ERK5 信號通路與骨質(zhì)疏松癥關(guān)聯(lián)性的研究進(jìn)展＊

王 瑛，耿 彬

（1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院放射影像科，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨一科，甘肅 蘭州 730030）

骨質(zhì)疏松癥（Osteoporosis，OP）屬于代謝障礙性全身性骨病，其在老年群體中有較高發(fā)病率，常引發(fā)骨脆性升高并顯著增加骨折風(fēng)險(xiǎn)。OP 的病因主要是成骨細(xì)胞的分化及總量不斷減少而凋亡，最終抑制了骨形成，即成骨細(xì)胞的凋亡在OP 發(fā)生及發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用[1]。骨組織內(nèi)的骨基質(zhì)如果出現(xiàn)小幅度彎曲則會引發(fā)細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生流動，這時(shí)在骨細(xì)胞的表面就生成由液體流動引發(fā)的復(fù)雜生理性反應(yīng)，即流體剪切應(yīng)力（Fluid Shear Stress，F(xiàn)SS），F(xiàn)SS 是機(jī)體維持正常骨量不可或缺的，其通過產(chǎn)生某些生物學(xué)信號通路抑制成骨細(xì)胞凋亡以影響OP 的發(fā)生[2]，其中ERK5 信號通路是目前研究熱點(diǎn)。Ding 等[3]研究結(jié)論提示，在FSS 對成骨細(xì)胞凋亡抑制機(jī)制中ERK5 信號通路被激活，其可抑制成骨細(xì)胞凋亡信號的傳導(dǎo)而發(fā)揮抑制OP 的作用。研究就ERK5 信號通路與OP 之間關(guān)聯(lián)性相關(guān)機(jī)制做一綜述。

1 ERK5 的生物學(xué)功能

ERK5 是于1995 年被Lee 等[4]團(tuán)隊(duì)在人胎盤素c DNA 庫中發(fā)現(xiàn)，屬于MAPK 基因一員，即MAPK7并命名為ERK5 基因，共包含816 個(gè)氨基酸，其中激酶區(qū)域共有MEK5 結(jié)合區(qū)域、MEK5 磷酸化位點(diǎn)和共同對接區(qū)域（CD）3 個(gè)部分，在心臟、胎盤、骨骼肌、腎臟內(nèi)大量表達(dá)；相比其他MAPK 激酶，ERK5羧基端結(jié)構(gòu)巨大，這一特征決定ERK5 可通過自我磷酸化而直接對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)體存在刺激因素時(shí)（如氧化應(yīng)激、機(jī)械刺激、高滲環(huán)境以及各種炎性因子、細(xì)胞因子等）或者某些病理生理?xiàng)l件下（如局部缺血缺氧、FSS 等）ERK5 可被激活。有相關(guān)研究已證實(shí)，ERK5 在維持血管內(nèi)皮細(xì)胞功能、血管再生、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、腫瘤細(xì)胞侵襲及增殖、誘導(dǎo)疼痛等方面均密切相關(guān)[5-7]；且ERK5 在骨質(zhì)的吸收與形成中乃至OP 的發(fā)生中亦發(fā)揮重要作用。

2 ERK5 與FSS 的促成骨細(xì)胞增殖關(guān)系

力學(xué)環(huán)境對骨組織維持正常功能具有極重要影響，臨床實(shí)踐中在適宜應(yīng)力作用下能促使骨折痊愈并防止發(fā)生OP，而機(jī)械應(yīng)變力中的FSS 與骨細(xì)胞有著最為緊密的關(guān)聯(lián)。有研究證實(shí)，MAPK 信號通路能夠被FSS 激活，且參與到FSS 對成骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制中[8]。作為MAPK 信號通路中的一員ERK5 對力學(xué)信號也很敏感，亦能被FSS 激活，Zhang 等[9]研究也證實(shí)FSS 可通過激活ERK5 信號通路而發(fā)揮促成骨細(xì)胞增殖的作用，他們發(fā)現(xiàn)FSS 能使細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)重組而激活FAK 信號通路，最終激活ERK5信號通路。Xia 等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)ERK5 磷酸化受到抑制而引發(fā)成骨細(xì)胞內(nèi)Cyclin D1、AP-1 基因表達(dá)下調(diào)，而降低了成骨細(xì)胞增殖活性，F(xiàn)SS 具備可促進(jìn)MC3T3-E1 細(xì)胞內(nèi)的ERK5 發(fā)生磷酸化，即FSS 通過ERK5 信號通路上調(diào)Cyclin D1、AP-1 基因表達(dá)，共同加入到刺激成骨細(xì)胞增殖的機(jī)制中。另有研究結(jié)果提示，當(dāng)ERK5 信號通路被FSS 激活之后，使骨組織中堿性磷酸酶活性進(jìn)一步升高，同時(shí)促進(jìn)骨橋蛋白、骨鈣素的表達(dá)，后兩者在骨重塑中具有重要的作用[11]。楊全增等[12]研究成骨細(xì)胞增殖相關(guān)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SS 通過激活ERK5 信號通路而誘導(dǎo)環(huán)氧合酶-2 基因表達(dá)，該基因在成骨細(xì)胞信號傳導(dǎo)、骨質(zhì)吸收、骨骼重建等均發(fā)揮重要作用。

