吳昆鵬 戴永武 楊巧珠 馬鳳燕 劉 義 (廣東醫學院,廣東 湛江 524000)
核因子Kappa B(NF-κB)最初發現是一種能與免疫球蛋白κ輕鏈基因增強子κB序列特異結合并調節κ輕鏈轉錄的核蛋白因子。隨后發現NF-κB參與細胞生長、分化及炎癥反應等基因表達調控〔1,2〕,同時研究表明在很多常見的情況下出現NF-κB的異常激活或抑制,如腫瘤、糖尿病、動脈粥樣硬化等,這些都表明NF-κB無論是在正常還是疾病狀態下都扮演著重要的角色〔3〕。骨質疏松(OP)是以骨量減少、骨的微觀結構退化為特征的,致使骨的脆性增加以及易于發生骨折的一種全身性骨骼疾病。OP發生是由于骨形成和骨吸收的失衡,大量研究表明,NF-κB信號通路不僅在骨形成和骨吸收起著重要作用,而且通過與其他信號通路相互聯系,彼此作用,影響OP的發生。因此,我們就NF-κB信號通路在成骨細胞和破骨細胞中的作用進行綜述。
哺乳動物的NF-κB家族包含5個成員:RelA(p65),p50,p52,RelB,和c-Rel。這些成員均在N端含有Rel同源結構域,并以同源或異源二聚體形式存在,能特異地和DNA發生結合。RelA,RelB和c-Rel在C端有一個轉錄激活區(TAD),p50和p52沒有TAD轉錄激活區,必須依靠和其他轉錄因子共同作用來調節基因的轉錄。p50和p52由分子量相同的蛋白質組成,NF-κB1(p50)由 p50 和其前體 p105 組成,NF-κB2(p52)由 p52和其前體p100組成〔1〕。在許多情況下,RelA、c-Rel和 p50形成異源二聚體通過經典途徑產生信號表達,如RANKL、TNF-α、IL-1刺激〔4〕。RelB、p100與經加工處理后的p52形成異源二聚體,RANK的激活是通過非經典途徑產生信號表達,但與腫瘤壞死因子α受體的激活無關〔5〕(如圖1)。
NF-κB在基因的調節表達的功能是多方面的,NF-κB二聚體與其NF-κB抑制因子(IκB)家族的成員結合,以無活性的三聚體形式存在于胞漿中。經典的 IκB家族成員有 IκBα,IκBβ,IκBε〔6〕。它們均有錨蛋白重復序列,通過與 NF-κB 二聚體結合而干擾核定位信號。IκBα主要通過經典旁路途徑調節Rel/p50異源二聚體。p60/p50異源二聚體普遍存在于哺乳動物中,所以通常所指的NF-κB即是p60/p50。IκBε主要調節RelA/RelA同源二聚體和c-Rel/RelA異源二聚體〔3〕,并對RANKL和TNF-α的刺激產生應答。IκBα蛋白酶體的迅速降解而暴露出NF-κB/p65亞單位上的核轉位信號,使得NF-κB進入核內并與調節細胞因子基因的增強子區相結合,從而啟動這些基因的轉錄過程。誘導NF-κB表達的不僅包括細胞因子,酶和生長因子,也有包括由細胞核返回胞質為下一次激活作準備的RelA/p50異源二聚體所形成的負反饋調節〔3〕。
經典的NF-κB信號的刺激活化主要通過由催化亞單位IKKα,IKKβ和調節亞單位 IKKγ〔也稱NEMO(NF-κB基本調節基因)〕〔3,7〕。IKK 復合物磷酸化產生 IκBα,引導其聚泛素化和通過26S蛋白酶降解使RelA/p50二聚體發生核移位〔8〕。IKKβ在大部分的細胞里主要通過經典途徑調解IκB激酶的活化。相比之下,NF-κB旁路途徑信號的活化主要通過NF-κB誘導激酶激活 IKKα,引導 p100的加工處理,產生 p52/RelB二聚體〔9~11〕。經典的IKK信號另一個重要的效應通過旁路途徑上升表達NF-κB2基因〔12〕。在下文會提及,p100在 TNFα誘導破骨細胞形成有重要的抑制效應。
NF-κB的活化在胚胎發展期間調節軟骨內小骨的形成,在某些病理條件下對骨骼產生影響,包括絕經后OP,炎癥,骨關節炎,感染和轉移性骨病等〔13〕。研究資料表明NF-κB對骨骼的影響主要通過誘導增強破骨細胞的形成和活化,但在成骨細胞也有著重要的作用,將會在下文進行闡述。

圖1 TNF-α和RANKL分別通過經典和非經典通路活化 NF-κB〔14〕
破骨細胞在維持骨吸收和骨形成的動態平衡中起著重要的作用,而NF-κB活化被認為是成熟破骨細胞存活〔15〕和發揮功能〔16〕的重要調節因子。NF-κB 家族5個成員中,NF-κB1 和NF-κB2在骨中的作用最早被發現。在NF-κB1/2雙基因敲除小鼠模型中意外地發現這種小鼠不能萌牙,并患有由于缺少破骨細胞導致的骨骼硬化癥〔17,18〕。此外,NF-κB1/2雙基因敲除小鼠與RANKL-RANK雙基因敲除小鼠的破骨細胞分化障礙相似,它們的破骨前體細胞都停止在分化階段,并且不能夠表達破骨細胞分化的重要作用因子,如:TRAP、組織蛋白酶K、降鈣素受體等。正常情況下許多細胞的存活都需要NF-κB的表達,研究發現這種NF-κB1/2雙基因敲除小鼠的破骨前體細胞數量增加,但是凋亡沒有增加〔19〕。TNF、LI-1、IL-6 和 RANKL 等細胞因子能夠促進破骨前體細胞向破骨細胞分化,但是這些細胞因子不能促進NF-κB1/2雙基因敲除小鼠的破骨前體細胞分化〔20〕,而 NF-κB1 和 NF-κB2 的單基因敲除小鼠破骨細胞形成正常,并且能增加IL-1促進破骨細胞形成的作用〔20〕,由此可見,在破骨細胞中NF-κB1/2主要作用是調控細胞的分化,并且經典和非經典的NF-κB信號通路在TNF,RANKL,IL-1等誘導破骨細胞形成中起著重要的作用。
