激活蛋白-1在骨代謝相關信號通路中的作用研究進展

司艷鳳，張媛媛，畢凌云

(新鄉(xiāng)醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院兒科，河南 衛(wèi)輝 453100)

代謝性骨疾病是指機體因先天或后天因素破壞或干擾了正常骨代謝和生化狀態(tài)，導致骨生化代謝障礙而發(fā)生的骨疾病，發(fā)病機制包括骨吸收、骨生長和礦物質(zhì)沉積的異常[1]。成骨細胞和破骨細胞是維持骨骼生長及修復的重要細胞，健康成人成骨細胞的骨形成作用基本相當于破骨細胞的骨吸收作用，維持骨代謝平衡狀態(tài)[2-3]。代謝性骨疾病主要表現(xiàn)為骨形成和骨吸收之間的轉(zhuǎn)換紊亂或異常。激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)在骨骼生長和穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，與其調(diào)控破骨細胞和成骨細胞的增殖、分化和凋亡相關[4]。AP-1作為核因子-κB受體活化因子配體(receptor-activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL)/核因子-κB受體活化因子(receptor-activator of nuclear factor kappa B，RANK)信號通路的重要轉(zhuǎn)錄因子，其活性可受其他轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)及信號通路的上游激酶的控制[5-6]，其活化后可通過核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)和Jun氨基末端激酶(Jun N-terminal kinase，JNK)、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和p38信號通路調(diào)節(jié)破骨細胞形成，參與骨代謝過程，與骨質(zhì)疏松、骨腫瘤等代謝性骨病的發(fā)生發(fā)展相關[7]。鑒于AP-1生物學活性的多樣性及其在代謝性骨疾病發(fā)病中的作用，AP-1及其調(diào)節(jié)因子有望成為代謝性骨疾病的治療靶點。本文就AP-1的結(jié)構(gòu)和生物活性及其在骨代謝相關信號通路中的作用研究進展作一綜述，以期為代謝性骨疾病的治療提供新的思路。

1 AP-1的結(jié)構(gòu)和生物活性

1987年，AP-1被發(fā)現(xiàn)參與了對人金屬硫蛋白(metallothionein，MT)Ⅱa基因和佛波酯(12-O-tetradecanoylphorbol-13 acetate，TPA)誘導基因表達的調(diào)控，因而其被鑒定為轉(zhuǎn)錄因子，是目前已知的、最早的轉(zhuǎn)錄因子之一[8]。AP-1是由Fos、Jun、激活轉(zhuǎn)錄因子(activating transcription fator，ATF)及肌肉腱膜纖維肉瘤(musculoaponeurotic fibrosarcoma，MAF)蛋白家族組成的同源或異源二聚體[9]，如Fos/Jun、Jun/Jun、Fos/ATF等，但除外Fos/Fos[10]。這些蛋白質(zhì)具有高度保守的堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域，其中亮氨酸拉鏈參與基因的二聚化，堿性區(qū)域可結(jié)合特定DNA基序[9]。目前，研究最多的是Jun和Fos蛋白家族，F(xiàn)os家族成員包括c-Fos、FosB、FosB、Fra-l和Fra-2，Jun家族成員包括c-Jun、v-Jun、JunB和JunD，這些蛋白成員也是主要的AP-1組成蛋白。AP-1是調(diào)節(jié)細胞增殖、分化和凋亡的關鍵轉(zhuǎn)錄因子，在體內(nèi)多種組織中都起著關鍵作用。AP-1作為基因轉(zhuǎn)錄的分子開關，其活性由細胞因子、生長因子、激素、氧化應激、紫外線照射、病毒和細菌感染等多種內(nèi)在和外在的刺激和環(huán)境損傷所誘導[11]。活化的AP-1與TPA反應元件或cAMP反應元件中的DNA結(jié)合，進而調(diào)控染色質(zhì)和基因轉(zhuǎn)錄，誘導基因組表達[8]。AP-1活性失調(diào)與腫瘤、哮喘及自身免疫性疾病等多種疾病的發(fā)生相關[7,12]，但早期關于AP-1的研究大多數(shù)集中在腫瘤生物學領域。

