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骨髓间充质干细胞成骨分化过程中关键信号通路的调控作用

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检验医学与临床2014年l2月第1l卷第24期Lab Med Clin,December 2014,Vo1.1I,No.24 ・3491・ ・综 述・ 骨髓间充质干细胞成骨分化过程中关键信号通路的 调控作用 张 莉 综述,张 波 ,刘鲁川 审校(1.第三军医大学大坪医院口腔科,重庆400042; 2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所,重庆40OO42) 【关键词】骨髓间充质干细胞; 成骨分化; 信号通路 DOI:10.3969/j.issn.1672—9455.2014.24.049 文献标志码:A 文章编号:1672—9455(2014)24—3491—02 利用组织工程技术在人体内形成稳定的组织工程化骨组 Cbfal表达引起成骨细胞分化能力异常增强,并最终导致颅缝 织并修复骨缺损,克服了传统方法中的不足,有望真正实现骨 早闭。而利用FGFR2突变小鼠模型研究却发现FGFR2突变 组织再生和功能重建_1]。种子细胞是组织工程研究中最基本, 小鼠颅缝成骨细胞的增生和分化能力无明显变化,其分化能力 也是首要的环节。骨髓间充质干细胞(BMScs)是一种未充分 有时还会降低。用培养的成骨细胞转染突变型FGFR2表达 分化的类中胚层细胞,可在一定条件下定向分化为成骨细胞。 载体后也发现成骨细胞的分化受到抑制,但成骨细胞凋亡受到 作为骨组织工程的种子细胞之一,具有取材方便、对机体损伤 促进。FGFR2突变导致的颅缝提前闭合的原因可能是过度的 小、免疫源性小等优点。已有的分子和遗传学研究表明,BM— 凋亡导致成骨性干细胞的分裂增生降低,颅缝处可增殖的前成 SCs成骨分化及成骨细胞分化成熟及矿化过程中,多种信号通 骨细胞减少。 路参与调节,并最终汇聚到成骨细胞的骨特异性转录因子 2 Wnt/13-eatenin信号通路 Runx2/Cbfal,影响Runx2/Cbfal的转录和成骨分化。本文结 Wnt蛋白是一类富含半胱氨酸的糖脂蛋白,由wnt基因 合国内外研究成果,对与BMsCs成骨分化和成骨细胞分化、 编码产物所介导的信号传导通路称为Wnt信号通路。Wnt信 成熟有着密切关系的信号通路的研究现状进行回顾。 号通路主要成员包括细胞外因子(Wnts)、跨膜受体(frizzled)、 1 FGFs/FGFRs信号通路 胞质蛋白(B—catenin)及核内转录因子(TCFS/LEF)。除此还 成纤维细胞生长因子(FGFs)是一类肽类分子,属于肝素 有LRP5、DKKS、sfrps、GSK3 ̄t等成分参加。Wnt通路的下游 结合生长因子家族(HBGF),目前包括23个成员。FGFs家族 靶基因多数是参与细胞增生与凋亡的基因。越来越多的研究 成员之间有着3O ~8O 相同的氨基酸序列,其中心区域有 结果表明,Wnt信号通路在骨重建过程中起着至关重要的 大约120个氨基酸序列存在高度的同源性。FGFs以自分泌/ 作用。 旁分泌的作用与细胞表面的相应成纤维细胞生长因子受体 Wnt信号通路包括3条分支:(1)Wnt/13-catenin途径;(2) (FGFRs)结合,将信号传递到胞内。FGFRs属于免疫球蛋白 Wnt/planar cell polarity或者wnt/JNK途径;(3)Wnt/Ca抖途 样受体酪氨酸激酶(RTK)家族。目前已发现5种高度同源的 径。