PI3K/AKT信號(hào)通路與骨質(zhì)疏松關(guān)系的研究進(jìn)展

楊一秋 李蘭 趙娜 解繼勝 (右江民族醫(yī)學(xué)院,廣西 百色 533000)

骨質(zhì)疏松(OP)是一種常見(jiàn)的骨骼疾病,以降低骨量,破壞骨微結(jié)構(gòu)為特征,最終引起骨骼脆弱并增加骨折風(fēng)險(xiǎn)〔1〕。原發(fā)性和繼發(fā)性是常見(jiàn)的OP 分型。原發(fā)性O(shè)P 可分為三型,其中Ⅰ型又稱為絕經(jīng)后OP,為高轉(zhuǎn)換型,更年期婦女常見(jiàn)。Ⅱ型又稱為老年性O(shè)P,為低轉(zhuǎn)換型〔2〕。所謂的高轉(zhuǎn)換型是指破骨細(xì)胞活性升高而成骨細(xì)胞活性未升高,最終使得溶骨效應(yīng)增強(qiáng)。低轉(zhuǎn)換型是指破骨細(xì)胞活動(dòng)正常,但成骨細(xì)胞成骨能力降低。破骨細(xì)胞起著溶骨作用,成骨細(xì)胞起著成骨作用,在正常機(jī)體中二者是動(dòng)態(tài)平衡的,對(duì)于維持正常骨代謝至關(guān)重要。磷脂酰肌醇-3 激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)信號(hào)通路廣泛參與細(xì)胞增殖、分化、存活、代謝等生理過(guò)程〔3〕。多項(xiàng)研究〔4～6〕表明PI3K/AKT 信號(hào)通路既可以調(diào)控成骨細(xì)胞又可以調(diào)控破骨細(xì)胞,對(duì)于維持骨組織的穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。本文就PI3K/AKT 信號(hào)通路和OP 之間關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PI3K/AKT 信號(hào)通路

PI3K 是一種激酶,磷脂酰肌醇2 磷酸(PIP2)可以被PI3K 磷酸化為PIP3,3 磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(PDK)1 和PDK2 可以輔助PI3K 磷酸化AKT 的蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)(Thr308)和絲氨酸磷酸化位點(diǎn)(Ser473)從而激活A(yù)KT〔7〕?；罨腁KT 通過(guò)磷酸化作用激活或抑制下游靶蛋白如叉頭轉(zhuǎn)錄因子(Fox)O、糖原合成激酶(GSK)3、B 淋巴細(xì)胞瘤-2 基因相關(guān)啟動(dòng)子(BAD)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素鈀蛋白(mTOR)等調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、分化、存活、生長(zhǎng)等。PI3K 家族(PI3Ks)幾乎表達(dá)于所有哺乳動(dòng)物,人類PI3Ks 根據(jù)其結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)模式、底物特異性可以被分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3 類。Ⅰ類PI3Ks 研究最多,通過(guò)催化亞基和調(diào)節(jié)亞基來(lái)控制酶的活性。相應(yīng)的刺激因子和G 蛋白耦聯(lián)受體、酪氨酸激酶受體、細(xì)胞因子受體、生長(zhǎng)因子受體結(jié)合后可以激活PI3K 信號(hào)通路。Ⅱ類PI3Ks 只有催化亞基而無(wú)調(diào)節(jié)亞基,但其可以作為適配器分子出現(xiàn)在多種蛋白質(zhì)互作中。Ⅲ類PI3Ks 目前只發(fā)現(xiàn)Vsp34 這一個(gè)成員,并且在所有真核細(xì)胞中都是保守的,主要參與調(diào)節(jié)空泡轉(zhuǎn)運(yùn)和自噬〔8〕。