2 AP-1與骨代謝

骨代謝包括成骨細胞/軟骨細胞參與骨形成，以及破骨細胞參與骨吸收，骨代謝的平衡狀態(tài)對保持骨骼功能的完整性至關重要[4]。近年來，通過對攜帶不同F(xiàn)os和Jun基因的小鼠和細胞的分析發(fā)現(xiàn)，AP-1 在骨發(fā)育和骨疾病中具有重要的生物學功能。

2.1 AP-1對成骨細胞/軟骨細胞的調(diào)控作用AP-1參與成骨細胞分化的第1個實驗證據(jù)來自于對過表達Fos轉(zhuǎn)基因小鼠的分析，在這些小鼠中，c-Fos通過成骨細胞的轉(zhuǎn)化促進成骨性腫瘤的形成，提示c-Fos 參與了體內(nèi)的骨形成過程[13]。通過對Fos家族其他成員的研究發(fā)現(xiàn)，在成骨細胞中過表達Fra-1的轉(zhuǎn)基因小鼠會隨著整個骨骼形成的增強而形成骨硬化[11]；缺乏Fra-1的小鼠成骨細胞數(shù)量和正常破骨細胞沒有改變，但骨基質(zhì)生成減少?；谶@些小鼠成骨細胞數(shù)量正常而骨基質(zhì)成分減少，說明Fra-1在成骨細胞骨形成上的作用主要是通過調(diào)節(jié)基質(zhì)的產(chǎn)生來影響成骨細胞活性，而不是通過影響成骨細胞的增殖或分化來影響成骨細胞活性。研究發(fā)現(xiàn)，胚胎和新生小鼠中缺乏Fra-2會影響軟骨細胞的分化和基質(zhì)的產(chǎn)生，小鼠在出生后不久會死于嚴重的骨質(zhì)減少和其他器官缺陷[14]。由于成骨細胞的分化增加，F(xiàn)ra-2 過表達小鼠會發(fā)生骨硬化[15]，這可能與細胞的自主性有關。此外，缺乏JunB的小鼠，由于細胞自主性成骨細胞減少和破骨細胞增殖和分化的缺陷，也表現(xiàn)出骨質(zhì)減少[16]。說明Fos和Jun蛋白是骨形成的關鍵調(diào)節(jié)劑，其作用機制可被用來開發(fā)治療低骨質(zhì)量疾病的新藥。

2.2 AP-1對破骨細胞的調(diào)控作用Fos參與破骨細胞的形成來自于對c-Fos基因敲除小鼠動物模型的研究，研究發(fā)現(xiàn)，缺失c-Fos的小鼠由于缺乏破骨細胞，骨吸收減少導致骨量增加，進而發(fā)展成骨硬化[17]。Fra-1可以替代c-Fos在小鼠體內(nèi)的功能，在Fra-1替代c-fos的轉(zhuǎn)基因小鼠中，骨硬化表型可通過表達Fra-1得到緩解，并可以通過基因插入來實現(xiàn)完全恢復[18]。研究發(fā)現(xiàn)，當動物缺乏JunB時會導致破骨細胞的形成減少，說明JunB是破骨細胞分化過程中所需要的一個Jun成員[19]；然而，JunB缺乏并不會完全導致破骨細胞分化障礙，表明Jun成員可以在破骨細胞形成過程中部分地相互替代。

