骨鈣素在神經(jīng)退行性疾病中的研究進(jìn)展

康寧 楊寧 郭向陽

北京大學(xué)第三醫(yī)院麻醉科，北京 100191

1 骨鈣素的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 骨鈣素的結(jié)構(gòu)

骨鈣素(osteocalcin，OC)是由成骨細(xì)胞產(chǎn)生的非膠原蛋白，部分存儲(chǔ)在骨基質(zhì)中，最早由Price從牛骨和人骨中分離出來。由 49個(gè)氨基酸(在小鼠中為46個(gè))組成，被認(rèn)為是骨形成的生物標(biāo)志物[1]。OC結(jié)構(gòu)中含有3個(gè)谷氨酸殘基，在γ-谷氨?；然傅淖饔孟拢跃S生素K、二氧化碳作為輔助因子進(jìn)行羧化[2-3]。羧化的OC增加了對羥基磷灰石晶體的親和力，嵌入在骨基質(zhì)中[4]。在骨吸收過程中，OC在吸收陷窩的酸性環(huán)境下脫羧，成為羧化不全骨鈣素(undercarboxylated osteocalcin，GluOC)，這降低了其對骨的親和力，GluOC會(huì)釋放進(jìn)入血液循環(huán)作用于全身多個(gè)器官。見圖1。

圖1 骨鈣素與羧化不全骨鈣素的結(jié)構(gòu)及相互轉(zhuǎn)變(引用并改編自文獻(xiàn)[5])Fig.1 Structure of OC and GluOC and transformation (cited and adapted from literature [5])

1.2 OC與外周器官

GluOC被認(rèn)為是OC的活性形式[6]，除了調(diào)節(jié)骨礦化外，還可以調(diào)節(jié)全身能量代謝及性功能[7]。OC可以通過結(jié)合于脂肪細(xì)胞、肝細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、胰島β細(xì)胞、睪丸間質(zhì)細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體C族6組成員A(G-protein coupled receptor family C group 6 member A，Gprc6A)，增加脂肪細(xì)胞中脂聯(lián)素的表達(dá)，使脂肪細(xì)胞對胰島素的敏感性增加[8]；增加肝細(xì)胞對胰島素的敏感性，減少肝臟中脂肪的積累[4]；促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞對葡萄糖的攝取及細(xì)胞中線粒體的生物發(fā)生[9]；促進(jìn)胰島β細(xì)胞的增殖及胰島素的合成與分泌[7]；增加睪丸間質(zhì)細(xì)胞中睪酮的合成分泌，進(jìn)而調(diào)節(jié)男性性功能[10]。有研究表明，骨鈣素與相應(yīng)受體結(jié)合后，至少招募了兩條信號(hào)通路：①磷脂酶C(phospholipase C，PLC)-1,4,5-三磷酸肌醇(inositol 1, 4, 5-trisphosphate，IP3)-Ca2+；②腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase，cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)-絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MEK)-細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)[11]。

1.3 OC與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

近年來研究還發(fā)現(xiàn)，血液循環(huán)中的GluOC可以穿過血腦屏障，與海馬CA3區(qū)中腦的腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area，VTA)、腦干中縫背核(dorsal raphe nucleus，DRN)和中縫內(nèi)核(medial raphe nucleus of brainstem，MRN)神經(jīng)元上的Gpr158結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤結(jié)合蛋白48(retinoblastoma associated protein 48，RbAp48)的合成，減少GABA的合成，從而促進(jìn)空間學(xué)習(xí)和記憶，抑制焦慮、抑郁行為和年齡相關(guān)性記憶喪失[1]。最近Li等[12]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明OC通過GPR37(G protein coupled receptor 37，Gpr37)調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)少突膠質(zhì)細(xì)胞分化和髓鞘化的作用。Paula等[13]研究顯示在0～9個(gè)月齡的雌性及雄性小鼠血清中OC水平呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。Bradburn等[14]研究表明在30歲前的女性和50歲前的男性血OC水平迅速下降。Lori等[15]將3個(gè)月齡的野生型小鼠富含OC的血漿注射給16個(gè)月齡的老年小鼠體內(nèi)，新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)和高架十字迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示老年小鼠的認(rèn)知水平得到改善，焦慮減輕。Oury等[16]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)OC會(huì)穿過胎盤屏障，促進(jìn)胎兒神經(jīng)發(fā)育，防止細(xì)胞凋亡。此外，在成年小鼠中，建立空間學(xué)習(xí)和記憶需要來自于母體的OC。以上提示OC水平的改變可能與年齡相關(guān)的認(rèn)知記憶減退相關(guān)。見圖2、3。