2 OP 與成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的關(guān)系

破骨細(xì)胞的溶骨效應(yīng)和成骨細(xì)胞的成骨能力在骨穩(wěn)態(tài)維持過(guò)程中扮演重要角色。成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞譜系的多種細(xì)胞類型組成骨重塑單元。前者包括產(chǎn)生成骨細(xì)胞的間充質(zhì)祖細(xì)胞,繼而產(chǎn)生骨襯細(xì)胞或骨細(xì)胞,而后者則包括成熟的破骨細(xì)胞及其巨噬細(xì)胞前體。骨重塑單元通過(guò)將骨吸收與骨形成耦合,協(xié)調(diào)兩種細(xì)胞譜系的分化和功能,在維持人骨骼平衡過(guò)程中發(fā)揮重要作用〔9〕。PI3K/AKT 信號(hào)通路在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化等方面發(fā)揮作用,從而參與OP 的進(jìn)程。

3 PI3K/AKT 信號(hào)通路與成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的關(guān)系

3.1 PI3K/AKT 信號(hào)通路與成骨細(xì)胞 研究表明,PI3K/AKT 信號(hào)通路可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化和骨形成從而達(dá)到抑制OP 的目的〔6〕。糖皮質(zhì)激素(GC)是廣泛用于治療炎癥或自身免疫性疾病的藥物。地塞米松是一種人工合成的GC,通過(guò)下調(diào)p-PI3K 和p-AKT 的表達(dá)來(lái)抑制成骨細(xì)胞和MC3T3-E1 細(xì)胞中PI3K/AKT 信號(hào)通路的激活,使得糖原合成酶激酶(GSK)-3β 表達(dá)明顯上調(diào),最終抑制了細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其凋亡〔10〕。硅是人體必需的微量元素之一,缺乏會(huì)導(dǎo)致骨骼疾病。大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,適當(dāng)增加硅的攝入有助于增強(qiáng)骨密度和韌性,從而預(yù)防OP。研究發(fā)現(xiàn)原硅酸能夠增強(qiáng)PI3K、p-AKT、p-mTOR 及成骨相關(guān)標(biāo)志物——Ⅰ型膠原蛋白的表達(dá)。在給予PI3K/AKT/mTOR 通路特異性抑制劑LY294002 之后PI3K、p-AKT、p-mTOR、Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(RUNX)2 表達(dá)下降,結(jié)果表明PI3K/AKT/mTOR 通路在原硅酸介導(dǎo)的體外成骨過(guò)程中發(fā)揮了積極的調(diào)節(jié)作用〔11〕。Chen 等〔12〕利用體外皮層切片及小鼠RAW264.7 細(xì)胞在巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子(NF)-κB 受體活化因子配體(RANKL)的誘導(dǎo)下形成破骨細(xì)胞從而建立骨吸收模型,然后用骨吸收上清液(BRS)培養(yǎng)成骨細(xì)胞前體細(xì)胞系MC3T3-E1,結(jié)果表明BRS 增強(qiáng)了MC3T3-E1 細(xì)胞中AKT 和p-AKT 的表達(dá)水平,促進(jìn)了MC3T3-E1 細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化及鈣化的面積。白細(xì)胞介素(IL)-37 是一種關(guān)鍵的抗炎細(xì)胞因子,在多種自身免疫性相關(guān)的骨科疾病(包括類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、強(qiáng)直性脊柱炎和OP)中異常表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)IL-37 可以通過(guò)激活PI3K/AKT 信號(hào)通路途徑增加骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)中成骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)、礦物質(zhì)沉積數(shù)量及堿性磷酸酶的活性,而PI3K/AKT 信號(hào)通路抑制劑可以部分逆轉(zhuǎn)由于IL-37 的存在而增強(qiáng)的MSC 的成骨分化〔13〕。

