整合素通過PI3K/Akt 信號通路調(diào)控畜禽骨骼健康的研究進(jìn)展

路亞男，丁文麗，岳濤靜，徐博文，黃淑成

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

隨著近年來國內(nèi)外畜禽業(yè)的迅速發(fā)展， 由于生產(chǎn)養(yǎng)殖的集中化以及飼養(yǎng)管理和基因遺傳控制的改善，畜禽的生長周期大大縮短，導(dǎo)致畜禽體重在短期內(nèi)迅速增加，骨骼的強度不足以支撐機體的快速發(fā)展，造成畜禽骨骼長期處于亞健康狀態(tài)［1］。骨骼是脊椎動物中堅硬的結(jié)締組織， 具有構(gòu)成機體基本支架、保護臟器、支撐體重和維持運動的作用［2］。 骨骼發(fā)育主要是通過膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)骨化完成的， 該過程由多種調(diào)控因子組成的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)調(diào)控破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞生成以確保骨代謝正常。 成骨細(xì)胞（osteoblast）是骨形成細(xì)胞的重塑單位，是間充質(zhì)干細(xì)胞的終末分化產(chǎn)物，成熟的成骨細(xì)胞是位于骨表面的單層細(xì)胞， 具有合成骨基質(zhì)的重要功能［3］。破骨細(xì)胞（osteoclast）主要分布在骨表面，通過釋放乳酸、檸檬酸、碳酸、碳酸酐酶以及溶酶體等對骨組織進(jìn)行分解破壞。 在骨重建過程中，破骨細(xì)胞貼附在舊骨區(qū)域，分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，形成骨吸收陷窩；隨后，成骨細(xì)胞移行至被吸收部位，分泌骨基質(zhì)，骨基質(zhì)礦化后形成新骨［4］。

骨的分解吸收與新骨形成之間的平衡是維持正常骨代謝的關(guān)鍵。 骨代謝是指機體內(nèi)骨骼組織在生長、發(fā)育和維持骨量平衡過程中，成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞進(jìn)行的一系列維持機體正常骨量的過程。 其中，成骨細(xì)胞負(fù)責(zé)合成和礦化新骨，破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)對礦化的骨基質(zhì)進(jìn)行分解吸收， 生長時期骨量呈線性增長，骨生長停止后，破骨細(xì)胞對骨的吸收和成骨細(xì)胞的生成協(xié)同作用使骨骼處于平衡狀態(tài)［4］。 骨代謝通常發(fā)生在骨表面的聚焦部位，即骨代謝單位（bone metabolic unit，BMU），許多BMU的累積行為構(gòu)成整個機體的骨代謝， 如果周轉(zhuǎn)率增加， 骨形成組織中的缺陷或骨吸收的任何不平衡都有可能導(dǎo)致功能完整性發(fā)生明顯變化。 骨形成受損會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松中的骨量降低和骨骼脆性升高， 臨床上骨代謝疾病主要包括佝僂病、 軟骨病、骨質(zhì)疏松癥等，主要表現(xiàn)為骨折、骨痛、肌無力和發(fā)育畸形［5］。