圖2 骨鈣素對全身器官的影響Fig.2 Effects of osteocalcin on systemic organs

圖3 骨鈣素對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響(引用并改編自文獻(xiàn)[1])Fig.3 Effects of osteocalcin on central nervous system (citation and adapted from the literature [1])

2 OC與阿爾茨海默癥

2.1 阿爾茨海默癥的發(fā)生發(fā)展與骨代謝存在聯(lián)系

阿爾茨海默癥(Alzheimer disease，AD)是癡呆癥最常見的病因，約占所有癡呆癥病例的一半，主要影響年齡在65歲以上的人群[17]。AD患者的特征性癥狀主要包括記憶喪失、語言障礙、執(zhí)行功能障礙、定向障礙、情緒波動(dòng)、失去動(dòng)力、無法自我照顧和其他行為問題[18]。骨質(zhì)疏松也是一種老年退行性疾病，主要發(fā)生在年齡大于65歲的老年人中。Zhao等[19]的研究表明AD患者髖骨骨折風(fēng)險(xiǎn)比正常對照組較高(OR=1.80，95%CI=1.54～2.11)。進(jìn)一步分析顯示，AD患者的髖關(guān)節(jié)骨密度(bone mineral density，BMD)較健康對照組低(SMD=-1.12，95%CI=-1.34～-0.90)。Natalia等[20]對71例早期AD患者和69例非AD對照組參與者進(jìn)行了全身BMD測量，MRI檢查并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化全腦體積，評估認(rèn)知功能。與對照組相比，早期AD組的平均BMD較低，且與年齡、性別、體育活動(dòng)、吸煙、抑郁、雌激素替代治療和E4載脂蛋白狀態(tài)無關(guān)；在AD組患者中，BMD與全腦體積和認(rèn)知功能呈正相關(guān)。以上結(jié)果表明AD患者骨量更容易丟失，并且可能與中樞機(jī)制有關(guān)。Zhou等[21]對946名年齡范圍在60～75歲的男性和女性進(jìn)行了腰椎和髖部雙X線BMD測定研究，并在5年期間每年進(jìn)行隨訪，采用中文版簡易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination，MMSE)和日常生活工具活動(dòng)(activities of daily living，ADL)評估患者的認(rèn)知和功能狀態(tài)，結(jié)果顯示BMD減少的程度與認(rèn)知功能下降程度呈正相關(guān)，BMD在最低1/4的受試者與對照組相比，患AD的風(fēng)險(xiǎn)增加了2倍。以上研究提示，骨質(zhì)疏松和AD發(fā)病之間可能存在著共同的生物學(xué)機(jī)制，骨代謝與AD的發(fā)生發(fā)展可能存在關(guān)聯(lián)。

2.2 OC直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)減輕AD中樞病變

骨是一個(gè)活躍的內(nèi)分泌器官，可以通過分泌一系列蛋白影響其他器官功能。由成骨細(xì)胞分泌的OC會(huì)穿過血腦屏障影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并可能影響AD的病理生理過程。Oury等[16]的研究顯示OC可以穿過大鼠血腦屏障與海馬CA3區(qū)神經(jīng)元結(jié)合，增加單胺類神經(jīng)遞質(zhì)合成，減少GABA類神經(jīng)遞質(zhì)合成從而改善大鼠認(rèn)知功能。Shan等[22]給AD小鼠中樞和外周注射GluOC，結(jié)果顯示一段時(shí)間后小鼠海馬和皮質(zhì)的淀粉纖維樣斑塊沉積以及海馬APP和Aβ蛋白的表達(dá)明顯減少，AKT/mTOF相關(guān)蛋白表達(dá)增加；體外實(shí)驗(yàn)采用老化Aβ1-42處理PC12細(xì)胞24 h，并提前2 h采用不同濃度GluOC干預(yù)，結(jié)果顯示GluOC可減輕老化Aβ-42造成的PC12細(xì)胞活性損傷，增加細(xì)胞中AKT/mTOR相關(guān)蛋白的表達(dá)。以上研究提示在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)GluOC均可以通過AKT/mTOR通路減輕AD小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變并且對受損神經(jīng)元起到保護(hù)作用。

