RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病及其并發(fā)癥的相關研究進展

鐘榮玉，涂萍，段鵬

(南昌市第三醫(yī)院內分泌代謝科 南昌市糖尿病重點實驗室，南昌 330009)

糖尿病及其相關并發(fā)癥是我國最常見的慢性病之一。據統(tǒng)計[1]，我國糖尿病患病率已由1980年的0.67%上升至2017年的12.8%，即接近1.3億人口罹患糖尿病，且有逐年升高的趨勢，其中20%～60%的患者合并糖尿病腎病[2]。糖尿病相關并發(fā)癥對患者的生活質量乃至壽命均造成嚴重影響。胰島素抵抗或功能低下導致的機體高血糖狀態(tài)對各臟器均有危害，表現為動脈粥樣硬化、糖尿病腎臟、視網膜和神經病變等[3]，因此控制血糖、延緩糖尿病相關并發(fā)癥顯得尤為重要。由核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)、核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)及血清骨保護素(osteoprotegerin,OPG)組成的RANKL/RANK/OPG信號通路是維系骨吸收和骨保護動態(tài)平衡的關鍵通路，也是近年來分子生物學研究的重點，并用于各種機會性感染、腫瘤、自噬和干細胞等領域的研究[4-6]。越來越多的研究表明，RANKL/RANK/OPG信號通路不僅參與骨重建，還與血液系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等密切相關[7-9]。隨著高通量測序技術的發(fā)展，研究發(fā)現RANKL/RANK/OPG信號通路在糖尿病及其并發(fā)癥進展中可能發(fā)揮重要作用[10]。現就RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病及其相關并發(fā)癥的研究進展予以綜述。

1 RANKL/RANK/OPG信號通路概述

在RANKL/RANK/OPG信號通路中，OPG、RANK及其配體RANKL相互聯(lián)系、相互作用且分別由腫瘤壞死因子受體超家族成員11B、腫瘤壞死因子受體超家族成員11A和腫瘤壞死因子配體超家族成員11基因編碼。OPG是一種能調節(jié)骨吸收的分泌性蛋白，在成骨細胞、B細胞及樹突狀細胞等細胞中表達并在骨組織中含量最高，此外在人體心臟、肝、腎、骨骼及血管等臟器組織中亦可見分布。RANK是一種具有616個氨基酸序列的同源三聚體跨膜蛋白，可在單核和巨噬細胞系(如成骨細胞、破骨細胞前體細胞)中生成。RANKL作為RANK的配體，有可溶性蛋白和跨膜蛋白兩種存在形式，在成骨細胞、淋巴細胞等中可見分布。RANK是破骨細胞及其前體細胞表面RANKL的唯一受體。在骨重建過程中，成骨細胞與破骨細胞不斷形成偶聯(lián)平衡，從而維持機體骨代謝系統(tǒng)的正常運行[11]。成骨細胞及破骨細胞的前體細胞表面均有RANK表達，破骨細胞表面的RANKL能特異性識別并結合破骨細胞前體細胞的RANK，從而誘導破骨細胞的分化成熟，促進骨吸收作用[12]。OPG存在于成骨細胞表面，對破骨細胞具有負向調節(jié)作用，可在多種調控因子(如白細胞介素-1、腫瘤壞死因子-β)作用下表達增強[13]，且能與RANK競爭RANKL的結合位點，誘導破骨細胞凋亡，抑制破骨細胞前體細胞與破骨細胞結合產生的骨吸收作用。動物研究發(fā)現，敲除RANK基因后，小鼠成熟的破骨細胞缺乏并進展為典型的骨質疏松癥[14]。基于以上原理，可利用某些細胞因子干預RANKL/RANK/OPG信號通路以達到調節(jié)骨代謝的目的，為小分子靶向藥物治療骨質疏松癥提供依據。