Wnt/13-catenin途径又称经典Wnt通路,Wnt/JNK和 FGFR(FGFR1~5),其中FGFR1~3多在成骨和软骨细胞表 Wnt/Ca抖途径又称非经典wnt通路。目前对经典Wnt通路 达。作为跨膜受体,FGFRs均由胞外区、跨膜区和胞内区三部 的研究最为充分。细胞未激活时,细胞质中的 catenin与细 分组成。当FGFs与FGFRs胞外段结合后产生一系列细胞内 胞黏附分子相互结合,共同定位在细胞连接处起维持细胞连接 蛋白质级联反应:首先FGFRs发生二聚体化,然后胞内段酪氨 的作用。经典信号通路以B—catenin稳定表达及向核内转移为 酸激酶活性区发生自身磷酸化,催化受体靶蛋白发生磷酸化, 特征,其基本转录过程如下:在Wnts配体缺乏情况下,8一cate— 从而使FGFs的信号传递给细胞核。研究表明,FGFs/FGFRs nin与Axin、APC结合,经GSK313、CKla的磷酸化,被泛素/蛋 信号传递是血管新生、胚胎发育、骨骼形成、伤口愈合、纤维化 白酶体降解。当某种wnt配体与胞膜上的受体Frizzled、LRP一 及肿瘤形成的重要原因之~。 5/6相互作用,形成LRP一5/6一Axin-FRAT复合体,从而引起 在BMSCs诱导过程中,FGF1、FGF2和FGF18都可以通 Axin降解。 catenin从APC/Axin/GSK31 ̄复合体解离出来, 过FGFR1与FGFR2激活Runx2通路从而调控成骨分化口。]。 使胞内 catenin水平升高,p—eatenin核转位增加并在胞核内 成骨细胞功能调节因子PTH可增加成骨细胞FGF2和FG— 与TCF/LEF转录因子家族成员结合,激活转录因子,诱导靶 FR1表达,并通过激活cAMP反应元件结合蛋白CREBs调节 基因c—myc、cyclinD1等的表达¨j。Wnt/O—catenin信号途径对 Runx2表达,表明内源性FGF2在PTH参与下对成骨细胞分 未分化的BMSCs可以增强其碱性磷酸酶(ALP)活性。8_ 化起调控作用[4]。FGF8可增强成骨细胞NR4A孤儿核受体, catenin的稳定表达和TCF1的激活能够启动Runx2表达,从 并可诱导成骨细胞p42/p44 MAPK磷酸化;MAPK激酶抑制 而来决定BMSCs向成骨细胞的分化。Wnt/ft—catenin信号途 剂U一0126或PI3K抑制剂LY一294002不能抑制其丝裂原化作 径由19种分泌蛋白家族组成,如Wntl、Wnt3a、wnt4、Wnt5a、 用『5]。多种人类骨骼遗传疾病,包括颅缝早闭、软骨发育不良、 Wnt7a、wnt7b、Wntl0b等。Wnt3a可以激活CCN1/Cyr61基 侏儒症等都有FGFRs的基因突变,说明FGFR基因对于骨骼 因,从而促进BMSCs向成骨细胞的分化。Wntl0b也可促进 发育及成骨细胞分化起重要作用。但FGFR1和FGFR2对成 BMSCs向成骨细胞的分化,并且通过促进前成骨细胞的分化 骨细胞分化作用却截然相反。转染含Pro250Arg突变的FG— 成熟来促进骨形成,增加全身的骨量_7]。Dkk、Sfrp是wnt信 FR1 cDNA可致细胞表达Cbfal,说明FGFR1突变通过促进 号抑制分子。成骨细胞过表达Dkkl转基因小鼠成骨细胞数 * 基金项目:“973”专项课题基金(2011CB964701);重庆市科委基金(cstc2012jjA0427)。 通讯作者,E—mail:zhangbo67184@163.corn;E—mail:liuluchuanl957@126.corn。 检验医学与临床2014年12月第11卷第24期Lab Med Clin,December 2014,Vo1.11,No.24 量减少、骨量减少。Sfrpl敲除小鼠骨小梁数量增加[8 ]。虽然  ̄-catenin是成骨细胞分化及骨形成中的枢纽分子,但其在成骨 细胞发展不同阶段发挥的作用不同。