2.3 OC通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝減輕AD的中樞病變

OC還可以通過影響脂代謝間接影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，Chen等[23]用放射免疫法測定了783名男性和946名絕經(jīng)后女性的血清總OC及血脂，發(fā)現(xiàn)血清OC水平和甘油三酯和總膽固醇呈負(fù)相關(guān)。Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn)GluOC通過抑制肝臟新生脂肪生成和促進(jìn)脂肪酸β氧化改善了KKAy小鼠的血脂異常并減輕了肝臟脂肪變性并且這種改善作用呈劑量依賴性。Otani等[25]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示高劑量GluOC通過激活CREB-p300的方式上調(diào)質(zhì)膜FasL，進(jìn)而激活鄰近脂肪細(xì)胞的Fas信號(hào)，從而觸發(fā)脂肪細(xì)胞壞死。以上研究表明OC可以調(diào)節(jié)全身脂代謝。高血脂會(huì)通過載脂蛋白增加β淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)的形成來破壞神經(jīng)突觸的完整性，從而導(dǎo)致AD的病理變化[26]，而OC可能通過調(diào)節(jié)血脂減輕AD中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病理變化。

2.4 OC通過調(diào)節(jié)糖代謝降低AD的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)

神經(jīng)元對葡萄糖毒性較為敏感，急性或者慢性血糖紊亂都可以引起神經(jīng)元損傷從而損害認(rèn)知功能。有一項(xiàng)流行病學(xué)研究報(bào)告顯示[27]，2型糖尿病(tpye 2 diabetes mellitus，T2DM)患者患AD的風(fēng)險(xiǎn)比健康人高50%～100%。Yaffe等[28]對1 983名女性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)HbA1c水平>7.0%的參與者發(fā)生認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)比健康人群增加了4倍。神經(jīng)元攝取葡萄糖并不依賴胰島素，當(dāng)在高血糖環(huán)境下，細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平會(huì)異常升高。在這種情況下，葡萄糖會(huì)被氧化形成自由基和活性羰基，進(jìn)一步激活有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)，從而改變細(xì)胞表型狀態(tài)，繼而導(dǎo)致神經(jīng)元受損。有研究顯示[29]，鼻內(nèi)滴胰島素可以改善AD患者認(rèn)知水平。OC對糖代謝具有強(qiáng)大的調(diào)控作用，也許OC可以間接調(diào)節(jié)認(rèn)知功能。Yang等[30]的一項(xiàng)研究顯示與健康對照組相比，老年T2DM患者認(rèn)知功能評分低于對照組(P=0.025),并且血清骨鈣素水平低于對照組(P<0.01)；并且在老年T2DM患者中MMSE分值與骨鈣素水平呈正相關(guān)(r=-0.462，P=0.014)。以上研究結(jié)果提示，OC可能參與了糖尿病患者認(rèn)知功能損害的過程，補(bǔ)充OC可能對于降低糖尿病轉(zhuǎn)變?yōu)锳D的風(fēng)險(xiǎn)具有一定的作用。

3 OC與帕金森病

3.1 帕金森病的發(fā)生發(fā)展與骨代謝存在聯(lián)系

帕金森病(Parkinson disease，PD)是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，以黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元(dopaminergic neuron，SN)進(jìn)行性缺失和紋狀體多巴胺損耗為主要的病理缺陷[31]。臨床上以運(yùn)動(dòng)癥狀為主，包括肌強(qiáng)直、靜止性震顫和運(yùn)動(dòng)遲緩。而由成骨細(xì)胞分泌的OC可與中腦神經(jīng)元結(jié)合，促進(jìn)多巴胺類神經(jīng)遞質(zhì)的形成[16]，可以推測PD與骨代謝之間存在聯(lián)系。近年來有研究顯示PD患者更容易發(fā)生骨質(zhì)疏松。Bezza等[32]收集了52例PD患者和52名對照人員，用雙能X線測量腰椎和髖骨BMD，結(jié)果顯示PD患者BMD明顯低于對照組(spine：1.031 vs. 1.175 g/cm；hip：0.968 vs. 1.054)。Lin等[33]收集了50例PD患者腦脊液及50例年齡相匹配的健康人的腦脊液，檢測其中的OC，結(jié)果顯示 PD患者腦脊液中OC水平明顯低于健康對照組[PDvsHC 14 817.5 pg/mL (8 145.9～18 998.3) vs. 18 264 pg/mL (12 835.5～22 342.3)]。Guo等[34]在PD大鼠模型中得到了相同的結(jié)論。