3.2 PI3K/AKT 信號(hào)通路與破骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞是一種多核細(xì)胞,是骨組織內(nèi)唯一具有骨吸收功能的細(xì)胞。由造血干細(xì)胞來(lái)源的單核巨噬細(xì)胞系在RANKL 和M-CSF 的作用下分化而來(lái)〔14〕。M-CSF 和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞上的受體CSF-1R 結(jié)合通過(guò)激活相關(guān)酶如酪氨酸蛋白激酶(Src)、磷脂酶(PL)C-γ、PI3K、AKT 等促進(jìn)了細(xì)胞的增殖和存活〔15〕。RANKL 干預(yù)后可以通過(guò)激活NF-κB 等多條信號(hào)通路從而刺激破骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá),如活化T-細(xì)胞核因子(NFATc)1、人類破骨細(xì)胞相關(guān)受體(OSCAR)和抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)〔16〕。其中NFATc1 的表達(dá)對(duì)于破骨細(xì)胞生成至關(guān)重要,即使沒(méi)有RANKL 的刺激,NFATc1 在破骨細(xì)胞前體細(xì)胞中的異位表達(dá)也可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成〔17〕。此外,通過(guò)RANKL 刺激缺乏NFATc1 的胚胎干細(xì)胞并不能分化為破骨細(xì)胞,進(jìn)一步表明NFATc1 對(duì)于破骨細(xì)胞的分化起著重要作用〔18〕。

當(dāng)女性進(jìn)入絕經(jīng)期后,由于卵巢功能衰退,雌激素水平低于正常值,破骨細(xì)胞溶骨能力增強(qiáng),導(dǎo)致骨溶解的速度明顯超過(guò)骨形成,骨量迅速減少,最終導(dǎo)致絕經(jīng)后OP〔19〕。研究發(fā)現(xiàn),絕經(jīng)后OP 的發(fā)生與雌激素水平的下降和氧化應(yīng)激(OS)水平的升高息息相關(guān)〔20〕。正常情況下通過(guò)消除氧自由基如活性氧(ROS)來(lái)抵抗氧化作用對(duì)機(jī)體造成的損傷,但當(dāng)體內(nèi)ROS 不斷累積時(shí),將導(dǎo)致細(xì)胞膜、DNA 損傷,并加快破骨細(xì)胞形成,最終導(dǎo)致骨量降低、骨吸收增加〔21〕。ROS 對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、存活、代謝、凋亡、分化和遷移是必不可少的。ROS 對(duì)于機(jī)體具有雙重作用,當(dāng)其充當(dāng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)分子時(shí),對(duì)機(jī)體是有益的,但是當(dāng)其水平隨著年齡或炎癥狀態(tài)的發(fā)生而增加時(shí),對(duì)機(jī)體是有害的〔22〕。研究發(fā)現(xiàn)OS 可以促進(jìn)OP 進(jìn)程,過(guò)量的ROS 可以抑制成骨細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡,降低其活性,最終導(dǎo)致骨量降低〔23〕。同時(shí)ROS 水平的異常升高使得破骨細(xì)胞功能活躍,骨吸收效應(yīng)增加。