3 AP-1相關信號通路

RANK主要在破骨前體細胞和成熟破骨細胞中表達[20]，RANKL則主要在成骨細胞和骨細胞中表達[9]。當破骨前體細胞表面的RANK與成骨細胞釋放的RANKL結(jié)合后，在腫瘤壞死因子受體相關因子(tumor necrosis factor receptor associated factor，TRAF)的參與下，刺激NF-κB和3種絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)Jun氨基末端激酶(Jun N-terminal kina JNK)、ERK、p38通路啟動下游級聯(lián)信號傳導[6,9]。MAPK屬于絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶家族，可通過高度保守的三級激酶模式依次激活，即MAPK被MAPK激酶(mitogen-activated protein kinase kinase,MAPKK)磷酸化后激活，MAPKK被MAPKK激酸激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)磷酸化而激活。而MAPKKK通過與小GTPase和(或)其他蛋白酶相互作用而被激活，從而將MAPK和細胞表面的受體以及細胞外的信號聯(lián)系在一起。

3.1 NF-κB信號通路活化T細胞核因子c1(nuclear factor of activated T-cell c1，NFATc1)是活化T細胞核因子的成員，是體內(nèi)調(diào)節(jié)破骨細胞生成的重要調(diào)節(jié)因子[21]。RANKL與RANK結(jié)合后，TRAF6結(jié)合到RANKL的細胞質(zhì)區(qū)，NF-κB抑制物激酶(inhibitor of NF-κB kinases，IKKs) 被激活，啟動信號通路，激活NF-κB，活化的 NF-κB轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi)，NF-κB的p50和p65亞基因誘導c-fos、NFATc1 表達增加，c-fos與NFATc1 相互作用，引起破骨細胞基因的轉(zhuǎn)錄與表達，誘導破骨細胞生成[22]?；蛐酒娜蚪M分析也證實，RANKL在體外破骨細胞生成中可誘導NF-κB活化，啟動信號通路[23]。研究發(fā)現(xiàn)，缺乏NF-κB亞基的小鼠由于成熟破骨細胞的缺乏而表現(xiàn)出嚴重的骨質(zhì)疏松，體現(xiàn)了NF-κB信號通路在破骨細胞形成中的作用[22]。

3.2 JNK信號通路JNK由JNK1、JNK2和JNK3 3個基因編碼，是MAPK的一個組成部分[24]。其中，JNK1和JNK2在多種組織中廣泛表達，而JNK3主要在腦、睪丸和心臟組織中表達[25]。在RANKL-RANK-TRAF6-JNK信號通路中，活化的JNK通過磷酸化Fos、Jun 來增強 AP-1 的轉(zhuǎn)錄活性，促進破骨細胞形成[26]。DAVID等[27]、KE等[28]研究發(fā)現(xiàn)，RANKL可激活JNK1，并通過磷酸化c-Jun來調(diào)控破骨細胞生成。另有研究發(fā)現(xiàn)，通過使用SP600125(JNK抑制劑)阻斷JNK和c-Jun通路，可抑制RANKL誘導的破骨細胞分化[29]，表明c-Jun激活對RANKL誘導破骨細胞分化十分必要。以上這些研究數(shù)據(jù)表明，JNK1和c-Jun的激活在RANKL誘導破骨細胞形成中必不可少。

3.3 ERK信號通路細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)是MAPKs信號通路的另一重要成員，ERK主要以ERK1和ERK2形式存在。ERK1/2在細胞質(zhì)中被激活(即磷酸化)，易位到細胞核，可激活轉(zhuǎn)錄因子c-Jun和Fos，進而調(diào)控AP-1的表達，促進破骨細胞分化[9]。胰島素也可以通過ERK1/2激活誘導RANKL-RANK的表達，促進骨髓巨噬細胞向破骨細胞的分化。此外，人類分化的破骨細胞通過輔助性T細胞2(T-helper type 2 cell，Th2)受到前列腺素D2的攻擊時發(fā)生凋亡，這也涉及到ERK1/2信號通路，但并不能作為IKKs/NF-κB信號通路的抑制[32]。因此，推測設計用來抑制ERK1/2激活的藥物將被開發(fā)用于治療那些通過ERK1/2激活導致基因表達失調(diào)的疾病。