3.2 OC可減少多巴胺能神經(jīng)元的耗竭

Guo等[34]將OC直接注射到PD大鼠的右側(cè)紋狀體，結(jié)果顯示6周后實(shí)驗(yàn)組大鼠的運(yùn)動(dòng)距離明顯長于對照組，OC改善了實(shí)驗(yàn)組大鼠運(yùn)動(dòng)功能。進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組大鼠黑質(zhì)和紋狀體TH+神經(jīng)元耗竭明顯減少。以上結(jié)果表明OC可以直接減輕PD大鼠中樞病變從而改善PD大鼠的運(yùn)動(dòng)功能障礙。Guo等[34]又進(jìn)行了離體實(shí)驗(yàn)，觀察OC對6-OHDA誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞毒性的保護(hù)作用，并采用CCK8，流式細(xì)胞凋亡和凋亡蛋白檢測手段進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)觀察細(xì)胞模型組中AKT/GSK3β信號(hào)通路變化，并采用AKT/GSK3β相應(yīng)抑制劑確認(rèn)OC對神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)作用的機(jī)制。研究結(jié)果表明AKT/GSK3β介導(dǎo)了OC對PC12細(xì)胞的保護(hù)作用。以上研究提示OC可以通過AKT/GSK3β通路減少PD大鼠中多巴胺能神經(jīng)元損耗進(jìn)而改善PD大鼠運(yùn)動(dòng)癥狀。

3.3 OC可減輕中樞神經(jīng)炎癥

TNF-α和IL-1β等促炎因子的過表達(dá)是PD的常見特征[35]，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中最常見的兩種與慢性炎癥反應(yīng)相關(guān)的細(xì)胞，參與PD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展[36-37]。Guo等[34]用6-OHDA損傷大鼠黑質(zhì)并且測量了紋狀體中TNF-α和IL-1β的mRNA水平，然后將黑質(zhì)和紋狀體中GFAP和Iba1陽性膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行染色。結(jié)果顯示，用6-OHDA損傷的大鼠黑質(zhì)中，損傷側(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞顯著增加；給予OC后紋狀體中TNF-α和IL-1β的表達(dá)降低并且黑質(zhì)中星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量顯著減少。以上研究提示OC可以通過降低炎癥因子的表達(dá)以及抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖改善PD癥狀[38]。

3.4 OC通過腸道菌群影響PD

近年來，腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系越來越受到關(guān)注[39-41]，短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是腸道微生物的主要代謝物，將腸道微生物群的信號(hào)傳遞給宿主。有研究表明[42-43]，SCFAs對調(diào)節(jié)腦功能和血液組織屏障的完整性有有益的作用。然而，與一般公認(rèn)的有益作用相反，一項(xiàng)研究[40]顯示，在PD模型中，SCFAs是加速神經(jīng)炎癥和α-突觸核蛋白病的主要調(diào)節(jié)因子。因此，從微生物群角度尋找治療PD的方法具有重要意義。

Hou等[44]用16SrRNA測序結(jié)果顯示PD小鼠與對照組小鼠相比腸道菌群發(fā)生了明顯的改變，厚壁菌門和擬桿菌門顯著減少；而OC處理后顯著逆轉(zhuǎn)了這種變化。并且與對照組相比，PD小鼠糞便丙酸顯著減少，但給予OC后顯著逆轉(zhuǎn)了這種變化。以上研究提示腸道群菌改變是PD的病理變化之一，OC可以改善PD小鼠腸道群菌組成，或許可以對PD患者起到一定治療作用。

4 小結(jié)與展望

OC可以通過多種方式對AD及PD的病理過程產(chǎn)生影響。Oury等[16]提出，隨著年齡增長改善骨骼健康可能對認(rèn)知功能產(chǎn)生有益影響。Cheng等[45]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞自噬功能缺陷會(huì)激活炎癥小體進(jìn)而引起帕金森樣癥狀。OC是否會(huì)影響小膠質(zhì)細(xì)胞自噬從而改善PD相關(guān)癥狀，有待于進(jìn)一步探究。亨廷頓舞蹈癥也是一種神經(jīng)退行性病變，有研究顯示亨廷頓舞蹈癥與多巴胺系統(tǒng)功能障礙有關(guān)[46]，OC是否會(huì)對亨廷頓舞蹈癥病理過程產(chǎn)生影響有待于進(jìn)一步探索。未來，有必要更深入地研究OC對神經(jīng)退行性疾病的作用機(jī)制，為OC作為外周潛在靶點(diǎn)治療神經(jīng)退行性疾病提供更多實(shí)驗(yàn)依據(jù)。