FoxOS 屬于叉頭框蛋白家族中的一個(gè)亞類,其主要在細(xì)胞凋亡,DNA 損傷修復(fù)和ROS 清除過(guò)程中發(fā)揮作用〔24〕。Bartell 等〔15〕研究表明,M-CSF 和RANKL 通過(guò)激活PI3K/AKT 信號(hào)通路,抑制FoxO1的表達(dá)減少了抗過(guò)氧化物酶等的表達(dá)而使得破骨前體細(xì)胞中過(guò)氧化氫(H2O2)表達(dá)升高,進(jìn)一步刺激破骨細(xì)胞的形成和骨吸收。而FoxO1 可以激活一些抗氧化酶基因的表達(dá)如:谷胱甘肽過(guò)氧化酶、H2O2酶和超氧化物歧化酶來(lái)抵抗H2O2對(duì)破骨細(xì)胞的促進(jìn)作用,在OP 中發(fā)揮保護(hù)作用。白藜蘆醇(RES)是一種多酚植物雌激素,具有增強(qiáng)免疫力、抗炎、抗菌、抗氧化、抗腫瘤等多重功效〔25〕。馮燕陵〔26〕研究發(fā)現(xiàn),RES、葛根素可以通過(guò)抑制PI3K/AKT 信號(hào)通路,上調(diào)FoxO1 蛋白的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄水平通過(guò)促進(jìn)抗氧化物基因的表達(dá)降低由OVX 誘導(dǎo)的RANKL的異常升高,上調(diào)OPG 的表達(dá),進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的生成、活性和骨吸收能力。脂多糖(LPS)是革蘭陰性菌細(xì)胞壁產(chǎn)物,可以刺激機(jī)體產(chǎn)生諸如腫瘤壞死因子(TNF)-α、IL-1β、前列腺素(PG)E2 等炎癥因子促進(jìn)破骨細(xì)胞分化,在骨溶解性疾病中發(fā)揮重要作用,葛根素是葛根的主要活性成分,是一種植物雌激素,有雌激素樣活性,可以通過(guò)抑制AKT ser473、AKT thr308 位點(diǎn)的磷酸化活化從而抑制LPS 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成、功能和骨丟失〔27〕。

第10 號(hào)染色體缺失的磷酸酶(PTEN)和張力蛋白同源基因與SHIP 都是PI3K/AKT 信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)節(jié)器,PTEN 是一種具有脂質(zhì)磷酸酶和蛋白磷酸酶活性的抑癌基因,其N 端具有脂質(zhì)磷酸酶活性可以使PIP3 脫磷酸,減少PIP3 的生成,從而達(dá)到抑制PI3K/AKT 信號(hào)通路的目的,并且進(jìn)一步抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)并促進(jìn)細(xì)胞死亡。其C 端具有不同的絲/蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)(T366、S362、S370、S380、T382、T383、S385)可以被不同的激酶磷酸化,使其失去對(duì)PIP3 的去磷酸作用,導(dǎo)致PTEN 抑制PI3K/AKT 信號(hào)通路的功能失活〔28〕。PI3K 在RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成中發(fā)揮重要作用,意味著PTEN 也可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的功能。所以當(dāng)RAW264.7 細(xì)胞過(guò)表達(dá)PTEN 時(shí),下調(diào)了磷酸化的AKT、BAD、NF-κB抑制因子(IκB)a,同時(shí)也減低了NF-κB 的表達(dá)并導(dǎo)致RAW264.7 細(xì)胞凋亡增多,破骨細(xì)胞生成減少〔29〕。SHIP 是一種Src 同源2-肌醇-5 磷酸酶,廣泛表達(dá)于造血細(xì)胞,可以水解PIP3 的5 位磷酸,負(fù)性調(diào)節(jié)PI3K/AKT 信號(hào)通路〔30〕。研究表明在SHIP 敲除的小鼠體內(nèi),通過(guò)激活A(yù)KT/GSK-3β/NFATc1 信號(hào)通路,促進(jìn)NFATc1 的核定位,使得破骨細(xì)胞生成增多〔31〕。梓醇通過(guò)抑制Iκb、AKT、GSK3β 的磷酸化及P65 的磷酸化和核轉(zhuǎn)位以劑量依賴性的方式抑制RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成過(guò)程中NFATc1、c-fos、ctsk、trap 蛋白的表達(dá),然而絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族中細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、p38 蛋白的磷酸化水平并不會(huì)被梓醇影響。RANKL 可以使磷酸化的PTEN 蛋白下降,但不會(huì)改變總PTEN 的蛋白水平,而梓醇干預(yù)后可以逆轉(zhuǎn)磷酸化PTEN 蛋白的下降趨勢(shì),同時(shí)上調(diào)總PTEN 的蛋白表達(dá)水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),梓醇通過(guò)抑制PTEN 的泛素化降解上調(diào)PTEN 蛋白的活性,從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞生成減少〔32〕。在RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化過(guò)程中,由于GSK-3β功能的鈍化使得磷酸化的PTEN 逐漸減少,最終導(dǎo)致PTEN 對(duì)PI3K/AKT 信號(hào)通路的抑制作用也減少,提示PTEN 磷酸化水平越低越有利于破骨細(xì)胞的分化〔33〕。