3.4 p38MAPK 信號通路p38MAPK由p38MAPKα、p38MAPKβ、p38MAPKγ和 p38MAPKδ 4個家族成員組成，在調(diào)控細胞增殖、分化、組織發(fā)育及穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[31]。RANKL與RANK結(jié)合后，在TRAF6的參與下，激活p38MAPK信號通路，激活后的p38MAPK通過磷酸化下游的信號分子肌細胞增強因子2C(myocyte enhancer factor 2C，MEF2C)及ATF-2，使AP-1復合物的表達增加，進而促進破骨前體細胞功能活化，分化生成破骨細胞[22]。此外，p38MAPK對成骨細胞也有重要的調(diào)節(jié)作用，有研究報道，在經(jīng)典的Wnt3a刺激下，p38MAPK可提高β-catenin 轉(zhuǎn)錄活性，與經(jīng)典的Wnt/β-catenin通路協(xié)同調(diào)控成骨細胞[32]。Wnt1、Wnt2、Wnt3、Wnt3a和Wnt8是經(jīng)典Wnt信號通路的主要細胞外蛋白。Wnt3a可通過抑制NF-κB誘導的NFATc1表達來抑制破骨細胞的形成。而在非經(jīng)典Wnt信號通路中，Wnt4可通過參與轉(zhuǎn)化生長因子-β活化激酶1(transforming growth factor beta activated kinase 1，TAK1)和NF-κB的激活，引起破骨細胞基因的表達，進而增加骨吸收[33-34]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)可激活成骨細胞中的p38MAPK，進而磷酸化Smad1，使其易位入核，協(xié)同Smad信號通路，調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化[35]。因此，p38MAPK是調(diào)節(jié)骨代謝的重要信號通路，該通路中任何基因發(fā)生突變都有可能出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、骨腫瘤等代謝性骨疾病，研究調(diào)節(jié)成骨細胞及破骨細胞活性的藥物將成為未來治療代謝性骨疾病的新靶點。

3.5 其他信號通路RANK-RANKL信號通路除了通過NF-κB和JNK、ERK和p38信號通路調(diào)節(jié)破骨細胞形成外，蛋白激酶B及鈣調(diào)磷酸酶-活化T細胞核因子信號通路[36]等也參與調(diào)節(jié)破骨細胞相關基因的表達，使骨吸收增強，引起骨質(zhì)疏松。RANK-RANKL信號通路在成骨細胞中也具有重要的作用。研究表明，破骨細胞釋放表達RANK的細胞外囊泡，與成骨細胞上的RANKL相互作用，可通過RANK-RANKL反向信號通路促進成骨細胞形成[37]；也可以通過上述p38MAPK介導的BMP信號通路、經(jīng)典和非經(jīng)典的Wnt信號通路調(diào)節(jié)成骨細胞的形成[38-39]。因此，RANKL-RANK信號通路是骨代謝性疾病的潛在治療靶點。目前已研發(fā)出RANKL特異性人源性IgG2單克隆抗體德諾單抗(Denosumab)，用于治療骨質(zhì)疏松癥、骨肉瘤[40]，但該藥物長期應用的安全性還有待于進一步的研究。

4 結(jié)語與展望

AP-1作為RANKL/RANK信號通路的重要轉(zhuǎn)錄因子，主要通過NF-κB和JNK、ERK和p38信號通路調(diào)節(jié)破骨細胞形成，參與骨代謝過程，與骨質(zhì)疏松、骨腫瘤等代謝性骨疾病的發(fā)生發(fā)展相關。目前，雖已研究出針對RANKL抑制骨吸收的人源性單克隆抗體德諾單抗用于治療骨質(zhì)疏松癥、骨肉瘤，但該藥物長期應用的安全性還有待于進一步研究。此外，在這些信號途徑中，AP-1的活性受其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用的調(diào)節(jié)及信號通路的上游激酶的控制，這為代謝性骨疾病的治療提供了新的藥物靶點，是未來研究的熱點。