影響破骨細(xì)胞的活性，減少骨質(zhì)的吸收。Th17細(xì)胞在破骨細(xì)胞的成熟和骨質(zhì)吸收過(guò)程中具有雙重調(diào)節(jié)作用［39］，TGF－β是誘導(dǎo)Th17細(xì)胞形成的關(guān)鍵細(xì)胞因子［40］，高濃度的TGF－β通過(guò)與IL－6和IL－21聯(lián)合使IL－23受體表達(dá)的上調(diào)來(lái)促進(jìn)Th17細(xì)胞的生成。體內(nèi)激素水平降低，可直接影響TGF－β的生成，TGF－β分泌減少導(dǎo)致對(duì)T細(xì)胞的抑制作用減弱［41］，尤其在女性絕經(jīng)期前后，機(jī)體內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂，T細(xì)胞功能活躍通過(guò)連鎖反應(yīng)的調(diào)節(jié)方式影響骨質(zhì)疏松的發(fā)生。在免疫微環(huán)境中，TGF－β作用的發(fā)揮與細(xì)胞表面分子的表達(dá)及其他因子分泌的不同而有所差異，如TGF－β可直接抑制Th1和Th2，導(dǎo)致IFN－γ和TNF－α等細(xì)胞因子生成減少，對(duì)破骨細(xì)胞的抑制作用減弱;也可誘導(dǎo)Th17細(xì)胞的分化，增強(qiáng)免疫應(yīng)答，使破骨細(xì)胞的活性增加，加快骨質(zhì)的吸收。如何將TGF－β在免疫調(diào)節(jié)中的具體作用轉(zhuǎn)化成治療骨質(zhì)疏松的有效手段是今后研究的重心。

4 結(jié)語(yǔ)

成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞共同維持著骨吸收與骨形成之間的平衡，骨代謝紊亂造成骨量的過(guò)度丟失是骨質(zhì)疏松發(fā)生的主要原因。TGF－β作為具有廣泛生物活性的蛋白多肽，是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間不可或缺的偶聯(lián)調(diào)節(jié)因子，TGF－β通過(guò)自分泌或旁分泌的方式，不僅能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的增殖分化，促進(jìn)骨的形成，還能加快破骨細(xì)胞的凋亡，抑制骨的吸收。國(guó)內(nèi)外大量的研究表明TGF－β對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞具有雙重調(diào)節(jié)作用，其作用機(jī)制與TGF－β濃度的不同而一直倍受爭(zhēng)議，目前仍未徹底闡明。因此，在TGF－β參與骨代謝的確切機(jī)理方面還需要做深入的研究，才能為探索以TGF－β為靶點(diǎn)防治OP提供有力的理論依據(jù)。