GSK-3 是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,可以被AKT激酶磷酸化失活。最初是研究其在糖原沉積中的調(diào)節(jié)作用,被認(rèn)為是糖原代謝的關(guān)鍵酶〔34〕。GSK-3 有GSK-3α 和GSK-3β 兩種亞型。其參與許多生物學(xué)進(jìn)程,如新陳代謝、轉(zhuǎn)錄、翻譯、細(xì)胞生長(zhǎng)及細(xì)胞凋亡等〔35〕。GSK-3 可以調(diào)節(jié)多種轉(zhuǎn)錄因子,包括周期蛋白(cyclin)D1、c-Jun、NFATc 及β-catenin。GSK-3α的絲氨酸殘基ser-21 和GSK-3β 的絲氨酸殘基ser-9可以被多種激酶通過(guò)磷酸化途徑抑制,進(jìn)而抑制了GSK-3 的活性。GSK-3 絲氨酸磷酸化抑制了GSK-3磷酸化底物的能力〔36〕。GSK-3β 可以磷酸化NFATc1 從而調(diào)節(jié)NFATc1 的亞細(xì)胞定位,進(jìn)一步在破骨細(xì)胞分化中發(fā)揮作用〔37〕。研究表明,GSK-3β通過(guò)調(diào)節(jié)NFATc1 的表達(dá),來(lái)抑制破骨細(xì)胞的生成。同時(shí)發(fā)現(xiàn)RNAKL 刺激破骨細(xì)胞前體產(chǎn)生破骨細(xì)胞的過(guò)程中,GSK-3β 的ser-9 被磷酸化使得GSK-3β活性被抑制。GSK-3β 活性持續(xù)表達(dá)的GSK-3β-S9A轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi),NFATc1 和破骨細(xì)胞生成基因表達(dá)受損,使得小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重的骨硬化表型〔35〕。也就是說(shuō)GSK-3β 是RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成過(guò)程中的負(fù)性調(diào)節(jié)物。

綜上,OP 是一種與年齡密切相關(guān)的骨骼疾病。最嚴(yán)重的后果是骨折,常見(jiàn)部位是:椎體、髖部、前臂遠(yuǎn)端、肱骨近端和骨盆等。OP 性骨折危害巨大,給老年患者的生活帶來(lái)巨大痛苦并且對(duì)于家庭和社會(huì)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。臨床現(xiàn)有的治療方法有一定的局限性,并且存在一些不良反應(yīng)。如雙磷酸鹽是目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的抗OP 藥物,與骨骼羥磷灰石有較高的親和力,能夠結(jié)合到骨重建活躍的骨表面,抑制破骨細(xì)胞骨吸收功能從而抑制骨破壞。但依然存在一些問(wèn)題,包括胃腸道不良反應(yīng)、一過(guò)性“流感樣”癥狀、腎臟毒性及下頜骨壞死等〔38〕。降鈣素類藥物,如鰻魚(yú)降鈣素類似物和鮭降鈣素,總體來(lái)看藥物安全性較好,但少數(shù)患者使用后出現(xiàn)面部潮紅、惡心、過(guò)敏等不良反應(yīng)。雌激素治療法能減少骨丟失,降低OP 骨折發(fā)生率,但增加了患子宮內(nèi)膜癌、乳腺癌、心血管疾病等的風(fēng)險(xiǎn)。PI3K/AKT 信號(hào)通路是OP 發(fā)病機(jī)制中重要組成部分,從分子角度提出了一種新的OP 治療方案及相關(guān)治療靶點(diǎn),對(duì)于新藥研發(fā)有積極的促進(jìn)作用。