近幾年，人們對于整合素（integrin）通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）信號通路影響骨骼健康的關(guān)注度增加。越來越多的研究表明，整合素β1 和β3 參與成骨細(xì)胞分化過程中各種細(xì)胞因子調(diào)節(jié)過程［6］。 整合素作為PI3K 的上游引物之一， 其中幾種亞基在受到胞外物質(zhì)的刺激后自身發(fā)生磷酸化，而后通過PI3K/Akt 途徑引起骨代謝發(fā)生變化。 有研究指出， 整合素家族中的整合素α2β1 被證實通過細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK） 途徑在促進(jìn)成骨細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用［7］。 整合素αvβ3 與集落刺激因子1 受體 （colony stimulating factor 1 receptor，CSF1R 或c-FMS）結(jié)合，形成破骨細(xì)胞遷移所需的細(xì)胞骨架， 通過激活ERK/c-Fos 信號通路來調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附、分化和增殖［8-9］。 研究表明，富血小板血漿可以通過激活整合素改變局部黏著斑激酶 （focal adhesion kinase，F(xiàn)AK） 的結(jié)構(gòu)， 再通過PI3K/Akt 信號通路治療兔牙槽骨骨內(nèi)缺損， 改善骨愈合的過程［10］。 整合素可能通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨代謝發(fā)揮調(diào)控作用， 但具體機制仍需要進(jìn)一步研究。 整合素、PI3K/Akt 信號通路、畜禽骨健康三者之間存在緊密的聯(lián)系， 通過干預(yù)整合素-PI3K/Akt 信號通路來維持骨骼健康具有潛在的開發(fā)前景。綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)報道，筆者在闡述整合素和PI3K/Akt 信號通路對骨代謝作用的基礎(chǔ)上，重點綜述了整合素通過PI3K/Akt 信號通路影響畜禽骨代謝的研究進(jìn)展， 以期為預(yù)防和治療畜禽骨骼疾病提供參考。

1 整合素

1.1 整合素概述

整合素是由α 亞基和β 亞基以非共價鍵結(jié)合形成的異源二聚體，在細(xì)胞膜表面參與細(xì)胞之間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間相互作用的一種跨膜細(xì)胞黏附分子。 在哺乳動物中， 目前發(fā)現(xiàn)整合素至少有18 種α 亞基和8 種β 亞基， 組成24 種整合素分布在機體不同的組織器官中［11］。 整合素的2 條支鏈在空間上平行于細(xì)胞外端匯合形成“U”字形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上包括大的細(xì)胞外區(qū)、單一的單次跨膜區(qū)和很短的胞內(nèi)區(qū)三部分［12］。

整合素的功能主要是通過其在細(xì)胞膜表面發(fā)生的非活化構(gòu)象-活化構(gòu)象之間的變化以及胞內(nèi)轉(zhuǎn)運等多種機制共同調(diào)節(jié)發(fā)揮作用。 具體表現(xiàn)為整合素的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域協(xié)調(diào)細(xì)胞骨架聚合物和細(xì)胞內(nèi)復(fù)合物的組裝， 細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域與相鄰細(xì)胞表面的受體或細(xì)胞外基質(zhì)大分子結(jié)合［13］，從而介導(dǎo)細(xì)胞生存、免疫監(jiān)視、血管生成、發(fā)育和炎癥等多種生理過程。整合素功能異常會引起免疫缺陷、炎癥性疾病、骨代謝異常、腫瘤和癌癥等疾病［14］。 此外，整合素可激活FAK/PI3K/Akt 通路，即作為刺激因子通過FAK/PI3K/Akt 信號通路對骨骼健康造成一定程度的影響。

1.2 整合素活性調(diào)控

已有研究表明，激素、細(xì)胞因子、細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）等刺激因子可以激活整合素，使其蛋白發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平和pH 值升高，產(chǎn)生磷脂代謝產(chǎn)物以進(jìn)行后續(xù)的信息傳遞［14］。 整合素可以將細(xì)胞外信號向細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)，也可以將細(xì)胞內(nèi)信號向細(xì)胞外傳導(dǎo)，這是其獨有的雙向信號傳導(dǎo)的特性。 整合素信號的傳遞恰好體現(xiàn)了其活化與非活化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變， 這與整合素構(gòu)象直接相關(guān)， 而上調(diào)蛋白和配體結(jié)合的過程就是整合素的活化過程［15］。在正常生理狀態(tài)下，整合素以非活化的折疊構(gòu)象存在于細(xì)胞表面，α、β亞基結(jié)構(gòu)域緊密排列， 胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域彎曲且彼此靠近，處于親和力較低的狀態(tài)。當(dāng)整合素被刺激因子激活后，尾部結(jié)構(gòu)域完全直立，α、β 亞基頭部結(jié)構(gòu)域完全伸展；尾部結(jié)構(gòu)域進(jìn)一步分離，hybrid 結(jié)構(gòu)域外擺并改變尾部構(gòu)象，頭部結(jié)構(gòu)域打開，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域不再是緊密聯(lián)系而是彼此分開。一方面，胞內(nèi)調(diào)控蛋白與整合素α、β 亞基胞內(nèi)段結(jié)合， 通過由內(nèi)向外的信號使整合素轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘶?gòu)象； 另一方面， 胞外結(jié)構(gòu)域與細(xì)胞外基質(zhì)配體以高親和力結(jié)合， 引發(fā)整合素構(gòu)象進(jìn)一步伸展及其在細(xì)胞膜上的聚簇， 通過由外向內(nèi)的信號激活胞內(nèi)信號通路（見圖1）［16］。

