Wnt/β-catenin信號通路在骨代謝疾病中的研究進展

郭 宇，王 凌，劉 儀，丁育健，李雅欣，朱浩明，馮德宏，2*

1南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院骨科，江蘇 無錫 214023；2無錫市轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 無錫 214023

骨代謝是骨重建的動態(tài)平衡過程，其中成骨細胞合成骨基質(zhì)主導(dǎo)骨形成，破骨細胞吸收骨基質(zhì)主導(dǎo)骨吸收，骨形成與骨吸收的動態(tài)平衡對維持正常骨組織的功能、形態(tài)至關(guān)重要，該平衡被打破就會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、骨折延遲愈合或不愈合等骨骼相關(guān)疾病［1-2］。目前骨代謝的機制尚未完全明確，影響骨代謝的信號通路復(fù)雜。Wnt/β-連環(huán)蛋白（β-catenin）信號通路作為經(jīng)典Wnt 轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，與間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cell，MSC）的增殖和成骨分化、成骨細胞和破骨細胞的增殖分化及功能密切相關(guān)［3］。Wnt/β-catenin信號通路在骨代謝中的作用機制被不斷深入研究，已成為骨代謝疾病發(fā)病機制及治療的新熱點，本文就其相關(guān)內(nèi)容作一綜述。

1 Wnt/β-catenin信號通路的組成及其調(diào)控特點

Int-1 是1982 年Nusse 發(fā)現(xiàn)的一種致癌基因，與小鼠的乳腺癌發(fā)病有關(guān)，隨后研究發(fā)現(xiàn)Int-1與果蠅的無翅基因（Wingless）同源，均可控制胚胎的軸向發(fā)育，于是科學(xué)界將Wingless 與Int1 家族基因合并命名為Wnt基因。Wnt蛋白是一類富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白家族，到目前為止在哺乳動物染色體中已鑒定出19 種Wnt 蛋白家族成員，其中Wnt/βcatenin 信號通路涉及到的主要有Wnt-1、Wnt3a、Wnt5a、Wnt10b 等。Wnt/β-catenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由β-catenin 介導(dǎo)，當(dāng)無Wnt 信號時，糖原合酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）、腺瘤性結(jié)腸息肉病基因、酪蛋白激酶1、軸蛋白（Axin）組成的降解復(fù)合物將胞質(zhì)內(nèi)的β-catenin 磷酸化，隨后磷酸化的β-catenin經(jīng)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)迅速降解，防止在細胞質(zhì)中積累。Wnt/β-catenin 通路的激活起始于Wnt 蛋白與其膜蛋白受體結(jié)合，受體主要為七次跨膜受體卷曲蛋白（frizzled，F(xiàn)ZD）和單次跨膜的低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（lipoprotein receptor related protein，LRP）5/6。當(dāng)Wnt 信號激活后，Wnt 與FZD、LRP5/6 結(jié)合形成復(fù)合物，激活LRP5/6 的相關(guān)蛋白激酶磷酸化，隨后磷酸化的胞內(nèi)散亂蛋白（dishevelled，Dsh）被招募到細胞膜與FZD結(jié)合，Dsh能夠募集Axin 與Wnt 通路的正向調(diào)節(jié)因子FRAT1 使降解復(fù)合物解體，阻止β-catenin 的磷酸化使其在細胞質(zhì)中蓄積，累積的β-catenin 易位至細胞核內(nèi)與T 細胞因子（T cell factor，TCF）/淋巴細胞增強因子（lymphoid enhancer factor，LEF）結(jié)合，激活下游參與骨形成的靶基因轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)［4］。此外細胞內(nèi)還存在一些如Dickkopf 1（DKK 1）、骨硬化蛋白（Sclerostin）和分泌型卷曲相關(guān)蛋白等Wnt/β-catenin通路的拮抗劑，與Wnt/FZD/LRP 受體結(jié)合抑制Wnt通路［5］。

2 Wnt/β-catenin信號通路對骨形成的作用

成骨細胞來源于MSC，隨著發(fā)育依次分化為骨祖細胞、前成骨細胞、成骨細胞，成骨細胞在分化的最終階段包埋于礦化的骨基質(zhì)中成為骨細胞。Wnt/β-catenin 信號是決定MSC 向成骨細胞定向分化的關(guān)鍵分子。Wnt6、Wnt10a 和Wnt10b 通過Wnt/βcatenin 途徑促進MSC 成骨分化并抑制其向脂肪細胞的分化［6］。過表達Wnt10a 可提高β-catenin 的相對表達量，進而抑制3T3-L1前脂肪細胞向成熟脂肪細胞分化并誘導(dǎo)其向成骨分化。敲除β-catenin 或LRP5/6共受體基因，間充質(zhì)前體細胞將向軟骨細胞分化［7］。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）能誘導(dǎo)MSC 向成骨細胞分化，研究發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通過TCF/LEF反應(yīng)元件直接誘導(dǎo)成骨細胞BMP-2 的表達，增強BMP-2 的轉(zhuǎn)錄活性，并且β-catenin能夠增強MSC對BMP-2的反應(yīng)，誘導(dǎo)其向成骨細胞分化，促進成骨［8-9］。Wnt10b 與骨密度（bone mineral density，BMD）密切相關(guān)，讓幼鼠攝入鼠李糖乳桿菌GG，可誘導(dǎo)其腸道和骨髓中的調(diào)節(jié)性T 細胞擴增，刺激CD8+T 細胞上調(diào)并與調(diào)節(jié)性T細胞相互作用導(dǎo)致Wnt10b分泌增加，激活Wnt/βcatenin 通路，刺激小鼠骨形成，提升骨量［10］。Wnt1可通過Wnt/β-catenin 途徑提高成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Runx2、堿性磷酸酶、Ⅰ型膠原骨橋蛋白和骨鈣素的水平來促進成骨作用［11］。Wnt3a是Wnt/β-catenin通路的重要組成之一，可以激活經(jīng)典Wnt 和非經(jīng)典Wnt途徑，將骨移植物與Wnt3a蛋白體外孵育，與對照組相比其成骨能力顯著增強［12］。