2 RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病

糖尿病是一組以長期高血糖為特征的代謝紊亂疾病，主要由于人胰島功能分泌缺陷或功能受損所致。近年來關于RANKL/RANK/OPG信號通路的研究證實，該信號軸與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關[15]。在新診斷的糖尿病患者中，血清OPG水平高于正常對照組人群，OPG水平與血糖及糖化血紅蛋白水平呈正相關，血糖水平越高OPG水平越高[16]。研究表明，糖尿病患者在給予降糖藥物干預后，血清OPG水平顯著降低，證實OPG與血糖水平密切相關[17]。Kiechl等[18]通過15年隨訪研究發(fā)現，RANKL水平升高的人群發(fā)生2型糖尿病的風險較高，阻斷RANKL/RANK/OPG信號通路后胰島素抵抗得到改善。研究發(fā)現，中國漢族女性2型糖尿病遺傳易感性與單核苷酸多態(tài)性位點rs11573819的多態(tài)性有關，而該基因由RANKL/RANK/OPG信號通路中編碼OPG蛋白的腫瘤壞死因子受體超家族成員11B基因編碼[15]，此外，血清OPG水平與胰島素抵抗指數呈正相關[19]，表明抑制血清OPG水平可改善胰島功能。上述研究表明，糖尿病患者的易感基因與OPG蛋白之間存在密切聯(lián)系，患者血清OPG、RANKL及RANK水平異常，且一定程度上與血糖水平、胰島素抵抗等有關，參與糖尿病的發(fā)生發(fā)展，但RANKL/RANK/OPG信號通路參與糖尿病進程的機制目前尚不明確。

目前認為糖尿病的發(fā)生與胰島β細胞損傷有關，而細胞因子是胰島β細胞功能障礙和死亡的重要介質。在促炎細胞因子(如白細胞介素-1β、γ干擾素和腫瘤壞死因子-α)作用下，胰島β細胞活性降低[20]。細胞因子可激活胰島β細胞中過氧化物酶體增殖物激活受體δ基因網絡，加重胰島β細胞炎癥[21]，表明炎癥因子可介導胰島β細胞損傷從而加速糖尿病進展。胰島β細胞可分泌OPG，OPG表達水平與胰腺導管癌預后呈負相關，說明OPG水平可在一定程度上反映胰島細胞的分泌功能[22]。近年來，細胞自噬學說表明Notch信號家族在胰腺發(fā)育過程中有重要作用。Notch活性β細胞增加將可導致胰島β細胞數量增加但功能失調[23]，反之離體擴增后抑制去分化細胞中Notch信號轉導可促進胰島β細胞表型的恢復[24]。對暴露于白細胞介素-1β和γ干擾素的胰島素生成細胞進行微陣列分析發(fā)現，胰島β細胞分化功能相關的基因表達減少，Notch信號家族成員表達增加[25]，即在炎癥因子作用下，胰島β細胞受損，但Notch信號轉導增強，激活的Notch信號可能是導致胰島β細胞損害的原因。綜上，Notch是糖尿病患者胰島β細胞功能異常的關鍵信號通路，影響胰島細胞的分泌功能。

OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)與Notch信號通路存在交互作用，通過調節(jié)胰島β細胞活性影響血糖水平。有報道指出，用RANKL刺激RAW264.7小鼠破骨細胞前體細胞系后發(fā)現，Notch1表達下降，RANKL可抑制Notch通路下游Hes1、Hey1分子的表達，即RANKL抑制Notch1信號通路轉導；反之，抑制Notch1信號通路的表達，RANK相關mRNA及蛋白的表達增加，持續(xù)激活的Notch1可以增加OPG的表達[26]。用牙齦卟啉單胞菌脂多糖可激活Notch通路，上調人牙周膜成纖維細胞RANKL/OPG的表達，進一步證實RANK/RANKL與Notch1信號通路相互關聯(lián)[27]。Notch1轉染的間充質細胞中RANK及OPG基因表達增加，破骨細胞分化能力降低[28]。使用全基因組篩選技術發(fā)現，Notch家族分子在RANKL誘導的破骨細胞形成過程中被上調，表明Notch調節(jié)RANK下游的信號轉導[29]。以上數據表明，Notch信號通路激活可增加OPG及RANK的表達，而RANKL亦對Notch家族分子有調節(jié)作用，糖尿病患者血清OPG及RANKL表達異常，胰島細胞分泌OPG增加，通過交互關系與激活的Notch信號通路相互作用，加重胰島β細胞功能損害，可能是導致血糖異常的原因之一。