圖1 整合素活化機制

在由外向內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，配體（Ligand）與整合素受體蛋白結(jié)合，最后結(jié)合在整合素上；踝蛋白（Talin）是一種與細(xì)胞遷移運動高度相關(guān)的蛋白質(zhì)，常見于FAK 結(jié)構(gòu)內(nèi)；黏著斑蛋白Kindlin 是一種新型的、在進(jìn)化上高度保守的、含有FERM 結(jié)構(gòu)域的蛋白家族。

1.3 整合素在骨骼健康中的作用

整合素廣泛表達(dá)于全身各組織器官， 參與機體內(nèi)多種生理功能的調(diào)控過程。 整合素及其活性調(diào)控相關(guān)蛋白和因子的表達(dá)缺失會影響組織的形成，造成不同類型疾病的發(fā)生。在整合素與骨骼健康的相互關(guān)系中， 最常見的是整合素參與調(diào)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的病理過程， 具體表現(xiàn)主要是整合素分布在軟骨中，某些亞基可以與層粘連蛋白結(jié)合，從而在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮重要作用［17］。 整合素α5β1 的α5 亞基缺失可影響軟骨損傷，α5β1 的亞基傳導(dǎo)過量的應(yīng)激刺激引起細(xì)胞外基質(zhì)損傷與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生有關(guān)［18］。整合素αvβ3 可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲和骨細(xì)胞溶解［19］。 整合素活化過程中由于抑制蛋白作用受阻而引起的疾病不多， 有報道表明，filamin 基因突變主要引起骨骼病變，說明filamin 蛋白抑制后導(dǎo)致整合素?zé)o法活化， 這對于骨代謝也產(chǎn)生極大影響［20-21］。 此外，有研究表明整合素也與癌癥、炎癥有關(guān)。 整合素β4 在肝癌細(xì)胞中高度表達(dá)， 運用信號通路抑制劑PKI-587 能夠逆轉(zhuǎn)肝細(xì)胞癌增殖、遷移的效應(yīng)［22］。 Kindlin-3 缺失使整合素遷移能力下降，進(jìn)一步影響細(xì)胞黏附，可能導(dǎo)致機體出現(xiàn)炎癥和免疫反應(yīng)等［23］。 目前國內(nèi)外對于整合素在骨骼健康方面的研究還主要集中在骨關(guān)節(jié)炎上， 關(guān)于整合素對其他骨骼疾病的調(diào)控作用機制有待進(jìn)一步研究。

2 PI3K/Akt 信號通路對骨骼健康的調(diào)控機制

PI3K/Akt 信號通路是由PI3K 和Akt 構(gòu)成的重要通路。 PI3K 是生長因子受體蛋白酪氨酸激酶2（protein tyrosine kinase 2，PTK2）下游的主要信號傳導(dǎo)成分， 屬于脂質(zhì)酶家族， 其活化由質(zhì)膜上PTK2 的磷酸化觸發(fā)［24］。磷酸化脂質(zhì)信號的傳導(dǎo)發(fā)生在細(xì)胞膜上， 有助于各種信號傳導(dǎo)成分的募集和激活。 Akt 又稱為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B（PKB），作為PI3K 最重要的下游效應(yīng)器，在整個級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。 哺乳動物中Akt分 為3 種 亞 型：Akt1/pkBα、Akt2/pkBβ 和Akt3/pkBγ， 因其亞型特異性可被多種信號激活［25-26］。Akt 通 過3，4，5- 三 磷 酸 磷 脂 酰 肌 醇（phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3） 與Akt PH 區(qū)結(jié)合而被激活，引起構(gòu)象發(fā)生改變，進(jìn)一步導(dǎo)致Ser473 和Thr308 位點雙磷酸化，Akt 從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移至其他細(xì)胞區(qū)域進(jìn)行磷酸化， 進(jìn)一步激活下游效應(yīng)分子。 PI3K-Akt 信號通路調(diào)節(jié)許多正常細(xì)胞過程，主要在細(xì)胞增殖、存活、生長、運動和炎癥反應(yīng)等多個過程發(fā)揮關(guān)鍵作用［27］。

