晚期糖基化終末產(chǎn)物受體及其配體在骨代謝疾病中作用的研究進(jìn)展

劉曉輝(綜述)， 崔 舜(審校)

骨是一種礦化結(jié)締組織，具有四種類型的細(xì)胞：骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。其中成骨細(xì)胞由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來，負(fù)責(zé)新骨形成；破骨細(xì)胞來源于骨髓單核巨噬細(xì)胞，由單核細(xì)胞融合而成，參與骨吸收。在骨代謝過程中，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞通過骨形成和骨吸收來維持骨骼礦化平衡及自身結(jié)構(gòu)的完整[1]。骨形成與骨吸收之間的動態(tài)平衡也是損傷骨更新與修復(fù)的關(guān)鍵，一旦失衡，常導(dǎo)致某些代謝性骨病，如骨質(zhì)疏松癥和炎癥性骨病。

1 晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)及其配體概述

RAGE是免疫球蛋白超家族跨膜蛋白中的一員,它是一種多配體受體，能夠與多種內(nèi)源性、外源性配體結(jié)合,并激活炎癥反應(yīng)[2]。目前發(fā)現(xiàn)可被RAGE識別的配體包括晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)、高遷移率族蛋白B1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)、β-淀粉樣肽(amyloid β，Aβ)、S100鈣粒蛋白家族、補(bǔ)體等[3,4]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)RAGE及其配體在骨骼穩(wěn)態(tài)和疾病進(jìn)展中起重要作用：AGEs、HMGB1、Aβ、S100鈣結(jié)合蛋白家族等均能影響成骨細(xì)胞活性[5]。RAGE在破骨細(xì)胞成熟和分化過程中也具有重要意義，研究[6]發(fā)現(xiàn)RAGE敲除小鼠表現(xiàn)出破骨細(xì)胞功能缺陷，骨吸收活性降低，顯示出骨硬化樣表型。本文綜述了RAGE及其配體在骨代謝進(jìn)程中的最新進(jìn)展，并揭示了它們在骨代謝疾病(如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎)中的發(fā)病機(jī)制，為骨代謝疾病的靶向治療提供新思路。

2 RAGE及其配體影響骨代謝的作用機(jī)制

2.1AGEs對骨代謝的影響 AGEs是蛋白質(zhì)、脂類或核酸的游離氨基與還原糖的羰基之間通過非酶促糖基化反應(yīng)生成的穩(wěn)定共價加成物。AGEs與RAGE結(jié)合，激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路和核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)等信號通路，從而調(diào)控炎癥細(xì)胞因子、生長因子和黏附分子的表達(dá)[7,8]。AGEs與RAGE結(jié)合，負(fù)性調(diào)控成骨細(xì)胞，與多種炎性疾病的骨丟失機(jī)制密切相關(guān)。AGEs可以通過抑制間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移和增殖，間接影響成骨細(xì)胞形成，導(dǎo)致骨小梁的損失[9]。此外，AGEs可以減少骨形成相關(guān)基因(如堿性磷酸酶和骨鈣素)的表達(dá)，并減少骨基質(zhì)蛋白(如膠原蛋白)的合成和分泌，干擾基質(zhì)礦化和成熟骨結(jié)節(jié)形成，從而減弱成骨細(xì)胞活性[10]。AGEs與RAGE相互作用，可以通過以下途徑誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡：一種是激活caspase-3信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]；另一種是通過增加細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，促進(jìn)MAPK磷酸化，觸發(fā)內(nèi)在細(xì)胞凋亡途徑，最終導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡[12]。研究[13]發(fā)現(xiàn)，低劑量AGEs通過誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬，對其增殖有促進(jìn)作用，同時降低破骨細(xì)胞功能；反之，高劑量AGEs則誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡。AGEs對破骨細(xì)胞影響存在較大爭議。研究[14,15]顯示，AGEs在破骨細(xì)胞分化不同階段所發(fā)揮的作用不同。在破骨細(xì)胞前體細(xì)胞融合階段，AGEs顯著降低了骨吸收；在破骨細(xì)胞分化成熟階段，AGEs主要通過增加足小體的數(shù)量從而刺激骨吸收。AGEs還可以通過降低膠原更新和蛋白多糖合成速率，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞合成障礙，降低關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞在損傷后維持軟骨基質(zhì)完整性的能力[16]。此外，細(xì)胞自噬能夠通過下調(diào)金屬蛋白酶減少AGEs對軟骨基質(zhì)的損傷[17]。