3 RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病并發(fā)癥

3.1RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病視網膜病變 糖尿病視網膜病變是在高糖毒性等因素作用下導致的一種微血管并發(fā)癥，與糖尿病病程、糖化血紅蛋白水平有關[30]，是成年人視力喪失的主要原因之一。RANKL/RANK/OPG信號通路不僅在胰腺、骨骼肌及腎臟中表達，在視網膜前膜的血管內皮細胞及成纖維細胞中亦可見分布。在增殖性糖尿病視網膜病變患者中，OPG和可溶性RANK顯著高于對照組[31]，表明OPG和RANK可作為增殖性糖尿病視網膜病變的標志物之一用于臨床檢測。研究顯示，與健康對照人群相比，糖尿病視網膜病變患者血清OPG水平顯著升高并與疾病嚴重程度呈正相關[32]，提示RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病視網膜病變之間存在密切聯(lián)系。此外，糖尿病視網膜病變患者血清OPG顯著升高，與OPG基因的單核苷酸多態(tài)性位點rs2073618有關[33]，進一步說明在糖尿病視網膜病變機制中分泌型OPG是重要因素之一。以上研究表明，高糖毒性導致視網膜上微血管損傷，促進視網膜血管內皮細胞釋放OPG入血，提示RANKL/RANK/OPG信號通路是糖尿病視網膜病變中不可忽略的因素。

3.2RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病腎病 糖尿病腎病可以導致腎臟病終末病變，其本質是一種糖尿病微血管并發(fā)癥[34]。糖尿病腎病以尿蛋白含量升高、腎功能受損及逐漸喪失為特征，并可最終進展為終末期腎病[35-36]。對1型糖尿病的研究發(fā)現，糖尿病腎病患者血清OPG水平顯著高于糖尿病無腎病患者[37]。有研究發(fā)現，正常對照人群血清OPG水平顯著低于2型糖尿病及糖調節(jié)受損人群，且與尿微量白蛋白密切相關[38]。在糖尿病腎病尿毒癥患者中亦發(fā)現OPG水平升高，且與血管鈣化呈正相關[39]。與無糖尿病腎病患者相比，臨床及早期糖尿病腎病患者的OPG、可溶性細胞核因子κB受體活化因子配體及尿足細胞標志蛋白水平顯著升高[40]，提示OPG是鑒別糖尿病腎病的敏感指標之一。在腎病大鼠動物模型中發(fā)現，腎臟足細胞RANK及RANKL表達異常[41-42]，表明RANK、RANKL可能參與腎臟足細胞損傷的機制。在糖尿病腎病動物模型及糖尿病腎病患者中，RANK和RANKL蛋白表達顯著升高，提示該通路與糖尿病腎病腎臟病變密切相關。

既往研究認為，腎小球病變是糖尿病腎病進展的關鍵因素[43]。近年來研究提出，腎間質纖維化、腎小管萎縮及腎功能單位破壞與腎功能損傷存在密切聯(lián)系[44]。鈉-葡萄糖共轉運蛋白2、腎素-血管緊張素系統(tǒng)驅動的腎小球濾過和腎小管重吸收是血糖在腎臟代謝的基礎[45]，高血糖誘導腎臟足細胞損傷是糖尿病腎病的關鍵病理生理原因之一。近年來自噬學說指出，Notch信號對腎臟足細胞的發(fā)育及功能有重要作用。轉化生長因子-β1誘導上皮和間皮Notch1信號通路活化，加重大鼠腎臟纖維化嚴重程度[46]。過量的生長激素可誘導腎臟足細胞中Notch1的信號轉導，促進上皮-間充質轉化及腎臟纖維化而導致蛋白尿，即在炎癥因子作用下，Notch1信號轉導可在一定程度上加重腎臟損傷[47]。反之，用糖原合成酶激酶-3β抑制劑誘導腎臟NF-κB信號通路的表達，可以減少氧化應激及炎癥因子引起的腎臟損傷[48]，表明抑制NF-κB信號通路可緩解糖尿病患者腎臟受損程度。一方面，Notch1信號通路的激活破壞了細胞凋亡與自噬之間的平衡，自噬受到抑制，腎臟損傷加重；另一方面，Notch與OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)存在交互關系，在糖尿病腎病患者中OPG/RANK/RANKL信號軸與Notch信號通路相互作用，進一步加重腎臟損傷。綜上，糖尿病腎病患者血清OPG水平升高，腎臟RANK、RANKL表達異常，提示OPG/RANK/RANKL與糖尿病腎病的病變因素密切相關。