有研究報道， 利用玫瑰樹堿及自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對軟骨降解模型兔進(jìn)行治療， 發(fā)現(xiàn)炎癥因子減少、 基質(zhì)金屬蛋白酶 （matrix metalloproteinase，MMP）下調(diào)，從而實現(xiàn)對軟骨的保護作用，此外，PI3K/Akt、p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等炎癥通路下調(diào)可減輕炎癥［28］；推測玫瑰樹堿和自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療通過PI3K/Akt 信號通路減輕炎癥，進(jìn)而可能通過下調(diào)MMP 來促進(jìn)退化關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)。 在骨腫瘤的治療中需要面對癌細(xì)胞殘留和術(shù)后骨缺損的巨大挑戰(zhàn)，而氨基功能化鋯基MOF納米顆粒有可能通過PI3K/Akt 信號通路或者M(jìn)APK 途徑增強前成骨細(xì)胞的成骨分化作用［29］。據(jù)報道，PI3K/Akt 通路與成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的凋亡密切相關(guān)。 杯莧甾酮可能通過骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的PI3K/Akt 信號通路抑制地塞米松誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的激活， 可能通過減少空骨腔隙的百分比促進(jìn)類固醇誘導(dǎo)的股骨頭壞死（steroid-induced osteonecrosis of the femoral head，SIONFH）模型大鼠的骨修復(fù)［30］。

PI3K/Akt 信號通路是與骨骼健康密切相關(guān)的經(jīng)典信號通路，通過炎癥、自噬、凋亡等作用調(diào)節(jié)骨代謝平衡。 利用3，4-二羥基苯丙氨酸-IGF-1（3，4 -hydroxyphenalyalanine -containing recombinant insulin-like growth-factor-1，DOPA-IGF-1）修飾包裹小檗堿的聚乳酸-乙醇酸-羥基磷灰石（poly lactic-co-glycolic acid/hydroxyapatite，PLGA/HA）微球，封裝在復(fù)合微球中的小檗堿可以用于骨缺損的臨床治療，增強骨缺損修復(fù)效果，同時，體外試驗結(jié)果表明小檗堿可以有效激活I(lǐng)GF-1R/PI3K/Akt/mTOR 通路增強胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）介導(dǎo)的成骨分化作用［31］。 左歸丸能通過PI3K/Akt 通路提高血液中骨橋蛋白的含量， 調(diào)節(jié)骨保護素（osteoprotegerin，OPG）/核因子κB 配體的受體激活物（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）（OPG/RANKL）等多種通路，增加骨密度并改善 骨 微 結(jié) 構(gòu)［32］。 黃 酮 類 化 合 物Boeravinone B（BOB）可以完全抑制RANKL 誘導(dǎo)的PI3K/Akt 信號級聯(lián)反應(yīng)，說明BOB 可以通過抑制PI3K/Akt 途徑來改善骨量， 這對于破骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的分化至關(guān)重要。 另外，BOB 還可以通過調(diào)節(jié)NF-κB和MAPK 通路抑制破骨細(xì)胞分化［33］。 通過以上研究可知，PI3K/Akt 信號級聯(lián)反應(yīng)可以通過不同的上下游信號對骨骼發(fā)揮作用， 最終引起骨代謝發(fā)生一系列變化。 然而，目前關(guān)于PI3K/Akt 信號通路在畜禽骨骼調(diào)控方面的研究還較少。