2.2HMGB1對骨代謝的影響 HMGB1是一種進(jìn)化上高度保守的染色質(zhì)結(jié)合蛋白，可作為炎癥介質(zhì)在細(xì)胞活化、應(yīng)激、損傷或死亡后釋放到細(xì)胞外引起炎癥反應(yīng)。HMGB1能驅(qū)動成骨細(xì)胞遷移，并促進(jìn)骨折部位的血管形成，也可以刺激軟骨內(nèi)骨形成[18]。體外研究[19]發(fā)現(xiàn)，HMGB1可以激活MAPK通路上重要的信號分子P38和ERK，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌各種細(xì)胞因子，以刺激成骨分化。對于破骨細(xì)胞，HMGB1直接作用于骨髓單核巨噬細(xì)胞(破骨細(xì)胞前體細(xì)胞)，通過激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)來影響破骨細(xì)胞分化的早期階段。在破骨細(xì)胞分化后期，HMGB1可以通過激活RAGE來刺激其分化。凋亡的骨細(xì)胞也可以釋放HMGB1信號，通過增強(qiáng)破骨細(xì)胞遷移進(jìn)而促進(jìn)骨吸收[20]。這一現(xiàn)象是微損傷骨正常修復(fù)的基礎(chǔ)，也是衰老和炎癥條件下骨丟失的原因之一。

2.3S100家族對骨代謝的影響 S100家族是一個鈣結(jié)合蛋白的獨(dú)特亞家族，能夠傳導(dǎo)Ca2+信號，以自分泌或旁分泌的形式在細(xì)胞內(nèi)外發(fā)揮重要生物學(xué)活性。其中S100蛋白家族成員S100A4直接抑制破骨細(xì)胞分化，其原因可能是通過誘導(dǎo)成骨細(xì)胞產(chǎn)生可溶性RAGE[21]。S100A4還可通過激活NF-κB途徑抑制成骨細(xì)胞的礦化功能[22]，從而導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)失衡。研究發(fā)現(xiàn)S100蛋白家族重要成員S100A8能通過促進(jìn)肌動蛋白環(huán)的形成來刺激破骨細(xì)胞活性，使骨吸收能力增強(qiáng)。但S100A8調(diào)控骨代謝的作用不由RAGE介導(dǎo)，而是通過結(jié)合TLR4影響破骨細(xì)胞增殖分化[23]。S100A16蛋白是S100蛋白家族的一個新成員，在不同的組織類型中均有表達(dá)[24]。研究[25]表明S100A16在間充質(zhì)干細(xì)胞分化過程中可抑制成骨分化，促進(jìn)成脂分化，降低成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)的表達(dá)。

2.4Aβ對骨代謝的影響 Aβ是由淀粉樣蛋白前體(amyloid precursor protein，APP)水解產(chǎn)生，在阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。Aβ在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞中均有表達(dá)[26]。體內(nèi)研究[27]顯示，相較于野生鼠，幼年APP轉(zhuǎn)基因小鼠骨皮質(zhì)內(nèi)礦物質(zhì)沉積率顯著降低，成年小鼠的血清骨鈣素水平也較低，表明APP在小鼠骨形成中有負(fù)面作用。此外，Aβ可以通過結(jié)合RAGE刺激破骨細(xì)胞的增殖，增加破骨細(xì)胞活性。但Aβ對于破骨細(xì)胞的調(diào)控有雙相作用，一定濃度的Aβ可以刺激破骨細(xì)胞的增殖分化，而高濃度的Aβ反而對其有抑制作用[28]。