Wnt/β-catenin途徑對成骨分化有著復(fù)雜的調(diào)節(jié)機制。在使用糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細胞分化過程中，Wnt信號能夠促進成骨細胞早期階段的分化，但在終末分化成熟階段其能力受到強烈抑制［13］。轉(zhuǎn)錄因子Sox2 可通過結(jié)合β-catenin 干擾Wnt 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，使MSC保持未分化狀態(tài)，降低成骨分化潛能［14］。趨化因子樣受體l 通過調(diào)控β-catenin 的含量、轉(zhuǎn)錄活性、亞細胞定位等來調(diào)節(jié)MSC 中的Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以平衡成骨和成脂信號，有助于維持MSC 的多能性［15］。Axin 是β-catenin 降解復(fù)合物的關(guān)鍵支架蛋白，USP7作為經(jīng)典Wnt信號途徑的負向調(diào)控因子，通過穩(wěn)定和去泛素化Axin防止其降解來抑制Wnt信號［16］。

3 Wnt/β-catenin信號通路對骨吸收的作用

Wnt/β-catenin 通路主要通過骨保護素（osteoprotegerin，OPG）/核因子kappa β受體活化因子（receptor activator of nuclear factor kappa beta，RANK）/核因子kappa β受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa beta ligand，RANKL）通路間接參與骨吸收的生理和病理過程［17］。OPG/RANK/RANKL 通路是調(diào)節(jié)破骨細胞功能的關(guān)鍵信號通路，RANKL與破骨細胞表面或破骨細胞前體細胞上的RANK 結(jié)合誘導(dǎo)破骨細胞的分化和激活；而OPG競爭性阻斷RANKL與RANK結(jié)合，抑制破骨細胞進一步分化成熟［18］。Wnt/β-catenin信號能夠刺激成骨細胞上調(diào)OPG表達，增加OPG/RANKL的比例，抑制破骨細胞分化和活性，從而抑制骨吸收［19］。對骨溶解大鼠模型使用GSK-3β抑制劑以激活Wnt/β-catenin 通路，研究表明OPG 表達增強，破骨細胞數(shù)量顯著減少，骨量增加［20］。在成骨細胞發(fā)育后期，Wnt3b 和β-catenin 的表達增高，RANKL 的活性被抑制，破骨細胞的數(shù)量和活性均降低。Wnt16 能通過Wnt/β-catenin 通路和Wnt/c-JNK 通路抑制破骨細胞前體細胞分化并間接作用于成骨細胞，導(dǎo)致成骨細胞分泌OPG 增加［21］。β-catenin 對破骨細胞形成起著關(guān)鍵的雙相和劑量依賴性調(diào)節(jié)作用。Sui 等［22］構(gòu)建了破骨細胞中β-catenin 過表達的小鼠模型，通過CT 斷層掃描和組織形態(tài)學(xué)分析觀察到小鼠生長遲緩和骨量降低，表明破骨細胞中β-catenin 的激活促進了破骨細胞形成，導(dǎo)致骨質(zhì)流失。

4 Wnt/β-catenin信號通路與骨代謝相關(guān)疾病

Wnt/β-catenin 通路異常可導(dǎo)致骨代謝紊亂，引發(fā)骨質(zhì)疏松等骨病。骨質(zhì)疏松-假性神經(jīng)膠質(zhì)瘤綜合征（osteoporosis-pseudoglioma syndrome，OPPG）是一種以骨質(zhì)疏松、假性神經(jīng)膠質(zhì)瘤和失明為特征的遺傳性疾病，其病因為Wnt/β-catenin 通路中LRP5基因的功能缺失性突變，而具有功能獲得性LRP5突變體的患者則表現(xiàn)骨量增加［23］。LRP6 常染色體錯譯變異會減弱Wnt 轉(zhuǎn)錄，提示和早期骨質(zhì)疏松有關(guān)［24］。此外除LRP5 基因，DKK1 和Wnt3a 的基因變異也可能與原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的易感性相關(guān)［25］。