3 整合素通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨代謝的作用機制

整合素可以接收來自細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的信號，被激活時自身發(fā)生磷酸化，F(xiàn)AK 通過整合素受體跨膜連接到ECM，在質(zhì)膜的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)側(cè)形成黏斑［34］。整合素需要對ECM 配體表現(xiàn)高親和力的開放構(gòu)象， 在FAK 及其復(fù)合物磷酸化的狀態(tài)下，才可實現(xiàn)高效的細(xì)胞信號遷移。詳細(xì)過程如下：胞外配體與整聯(lián)蛋白結(jié)合后，F(xiàn)AK 分子中的酪氨酸激酶Src 活化， 磷酸化的FAK 暴露Tyr-397 位點，PI3K 的SH2 結(jié)構(gòu)域直接與Src 形成復(fù)合體，活化PI3K，活化的磷脂酰肌醇產(chǎn)生2 種衍生物，即PI-3，4-二磷酸和PI-3，4，4，5-三磷酸［34］。

PI3K 和Akt 是FAK 的下游基因，在磷酸化狀態(tài)下被FAK 激活，F(xiàn)AK 又受上游調(diào)控因子整合素的調(diào)控。 Casar 等［35］研究發(fā)現(xiàn)活性整合素β1 與激活狀態(tài)下的CUB 結(jié)構(gòu)域蛋白1（CUB domain containing protein 1，CDCP1）復(fù)合，CDCP1 的整聯(lián)蛋白β1 與CDCP1 片段復(fù)合誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)磷酸化信號傳導(dǎo)。 Luo 等［36］研究發(fā)現(xiàn)乳腺癌患者血清中的14，15- 環(huán) 氧 二 十 碳 三 烯 酸 （14，15-epoxyeicosatrienoic acid，14，15-EET）可上調(diào)整合素αvβ3的表達(dá)水平，導(dǎo)致FAK/PI3K/Akt 信號激活，通過整合素αvβ3 和FAK/PI3K/Akt 級聯(lián)反應(yīng)激活誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞對EMT 和順鉑耐藥。 Oudart 等［37］證明膠原蛋白XIX 的NCI 結(jié)構(gòu)域通過誘導(dǎo)整合素αvβ3 磷酸化來控制FAK/PI3K/Akt/mTOR 信號途徑，這對于黑色素瘤的治療具有積極影響。

畜禽骨骼的生長發(fā)育受多種微環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，包括整合素和細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)合體的相互作用。參與骨骼發(fā)育過程的主要細(xì)胞包括骨細(xì)胞、 成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨中的軟骨細(xì)胞，骨代謝發(fā)生異常時， 有可能是受到生物力學(xué)損傷或應(yīng)激源刺激， 這些因素?zé)o論是單獨作用還是組合作用都可能與骨骼健康程度有密切關(guān)系［38］。有報道表明，對患骨關(guān)節(jié)炎的馬用整合素α10β1 選擇性間充質(zhì)干細(xì)胞治療后， 其跛行和腕關(guān)節(jié)彎曲癥狀隨著治療時間的推移有所好轉(zhuǎn)， 說明該療法可以減輕骨關(guān)節(jié)炎和軟骨退化［39］。 骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)滑液中整合素β2 的高水平表達(dá)可作為輔助診斷骨關(guān)節(jié)炎的指標(biāo)［40］。 細(xì)胞外基質(zhì)中的層粘連蛋白通過與整合素結(jié)合相互作用導(dǎo)致成骨能力降低，在DBM 支架添加非膠原性層粘連蛋白CBD-LN 肽能夠明顯促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮祖細(xì)胞的增殖［41］。以上研究體現(xiàn)了整合素對于畜禽骨骼肌在不同方面的作用， 然而整合素發(fā)揮作用是否經(jīng)過下游機制PI3K/Akt 通路則需要進(jìn)一步探討。