2.5補(bǔ)體對骨代謝的影響 補(bǔ)體活性片段C3a是RAGE的高親和配體[4]。補(bǔ)體對骨代謝的作用是由Sato團(tuán)隊首次證實(shí)的。Sato等[29]早期研究表明，將1,25(OH)2D3添加到小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞(ST2)和原代成骨細(xì)胞里，補(bǔ)體C3逐漸增加，并且C3能促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。補(bǔ)體對成骨細(xì)胞具有調(diào)節(jié)作用，研究[30]發(fā)現(xiàn)C5aR的mRNA在成骨分化過程中顯著上調(diào)，且C3a、C5a與炎癥因子IL-1β共同刺激可顯著誘導(dǎo)成骨細(xì)胞炎癥因子IL-6和IL-8的釋放。C3a和C5a對破骨細(xì)胞生成也具有調(diào)節(jié)作用，它們可直接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成，同時補(bǔ)體活性片段能通過調(diào)節(jié)炎癥刺激因子IL-6的生成進(jìn)而調(diào)控破骨細(xì)胞的分化[30,31]。但補(bǔ)體如何通過結(jié)合RAGE影響炎癥狀況下的骨代謝，目前尚無深入的研究。

3 RAGE及其配體對骨代謝疾病的影響

3.1RAGE及其配體對骨關(guān)節(jié)炎的影響 骨關(guān)節(jié)炎是常見的骨代謝疾病，屬于關(guān)節(jié)的退行性病變，其特征是關(guān)節(jié)軟骨退化、軟骨下骨硬化、骨贅形成、滑膜肥厚增生。骨關(guān)節(jié)炎中RAGE的配體AGEs在軟骨細(xì)胞中大量聚集，軟骨中AGEs的水平升高會顯著減少軟骨細(xì)胞數(shù)量，破壞軟骨細(xì)胞外基質(zhì)，并通過增加膠原分子之間的交聯(lián)，增加軟骨的硬度，導(dǎo)致軟骨結(jié)構(gòu)和功能破壞[17]。除了改變軟骨細(xì)胞的活性外，研究[32]發(fā)現(xiàn)RAGE的激活還可以影響滑膜細(xì)胞的活性。AGEs通過激活滑膜細(xì)胞上的RAGE可以促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶1(matrix metalloproteinase 1，MMP1)，釋放蛋白聚糖，增加軟骨降解。除了AGEs，研究[33，34]發(fā)現(xiàn)HMGB1和S100蛋白家族S100A11、S100A4和S100B在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)水平同樣上調(diào)，產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶和多種炎癥因子加速軟骨組織退行性病變。此外，有證據(jù)[35]顯示HMGB1從受損或壞死的細(xì)胞中釋放出來，并與TLR4和RAGE相互作用以誘導(dǎo)炎癥信號，激活先天免疫細(xì)胞，并以RAGE依賴性方式增加滑膜細(xì)胞的侵襲性。在骨關(guān)節(jié)炎中，骨贅形成也是其主要病理特征之一。關(guān)于骨贅形成原因一直具有爭議，目前認(rèn)為骨關(guān)節(jié)炎骨贅形成的主要原因有軟骨降解、成骨細(xì)胞骨形成、破骨細(xì)胞骨吸收平衡被打破及炎癥因子增加造成骨髓微環(huán)境破壞[36]。在骨關(guān)節(jié)炎中，AGEs大量積累，在破骨細(xì)胞分化的不同階段影響其吸收[37]。因此，RAGE及其配體結(jié)合，上調(diào)多種炎癥因子，打破骨內(nèi)平衡可能會成為骨關(guān)節(jié)炎骨贅形成的重要機(jī)制。