Sclerostin來自于骨細胞分泌，其與LRP5/6受體的β螺旋結(jié)構(gòu)域結(jié)合，阻止LRP與FZD的結(jié)合，抑制Wnt 信號，因此通過抑制Sclerostin 可增強Wnt/βcatenin 信號途徑介導(dǎo)的骨代謝調(diào)控及骨量增加［26］。編碼Sclerostin 的SOST 基因缺失性突變可引起以BMD 增加為特征的硬化性骨化病［27］。泛發(fā)性骨皮質(zhì)增厚癥是一種可累及全身骨骼的廣泛性皮質(zhì)增厚硬化疾病，其亦與SOST 基因下游進化保守區(qū)缺失性突變有關(guān)［28］。

Wnt/β-catenin 途徑失活會抑制成骨細胞的活性，骨吸收增強導(dǎo)致骨量減少。隨著年齡的增長，骨質(zhì)疏松患者骨形成逐漸減少、骨髓脂肪逐漸增加，小鼠模型發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin 信號的衰減可能會加重上述病理改變［29］。經(jīng)典Wnt途徑在調(diào)控骨穩(wěn)態(tài)中的作用也得到了轉(zhuǎn)基因小鼠模型研究的驗證，敲除β-catenin 基因會導(dǎo)致破骨細胞數(shù)量顯著提升，骨量急劇減少，而β-catenin 的組成性激活則引起骨量的顯著增加［30］。

5 Wnt/β-catenin 信號通路靶向藥物治療骨代謝疾病進展

Wnt/β-catenin通路在骨代謝中的作用機制為治療骨質(zhì)疏松等骨代謝疾病提供了治療靶點和研究方向。甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）是臨床上已受認可的骨形成促進劑，PTH 能夠抑制骨細胞產(chǎn)生Sclerostin，增強Wnt/β-catenin 信號，顯著提高骨量［31］。特立帕肽，即小劑量重組PTH，已被證明可有效提高絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥、男性骨質(zhì)疏松癥及糖皮質(zhì)激素引起的骨質(zhì)疏松癥患者脊柱和髖部的BMD，同時降低骨折風(fēng)險［32］。Abaloparatide 是新研制的甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白類似物，三期臨床試驗表明對于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥，Abaloparatide 能獲得與特立帕肽相似的臨床療效，且其不良反應(yīng)輕微，高鈣血癥發(fā)生率更低［33］。

抗Sclerostin 抗體通過促進成骨細胞分化和OPG 產(chǎn)生來促進骨形成，抑制骨吸收［3］。在骨質(zhì)疏松癥動物模型中使用抗Sclerostin 抗體，其松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨的BMD均明顯增加［34-35］。Romosozumab是最近被批準(zhǔn)用于治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的抗Sclerostin 單克隆抗體，一項針對低BMD 的絕經(jīng)后婦女的隨機對照研究表明，Romosozumab 組BMD 的增幅（11.3%）明顯優(yōu)于阿侖膦酸鹽組（4.1%）、PTH 組（7.1%）［36］。Romosozumab可顯著降低骨折風(fēng)險，3期臨床試驗表明與安慰劑及阿侖膦酸鹽相比，椎體骨折風(fēng)險分別減少了75%和48%［37］。這些結(jié)果表明Romosozumab治療骨質(zhì)疏松的療效相比其他藥物更佳。此外完全人源化的抗硬化蛋白抗體BPS804 用于治療低磷酸鹽血癥和成骨不全癥的臨床試驗也在進行中［38-39］。然而由于Wnt 信號通路的心臟保護作用，理論上抗Sclerostin 抗體的使用有誘發(fā)心血管事件的風(fēng)險，其潛在的不良反應(yīng)還需進一步研究［40］。此外，因DKK1 和Sclerostin 都通過競爭性結(jié)合LRP5/6 的β螺旋結(jié)構(gòu)域來抑制Wnt 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，抗DKK1抗體是否可以用于骨質(zhì)疏松治療也正在研究中［41］。

6 小 結(jié)

綜上所述，Wnt/β-catenin 信號通路誘導(dǎo)MSC 向成骨分化，促進了成骨細胞的增殖與分化，直接或間接抑制了破骨細胞的增殖與分化，廣泛參與骨發(fā)育和骨代謝的生物學(xué)過程。Wnt/β-catenin通路為治療骨代謝疾病提供了潛在作用靶點如Sclerostin、DKK1 等，其在骨代謝疾病治療中存在很大潛能。然而骨代謝過程除了受經(jīng)典Wnt 通路的調(diào)控作用外，還涉及非經(jīng)典Wnt 通路、BMP/Smads 通路、OPG/RANKL/RANK通路、Hedgehog通路和Notch通路等，并且各條信號通路之間還會相互影響、制約和協(xié)調(diào)，Wnt/β-catenin 通路與這些通路之間的聯(lián)系仍未闡明。因此，進一步深入研究Wnt/β-catenin 通路在骨代謝中的作用機制及與其他通路之間的聯(lián)系，必將為骨代謝疾病的預(yù)防和治療提供新的思路和策略。