一旦BMSCs启动了向 成骨方向的分化,经典Wnt/ ̄一catenin信号通路促进干细胞向 成骨方向分化,但在分化的终末又会抑制成骨细胞的最终分化 成熟。 3 TGF- ̄/BMPs信号通路 TGF- ̄由一组结构相关、功能相似的多功能活性肽组成, 包括TGF- ̄Is、BMPs、activin和inhibin等成员。TGF-13的受体 包括I型受体和Ⅱ型受体,属于丝氨酸/苏氨酸激酶型受体。 TGF-13超家族分子主要通过与细胞膜上的Ⅱ型受体结合,使I 型受体磷酸化,并与胞内Smads结合进行信号转导。Smads 蛋白是TGF一口信号转导途径中最重要的组成部分,其家族一 共有8个成员,分别为受体激活型R-Smad(Smadl、2、3、5、8)、 通用型Co—Smad(Smad4)和抑制型I—Smad(Smad6、7)。TGF- Bs和activin信号主要由Smad2、3传递,BMPs信号主要由 Smadl、5、8传递。虽然TGF-13胞内信号主要由R-Smad传递, 但R—Smad必须和Co-Smad结合形成异源二聚体,才能进入胞 核调节靶基因转录[1 。TGF—B广泛存在于多种正常组织和转 化细胞当中,在骨骼中含量最为丰富,通过对成骨细胞增殖及 分化的调节,影响骨形成和骨吸收。 BMPs是存在于骨基质中的酸性糖蛋白,有2O余种成员。 BMP一2、BMP一4、BMP一6、BMP一7是BMPs家族中诱导成骨活性 最强的成员,它们能引起多种细胞的增殖、分化和凋亡,在骨组 织的再生和修复过程中发挥着重要的作用。BMPs有3类受 体:BMPR-I A、BMPR-I B、BMPR-II,也属于丝氨酸/苏氨酸 激酶型受体。BMPs能诱导成骨细胞和软骨细胞的分化成熟, 促进新骨形成及骨的层次化,并能在体内诱导异位骨。骨髓基 质细胞是BMPs的重要靶细胞,BMPs能诱导不同细胞系的大 鼠或小鼠分离的MSCs表达ALP并向成骨分化l_】 。Noggin 是BMPs的抑制分子,过表达Noggin的转基因小鼠骨量形成 下降,成骨细胞分化受阻。BMP一2是BMPs家族成员中骨形 成作用最强的一种,与骨形成蛋白受体BMPR结合,激活成骨 细胞特异性转录因子Runx2/Cbfal、osterix和TAZ,使转录因 子与相应的成骨细胞特异蛋白基因启动子连接,促进细胞向成 骨方向分化。研究发现,BMP-2可促进BMP一3、4的表达,由 此推断BMP-2可能是诱导成骨的启动子。Smads蛋白是转导 TGF-13/BMPs信号途径从细胞表面至胞核的关键转录辅助调 节因子。在C2C12细胞,Smadl、5、8可以诱导ALP活化并增 加骨钙蛋白的产生_1 。Smad3敲除小鼠细胞Collagen1和骨 钙素表达减少,骨矿密度降低,骨皮质变薄,骨量下降且成骨细 胞凋亡增加。但是BMPs在hMSCs的作用机制比较特殊。多 数BMPs不能诱导ALP表达 也不能对hMSCs产生矿化作 用。但当BMPs同地塞米松联合作用于hMsCs细胞时,BMPs 可以上调ALP表达,提示地塞米松可能移除了抑制BMPs产 生ALP的分子障碍。 4 MAPK/ERK信号通路 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)是广泛存在于真核生物细 胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,参与了细胞的增殖、分 化、凋亡等多种生理过程。MAPK包括ERK、p38和JNK 3条 信号通路。ERK通路是经典的MAPK信号通路,在细胞整个 发育过程中均可被激活,调节细胞增殖和起始分化,而p38和 JNK信号通路很可能与细胞晚期分化或者凋亡密切相关。 