3.2RAGE及其配體對骨質(zhì)疏松的影響 骨質(zhì)疏松是一種常見的全身性骨病，其特征為骨量低，骨組織微結(jié)構(gòu)損壞，導(dǎo)致骨脆性增加，易骨折。RAGE及其配體結(jié)合能夠通過增加促炎因子和免疫調(diào)節(jié)因子來促進(jìn)破骨細(xì)胞骨吸收，在多種炎性疾病所造成的骨質(zhì)疏松中扮演重要角色。AGEs對糖尿病并發(fā)骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制起重要作用。糖尿病背景下AGEs大量形成和積累，AGEs及其受體RAGE結(jié)合可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激，繼而引起炎癥反應(yīng)，從而參與糖尿病骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制[38]。AGEs-RAGE的相互作用還能抑制成骨細(xì)胞的增殖和分化，從而導(dǎo)致糖尿病患者骨密度降低[10,11]。雖然AGEs對破骨細(xì)胞的作用爭論較大，但是在體外分化的RAGE蛋白缺陷破骨細(xì)胞中，破骨細(xì)胞分化被抑制，骨吸收功能降低[6]。AGEs-RAGE系統(tǒng)還能抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞遷移以及向成骨細(xì)胞的分化[9]，從而間接導(dǎo)致糖尿病患者的骨質(zhì)疏松癥。抑制骨基質(zhì)中AGEs的產(chǎn)生，阻斷成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞之間的AGEs-RAGE系統(tǒng)，可能成為治療糖尿病骨質(zhì)疏松的新策略。RAGE的另一配體Aβ能抑制成骨細(xì)胞的增殖及功能[27]，依齡性調(diào)控破骨細(xì)胞功能[28]，導(dǎo)致成骨-破骨細(xì)胞耦聯(lián)失衡，這是造成阿爾茨海默病患者骨質(zhì)疏松的重要原因。此外，HMGB1也被認(rèn)為是一種骨活性細(xì)胞因子，凋亡骨細(xì)胞釋放HMGB1信號促進(jìn)破骨細(xì)胞遷移是炎癥條件下骨質(zhì)疏松的重要原因[20]。另外補(bǔ)體系統(tǒng)對骨代謝的研究在近年也取得一定進(jìn)展。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[39]表明，補(bǔ)體C3在卵巢切除術(shù)后參與小鼠骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控，缺乏補(bǔ)體C3可減少骨質(zhì)流失，改善骨小梁微結(jié)構(gòu)及骨骼機(jī)械性能，這為女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松提供了新的治療思路。

4 結(jié)語

RAGE作為固有免疫的重要因子，在骨代謝疾病中發(fā)揮了重要作用。本文綜述了RAGE及其配體在骨代謝進(jìn)程研究的最新進(jìn)展，并揭示了它們在骨代謝疾病(例如骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎)中的發(fā)病機(jī)制。目前，研究者已經(jīng)針對RAGE及其配體在骨代謝中的作用開發(fā)出一些小分子抑制劑，如TTP488，它可以抑制RAGE結(jié)合多種配體的能力；FPS-ZM1能夠防止成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中RAGE介導(dǎo)的線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡[3]。這些小分子抑制劑在骨代謝疾病的治療應(yīng)用中具有很大潛能。除此之外，研究者還發(fā)現(xiàn)血管緊張素受體阻滯劑厄貝沙坦，能通過抑制AGEs-RAGE介導(dǎo)的氧化應(yīng)激造成的有害影響，在糖尿病相關(guān)的骨損傷中起保護(hù)作用[40]。目前對于RAGE及其多種配體在骨骼系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用仍處在初步研究階段，它們在骨代謝進(jìn)程中涉及的不同受體，多種細(xì)胞類型，各種細(xì)胞因子之間的相互作用及信號通路等尚未完全被發(fā)現(xiàn)，相關(guān)骨代謝疾病的靶向治療應(yīng)用也有待進(jìn)一步探索。