影響骨骼健康的信號通路有很多， 如骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）/果蠅母本抗生存因子蛋白 （small mother against decapentaplegic protein，Smad）（BMP/Smad） 和p38 MAPK 通路，以及PI3K/Akt、Wnt/β-連環(huán)蛋白（βcatenin）、ERK、應(yīng)激激活蛋白激酶（stress-activated protein kinase，SAPK）、NF-κB 誘導(dǎo)激酶通路［42］。筆者重點關(guān)注的是PI3K/Akt 通路影響畜禽骨骼健康的相關(guān)機制。 整合素通過PI3K/Akt 信號途徑引起的機體相應(yīng)變化與細(xì)胞增殖、遷移、腫瘤、癌癥和骨骼代謝都有密切聯(lián)系。有報道指出，腸道微生物菌落失調(diào)也與代謝性骨病有關(guān)。 高血糖可抑制PI3K/Akt 通路，誘導(dǎo)血管收縮，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，而血管的損傷可能會導(dǎo)致成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞營養(yǎng)不足， 最終導(dǎo)致骨發(fā)育不良［1］。 強直性脊柱炎患者機體伴隨骨侵蝕引起的骨質(zhì)疏松，青藤堿可以通過細(xì)胞膜上的整合素α5調(diào)控下游PI3K/Akt 信號通路來調(diào)控成骨分化，而過表達(dá)整合素α5 使成骨分化上調(diào)，敲低則會抑制成骨分化［42-43］。 由此可知， 臨床上可通過調(diào)控PI3K/Akt 信號通路影響成骨細(xì)胞的分化， 這可能為將來治療畜禽骨骼疾病提供新思路。

3.1 整合素通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨形成過程的影響

整合素參與畜禽骨代謝的多個環(huán)節(jié)， 對于畜禽骨代謝具有雙向調(diào)節(jié)作用，不同亞基、不同類型的整合素參與特定的生理、病理過程，作為重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子， 通過介導(dǎo)多種生物物理刺激來調(diào)節(jié)骨代謝。Liu 等［43］利用兔下頜骨人工缺損模型研究發(fā)現(xiàn)，富血小板血漿可通過激活整合素，使其改變FAK 結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步觸發(fā)PI3K/Akt 通路來提高骨再生和骨沉積的速度。然而PI3K 抑制可導(dǎo)致充間質(zhì)祖細(xì)胞的增殖和成骨分化水平顯著降低， 從而減少骨形成。 Wang 等［44］證明成骨細(xì)胞中BK 蛋白（尤其是BKα 的C 端）與整合素β1 之間存在相互作用，可通過FAK 和ERK 激活整合素信號傳導(dǎo)，隨后導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子Runx2 表達(dá)水平增加， 加速成骨細(xì)胞分化和骨形成。 Qin 等［45］研究表明，小鼠骨細(xì)胞中整合素β1 表達(dá)的缺失會導(dǎo)致承重長骨和脊柱的骨量嚴(yán)重降低，以及骨細(xì)胞腔隙-小管系統(tǒng)增大和細(xì)胞形態(tài)異常?？偠灾?，整合素磷酸化結(jié)構(gòu)被激活時， 可以使骨形成增加。 但也有報道稱ATN-161 能對整合素α5β1 起到直接的抑制作用，減少MMP-13 的表達(dá)，減輕軟骨的降解，下調(diào)B 細(xì)胞淋巴瘤-2 相關(guān)X（Bax）蛋白，上調(diào)B 細(xì)胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma 2，Bcl-2）蛋白，從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步保護關(guān)節(jié)軟骨，減緩關(guān)節(jié)軟骨的退變［46］。