3.3RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病動脈粥樣硬化 作為一種重要的血管調節(jié)因子，OPG與血管鈣化、動脈粥樣硬化等病理生理過程密切相關。有研究發(fā)現血清OPG水平與2型糖尿病患者外周血管病變的發(fā)生及嚴重程度顯著相關，OPG可能是2型糖尿病患者動脈粥樣硬化的分子標志物[49]。有研究報道，OPG基因位點rs2073618可能與2型糖尿病頸動脈粥樣硬化相關，與GG基因型相比，CC基因型糖尿病患者頸動脈粥樣斑塊風險顯著增加(OR=2.54,95%CI1.22～5.28,P=0.01)[50]。另有研究發(fā)現，正常對照組人群的OPG水平顯著低于老年2型糖尿病患者頸動脈增厚組，頸動脈狹窄組血清OPG水平顯著高于非狹窄組，提示2型糖尿病患者頸動脈粥樣硬化的嚴重程度與血清OPG水平密切相關，可能是頸動脈粥樣硬化的危險因素[51]。結構及功能正常的血管并無RANK及RANKL表達，但內皮細胞受損的粥樣硬化血管均可檢出[52]，說明OPG/RANKL比值對2型糖尿病患者大血管損傷具有重要意義。在高血糖狀態(tài)下，血管內皮細胞及平滑肌細胞功能受損，血管內皮細胞分泌OPG增加，可能是2型糖尿病患者血清OPG水平升高的原因。

3.4RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病性骨質疏松癥 糖尿病患者骨質疏松癥及骨折風險顯著增加。針對2型糖尿病患者的橫斷面研究顯示，骨質疏松患病率為20%～30%，脆性骨折風險更高[53]。絕經后女性糖尿病患者腰椎、股骨頸及全髖關節(jié)骨密度值低于無糖尿病絕經后女性[54]。在糖尿病動物病模型中證實，去卵巢后的糖尿病大鼠骨密度值降低，糖尿病對大鼠股骨頭內的骨小梁結構有負性影響，糖尿病病程越長，影響越明顯[55]。以上研究表明，糖尿病患者正常骨重建過程被破壞，骨折風險升高。

糖尿病患者骨代謝系統(tǒng)紊亂是骨質疏松癥的重要原因，參與骨代謝的RANKL/RANK/OPG信號通路可能是糖尿病骨質疏松癥及脆性骨折的重要通路。糖尿病患者中血清OPG、RANKL升高可能與破骨細胞信號通路激活及骨量流失有關[56]。云南一項研究發(fā)現，血清OPG/RANKL比值與糖尿病患者骨密度相關，提示RANKL/RANK/OPG信號通路可能在糖尿病性骨質疏松癥中發(fā)揮重要作用[57]。有文獻指出，不同糖耐量人群的骨密度存在差異，血清OPG水平與腰椎及股骨頸骨密度呈負相關，說明糖尿病患者血清OPG升高，骨密度值降低，骨折風險增加，提示RANKL/RANK/OPG信號通路與2型糖尿病骨質疏松癥密切相關[58]。

3.5RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病其他并發(fā)癥 糖尿病可致多臟器功能損傷，感染是不可忽略的因素之一。高血糖可誘發(fā)各類機會性感染，如呼吸道感染、結核和潰瘍，嚴重的糖尿病足有截肢風險。高齡糖尿病合并慢性阻塞性肺疾病患者罹患急性下呼吸道感染的風險增加，在嚴重的致盲性角膜炎患者中，糖尿病性感染是重要因素之一，提示高血糖可導致各類機會性感染風險增加。一項對573例1型糖尿病患者的前瞻性研究發(fā)現，高水平OPG提示糖尿病足部潰瘍發(fā)生風險較高，表明RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病足潰瘍密切相關[59]。有研究報道，RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病患者牙周炎及口腔疾病等存在聯(lián)系，可能參與糖尿病患者牙槽骨骨丟失的發(fā)生過程，提示OPG與糖尿病患者牙周炎等疾病的發(fā)生發(fā)展有關[60]。妊娠期糖尿病患者血清OPG水平升高可能作為疾病診斷和治療的重要標志物[61]。更多關于RANKL/RANK/OPG信號通路與糖尿病并發(fā)癥的研究有待進一步開展。

4 小 結

作為骨代謝領域的重要信號通路，RANKL/RANK/OPG信號通路不僅參與骨代謝及血管鈣化的過程，還與糖尿病、糖尿病腎病及其他并發(fā)癥密切相關。OPG/RANK/RANKL通路與Notch信號通路的交叉作用共同影響胰島β細胞的活性和功能。糖尿病患者骨質疏松癥與血清RANKL、OPG水平升高相關。同時，OPG、RANK及RANKL在糖尿病腎病患者腎臟中表達異常，提示該信號通路在糖尿病腎病中發(fā)揮重要作用。但目前OPG/RANK/RANKL通路與糖尿病及其并發(fā)癥之間的具體機制仍不明確，有待深入研究。