ERK由8个亚型构成,最广泛的是ERK1/2。正常情况下 ERK1/2位于细胞质内,其信号传递基本途径如下:多种生长 因子一结合细胞表面受体一结合细胞内酪氨酸激酶一激活 Ras蛋白一活化Raf蛋白一磷酸化MEK1/2一激活ERK1/2--- ̄ 移位到细胞核激活转录因子一促进细胞增殖、分化相关基因表 达一细胞增生、分化_1 。虽然MAPK/ERK信号通路在成骨 细胞分化过程中起重要作用,但ERK信号通路对成骨细胞分 化的调控是正性还是负性,迄今为止尚有争议。一些研究认 为,MAPK/ERK信号通路能促进成骨细胞的分化。利用 ERK1/2信号通路的特异性抑制剂PD98059和U0126处理 MC3T3一E1细胞后,磷酸化的ERK1/2减少,同时成骨相关基 因的表达也减少;而ERK1/2持续性激活后,成骨细胞在体外 的分化和成熟加速,Runx2的磷酸化和转录活性增加_1 。在 hMSCs培养时添加成骨诱导剂,ERK的活性在7~11 d时被 激活,促进了hMSCs的分化,同时细胞外基质合成、钙沉积增 加。另一些研究认为,MAPK/ERK信号通路阻碍问充质干细 胞向成骨细胞的分化。阻断ERK1/2激酶可增强由BMP一9诱 导的Runx2的表达和转录活性,以及由BMP一9诱导的Smad 信号的进一步活化[1 。造成ERK信号通路效应不一致的原 因,可能与细胞分化处于不同阶段,ERK信号激活的强度和持 续时间不同有关。 5信号通路之间的协同作用 BMSCs的成骨分化涉及到复杂信号网络的调控,任何一 种细胞因子和信号通道都不能单独完善其促骨形成作用。研 究发现, ̄-catenin通过增强BMP-2对问充质干细胞的作用来 诱导其向成骨细胞分化。GSK3在Wnt通路中发挥关键作用, 在ERK磷酸化Smadl之后,GSK313将Smadl作为底物识别并 磷酸化,进而促进Smadl的泛素化,增加wnt通路对Smadl的 调节 。FGF2可以活化TGF-,a/Smad2/3信号通路,而该信 号通路的激活会抑制成骨分化和骨形成。当FGF2和BMP9 同时作用于C3H1OT1/2细胞时,Runx2的表达水平会下降, 有可能是FGF2抑制了BMP9诱导的磷酸化Smadl/5/8的表 达口 。FGF还可通过MAPK途径的分支ERK信号通路,促 进Runx2的转录活性和蛋白表达。有研究报道,用U0126注 射小鼠时,FGFR2S252W导致的小鼠颅缝早闭被拯救到正常 的水平。其可能机制为ERK1/2信号通路通过调控AP 1的 合成促进成骨细胞分化进而促进颅骨骨缝闭合。多种成骨性 BMPs(如BMP一2、BMP一4和BMP一7)除了可以激活经典的 Smad途径之外,也可以激活MAPK途径。BMPs可诱导 MAPK家族中p38直接磷酸化Runx2、Osterix或问接激活另 外一些激酶使下游基因磷酸化来刺激成骨细胞的ALP和OC 的表达,最终促进成骨细胞的成骨作用。在BMSCs成骨过程 中,激活的ERK通路与TGF ̄/BMPs通路之间相互作用,共同 调节成骨转录因子Runx2,从而调节成骨分化。由此可见,不 同信号通路通过在一些关键信号分子上的交互,共同完成对 BMSCs成骨分化的调控。 6小 结 利用组织工程技术将BMSCs应用于骨缺损修复的研究 才刚刚起步,将组织工程化骨组织真正应用于临床也还有待时 日。然而一旦解决了干细胞的横向分化调控机制和分化发育 之谜,相信在不远的将来骨组织再生和功能重建必定会随着干 细胞领域的突破而发生飞跃。 参考文献 [1]曹谊林,刘伟,张文杰,等.组织工程研究进展[J].上海交 通大学学报:医学版,2012,32(9):1241—1250. 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