FAK 作為PI3K 上游重要的信號分子之一，被質(zhì)膜上的整合素和生長因子受體激活后將信號分子通過PI3K/Akt 信號通路傳遞至靶點，其在骨骼健康中發(fā)揮著十分重要的作用， 能夠在譜系分化過程中協(xié)調(diào)細(xì)胞骨架的變化。 He 等［47］研究表明，BMP9 可作為成骨誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，促進(jìn)骨缺損修復(fù)，還可通過BMP/Smad、環(huán)氧化酶-2 （cyclooxygenase-2，COX2）、 視網(wǎng)酸、IGF2 和FAK 來調(diào)節(jié)多種骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化； 分泌的酸性和富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)（secreted protein acidic and cysteine rich，SPARC）相關(guān)模塊鈣結(jié)合蛋白2 （SPARC related modular calcium binding protein2，SMOC2） 可 通 過FAK/PI3K/Akt 途徑來增強BMP9 誘導(dǎo)的成骨分化，這可能通過促進(jìn)SMOC2 和整合素β1 的相互作用來觸發(fā)。 Schreiber 等［48］研究證實小鼠二磷酸腺苷核糖化因子鳥苷酸激酶1 （adenosine diphosphate ribosylation factor guanylate kinase 1，ASAP1）缺失能通過FAK/Src 和PI3K/Akt 信號傳導(dǎo)引起生長遲緩和骨化延遲， 具體表現(xiàn)為生長板肥大區(qū)擴大和軟骨骨連接紊亂， 同時還會導(dǎo)致體外間充質(zhì)細(xì)胞的軟骨形成加速，抑制骨和脂肪形成分化。以上研究證實，PI3K/Akt 是傳導(dǎo)調(diào)節(jié)骨形成作用的重要信號通路。

進(jìn)一步來講， 整合素受到細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的刺激時，可能通過PI3K/Akt 傳導(dǎo)途徑引起骨代謝發(fā)生一系列反應(yīng)。 Lee 等［49］研究發(fā)現(xiàn)，流體剪切力能夠刺激骨細(xì)胞生成和釋放成骨細(xì)胞因子， 通過骨細(xì)胞互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的間隙連接轉(zhuǎn)移， 進(jìn)而誘導(dǎo)成骨細(xì)胞募集和骨細(xì)胞生長。 振蕩剪切應(yīng)力（oscillatory shear stress，OSS）誘導(dǎo)的成骨樣細(xì)胞MG63 增殖是由整合素αvβ3 和β1 通過與FAK 和Shc 介導(dǎo)發(fā)揮協(xié)同作用形成與PI3K 的異聚復(fù)合物，以及響應(yīng)OSS 刺激引起下游的PI3K-Akt/ERK 引發(fā)信號級聯(lián)。 實際上，在響應(yīng)OSS 的MG63 細(xì)胞中，PI3K 是激活A(yù)kt 和ERK 所必需的。 也有研究表明，對小鼠給予治療性低強度脈沖超聲后， 成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞標(biāo)志蛋白Wnt1 和β-catenin、 破骨細(xì)胞標(biāo)志蛋白RANKL 以及抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達(dá)顯著上調(diào)； 下頜成骨細(xì)胞受到機械負(fù)載后經(jīng)過整合素α5β1/PI3K/Akt 通路促進(jìn)其重塑并提高成骨細(xì)胞存活能力。在缺乏低強度脈沖超聲的情況下，顱骨Bcl-2、 整合素連接激酶 （integrin-linked kinase，ILK） 以及磷酸化的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR） 均完全表達(dá)［50］。 綜合以上研究表明，整合素通過PI3K/Akt來調(diào)控畜禽骨的形成（見圖2）。