3 ERK5 與FSS 的抑制成骨細(xì)胞凋亡關(guān)系

（1）FSS 通過ERK5-Bad-Caspase-3 信號通路抑制成骨細(xì)胞的凋亡。董冰子等[13]研究認(rèn)為，由TNF-α 所誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡可被FSS 所抑制，而在FSS 發(fā)揮抗凋亡機(jī)制中ERK5 信號通路是必須的，ERK5 有很多的下游信號，其中Bad 是其中重要的下游靶分子。FSS、磷酸化的ERK5 所產(chǎn)生的抗細(xì)胞凋亡機(jī)制與Bad 磷酸化關(guān)聯(lián)密切，加載FSS之后明顯增加ERK5 的磷酸化，進(jìn)一步刺激Bad 被磷酸化而發(fā)揮抑制成骨細(xì)胞凋亡（由TNF-α 誘導(dǎo)）的作用；但當(dāng)ERK5 活性被抑制以后，Bad 磷酸化程度隨之被減弱，反而促使了成骨細(xì)胞出現(xiàn)凋亡（由TNF-α 誘導(dǎo)）[14]。Ma 等[15]報(bào)道證實(shí)FSS 經(jīng)過促使ERK5 磷酸化而繼續(xù)促使Bad 磷酸化，接下來就啟動了成骨細(xì)胞內(nèi)線粒體的抑制凋亡途徑，該途徑又抑制Caspase-3 活性，最終完成抗成骨細(xì)胞凋亡的效應(yīng)。

（2）FSS 通過ERK5-AKT-FoxO3a-FasL/Bim 信號通路抑制成骨細(xì)胞凋亡。Ye 等[16]研究證實(shí)，在FSS 的刺激下，能連續(xù)激活MEKK2/3、MEK5、ERK5信號通路，在ERK5 激活后可被轉(zhuǎn)移細(xì)胞核之內(nèi)，繼續(xù)激活A(yù)KT、FoxO3a，使其磷酸化，F(xiàn)oxO3a 在被磷酸化后就在細(xì)胞漿內(nèi)處于隔離狀態(tài)，進(jìn)而降低其下游的前凋亡相關(guān)蛋白（如FasL、Bim）的表達(dá)水平，最終因降低了Caspase-3 水平而誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡效應(yīng)下降?？梢奆SS 在激活ERK5 磷酸化后增加AKT、FoxO3a 活性，如AKT、FoxO3a 信號通路被ERK5 阻斷則能抵消掉FSS 的抗成骨細(xì)胞凋亡效應(yīng)。

4 ERK5 在OP 中作用

在維持骨組織量中ERK5 活性是否必須，Min 等[17]進(jìn)行研究加以證實(shí)，通過對ERK5 抑制劑(XMD8-92)的檢測驗(yàn)證ERK5 與OP 之間的聯(lián)系，結(jié)果提示在ERK5 磷酸化被XMD8-92 抑制后發(fā)現(xiàn)就一個(gè)輕度OP 的發(fā)生，同時(shí)在ERK5 失活后能明顯加速形成。耿彬等[18]動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，實(shí)驗(yàn)小鼠股骨的成骨細(xì)胞內(nèi)ERK5 信號通路被XMD8-92 抑制后，小鼠骨組織量明顯下降同時(shí)地塞米松誘導(dǎo)的OP 也明顯加快。究其原因是XMD8-92 顯著影響小鼠經(jīng)地塞米松干預(yù)后骨組織內(nèi)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞膜受體配體與骨保素間的比例，使破骨細(xì)胞前體細(xì)胞膜受體配體/骨保素比值升高，由此激發(fā)破骨細(xì)胞功能病使得骨吸收顯著加快，而最終導(dǎo)致OP 發(fā)生。另外XMD8-92 還能通過抑制ERK5 磷酸化而上調(diào)FasL表達(dá)水平、下調(diào)Cyclin B1、CDK1 表達(dá)水平，而促使成骨細(xì)胞發(fā)生凋亡；同時(shí)XMD8-92 和/或地塞米松干預(yù)后顯著提高小鼠骨組織中脂肪細(xì)胞含量，而成骨細(xì)胞的分化則顯著降低；這些機(jī)制綜合作用降低小鼠骨細(xì)胞量最終導(dǎo)致OP 發(fā)生及發(fā)展。

5 小結(jié)

ERK5 信號通路在OP 發(fā)生及發(fā)展中發(fā)揮極其重要的作用，尤其在成骨細(xì)胞的增殖、凋亡機(jī)制中更是不可或缺。ERK5 信號通路參與了成骨細(xì)胞增殖機(jī)制，如ERK5-Cyclin B1-CDK1 信號通路受到抑制則降低成骨細(xì)胞的增殖活性，能促進(jìn)OP 發(fā)生；ERK5 信號通路也參與了成骨細(xì)胞凋亡機(jī)制，如ERK5-Bad-Caspase-3 信號通路及ERK5-AKTFoxO3a-FasL/Bim 信號通路被抑制后則能顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡，就加重OP 發(fā)展。