圖2 整合素通路PI3K/Akt 信號通路對骨骼健康的調(diào)控機制

3.2 整合素通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨吸收過程的影響

整合素在信號傳導(dǎo)過程中受到某些刺激因子的作用時也可以對畜禽骨吸收方面產(chǎn)生一定的影響。骨吸收是指在較低的應(yīng)力水平下，骨組織的體積和密度逐漸發(fā)生下降的生理行為。 力學(xué)行為與破骨細(xì)胞明顯相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力水平較低時，破骨細(xì)胞比成骨細(xì)胞活躍則會引起骨的總量降低。Qin 等［51］研究表明骨細(xì)胞整合素β3 的表達(dá)缺失會導(dǎo)致成年小鼠的承重長骨骨量減少， 骨細(xì)胞中樹突的數(shù)量和長度減少。骨細(xì)胞整合素β3 的表達(dá)缺失顯著降低了成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成率， 并降低了骨微環(huán)境中骨髓基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化， 從而導(dǎo)致骨吸收過程增強。 孟喚男等［52］研究發(fā)現(xiàn)，骨痛靈、唑來膦酸及二者聯(lián)合用藥通過阻斷整合素αvβ3 影響破骨細(xì)胞偽足小體的形成， 進(jìn)而對破骨細(xì)胞的骨吸收功能產(chǎn)生一定影響。 韓曉玲等［53］研究指出2-乙?；锘ㄌ擒针m然對破骨前體細(xì)胞活性沒有顯著影響， 但能顯著抑制巨噬細(xì)胞集落刺激因子（macrophagecolony stimulating factor，M -CSF） 和RANKL 共同誘導(dǎo)的抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRAP）活性增加，進(jìn)一步表明2-乙?；锘ㄌ擒站哂幸种破乒羌?xì)胞形成及其功能的作用。

在畜禽骨代謝的作用機制中，PI3K/Akt 是一條極其重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路， 也是許多信號通路的必經(jīng)途徑。 成纖維細(xì)胞生長因子9（fibroblast growth factor 9，F(xiàn)GF9）的體外分化試驗表明，F(xiàn)GF9通過共激活MAPK 和PI3K/Akt 信號通路，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成并使其成為M-CSF 和RANKL 的潛在共刺激因子， 即可通過促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞聚集和細(xì)胞間融合來促進(jìn)M-CSF 和RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化，從而負(fù)向調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)［54］。 總之，整合素通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨吸收方面的研究具有重要意義。 PI3K/Akt 是整合素的下游級聯(lián)反應(yīng)之一，提示未來應(yīng)加強整合素通過PI3K/Akt 信號通路對骨吸收發(fā)揮的作用研究。

整合素能夠觸發(fā)多種信號通路的激活，PI3K/Akt 被認(rèn)為是整合素信號通路中的關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，通過激活下游靶向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮作用。 Li等［55］研 究 表 明，血 小 板 因 子4（platelet factor 4，PF4）作用于卵巢摘除模型大鼠后下調(diào)了5 個成骨關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的表達(dá)水平， 并抑制了整合素α5-FAK-ERK 通路，使成骨細(xì)胞減少，骨密度降低，骨微結(jié)構(gòu)惡化， 提示PF4 可能與抑制骨形成引起的骨質(zhì)疏松有關(guān)。 此外，有報道稱，ⅠA 類磷脂酰肌醇3-激酶在整合素αvβ3 下游被激活， ⅠA 類PI3K/Akt 途徑調(diào)節(jié)對破骨細(xì)胞骨吸收有至關(guān)重要的細(xì)胞機制，ⅠA 類PI3K 的特異性阻斷可能有助于預(yù)防骨質(zhì)疏松癥和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病中由活化的破骨細(xì)胞引起的過度骨質(zhì)流失［56］。 綜上，PI3K/Akt 信號通路在畜禽骨吸收方面發(fā)揮重要作用。

4 小結(jié)

近年來，整合素通過PI3K/Akt 信號通路對骨骼健康的影響已被人們廣泛報道， 但是整合素通過PI3K/Akt 途徑參與疾病的作用機制較復(fù)雜，作用范圍較廣泛。通過回顧以往的研究筆者發(fā)現(xiàn)，整合素通過PI3K/Akt 信號通路既可以在骨形成過程中促進(jìn)成骨細(xì)胞發(fā)揮重要作用， 也能在骨吸收過程影響破骨相關(guān)因子的表達(dá)。 隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化水平不斷提高，畜禽的生長速度加快，畜禽骨骼健康問題也逐漸凸顯。 雖然已有研究證明整合素通過PI3K/Akt 信號通路對畜禽骨代謝發(fā)揮關(guān)鍵作用，但具體的調(diào)控機制仍然不清楚。 因此，關(guān)注整合素如何通過作用于FAK/PI3K/Akt 信號通路在畜禽骨代謝調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用， 對于明確畜禽骨健康關(guān)鍵的調(diào)控機制和篩選靶標(biāo)藥物具有重要意義和價值。