C-Rel表達不是RANKL誘導破骨細胞形成所必需的,但是,大部分C-Rel基因敲除小鼠關節的炎癥因子表達和骨磨損明顯減少。RelA基因敲除小鼠的成骨前體細胞中C-Rel的活性沒有變化〔21〕,因此表明C-Rel與RelA在破骨細胞中執行不同的功能。
研究表明破骨細胞形成過程中IKKβ必需的,而IKKα不是必需的。IKKβ基因敲除小鼠存在破骨細胞形成的障礙,而IKKα基因敲除小鼠的骨骼發育和破骨細胞數量都正常。RANKL不能刺激IKKβ基因敲除的小鼠的成骨前體細胞分化成破骨細胞,而TNF或IL-1能夠使其分化成破骨細胞〔22〕。有實驗表明,NIK不是破骨細胞形成必要的,但是RANKL完全不能誘導NIK基因敲除小鼠的破骨前體細胞向破骨細胞分化〔23〕。RelB基因敲除小鼠有輕度的破骨細胞形成障礙,并且與NIK基因敲除小鼠的破骨前體細胞一樣對RANKL誘導分化作用無應答〔24〕。因此RANKL/RANK信號通路促進破骨細胞形成是通過非經典途徑活化NF-κB來完成的。
有實驗顯示,破骨細胞的形成是一個階段性的過程,RANKL誘導破骨前體體細胞分化過程中,RANKL作用在1 h內發現RelA和P50有短暫而快速的增加〔25〕,在作用48~72 h期間,主要是NFATc1,c-Fos表達,而作用72~96 h期間,RelA和p50沒有變化,這些實驗只是在轉錄水平的研究,它們在蛋白質水平上的改變有待進一步研究〔26〕。曾有學者認為OPG/RANKL/RANK信號通路,是影響破骨細胞增殖、分化、功能調節的最主要途徑,但是目前大量研究表明,TNF-α作用于破骨前體細胞后能觀察到NF-κB,c-Fos,NFATc1活性改變,其誘導破骨前體細胞的分化作用不是通過RANKL/RANK信號通路〔26~29〕。RANKL 和 TNF-α 通過相似的途徑激活 NF-κB,c-Fos,NFATc1〔26,28〕,而 且 NF-κB,c-Fos,NFATc1 的 表 達 是RANKL和TNF-α促進破骨細胞分化必不可少的。NF-κB,c-Fos,NFATc1位于 RANKL的下游,NF-κB抑制劑能夠阻斷RANKL和 TNF-α 促進骨吸收的作用〔14〕。TNF-α 和 RANKL誘導的破骨細胞形成作用機制研究顯示,TNF-α在體外能夠誘導RANK基因敲除小鼠破骨前體細胞向破骨細胞分化,但是體內實驗不能誘導RANK基因敲除小鼠破骨細胞的形成〔30〕。在促進破骨細胞形成的作用中,TNF-α與RANKL都能夠促進p100的表達,與RANKL不同的是TNF-α只能將少量的p100轉化為p52,而導致細胞質中有大量的 p100〔31〕。TNF-α 與 RANKL 促進NF-κB2基因敲除小鼠破骨細胞形成的作用效果一樣〔28〕,Yao等為了確定P100是否能夠抑制RANK基因敲除小鼠破骨細胞形成,通過TNF-α作用于RANK單基因敲除小鼠和NF-κB2/RANK雙基因敲除小鼠,結果發現RANK單基因敲除小鼠只有少量的破骨細胞形成,而NF-κB2/RANK雙基因敲除小鼠有大量的破骨細胞形成〔28〕。Tanaka研究也證明NF-κB p100能夠抑制 TNF-α促破骨細胞形成作用〔32〕。體外實驗顯示,TNF-α能夠促進破骨前體細胞細胞膜上的RANK和c-Fms表達,從而放大 RANKL 和 M-CSF 信號〔33,34〕。總體而言,TNF-α與RANKL促進破骨細胞形成與NF-κB信號通道有密切關系,而TNF-α與RANKL能共同促進破骨細胞形成,但是也同時存在差異,而這種差異主要是由于對它們誘導p100向p52轉化的數量不同。
成骨細胞增殖分化的抑制或成骨細胞凋亡進程的加速,能使骨形成少于骨吸收從而導致OP的發生〔35,36〕,而 NF-κB信號通路在成骨細胞的增殖分化和凋亡過程中都有著重要的作用。早期研究表明,NF-κB p50/p52基因敲除的小鼠沒有破骨細胞的形成,并且成骨前體細胞增多〔37〕。Chang等〔38〕的實驗表明NF-κB的特異性抑制劑IKK-DN和SR-IκBα能促進骨髓間質細胞C2C12向成骨細胞分化并引起Fra-1表達增多,體外實驗證實Fra-1是細胞外基質沉淀和骨形成的關鍵因子〔39,40〕。此外,當NF-κB p65高表達時能夠抑制多個成骨關鍵因子(如:Runx2、sp7、ALP、Ibsp、coll2)的表達和細胞外基質的礦化〔38〕。在卵巢切除的大鼠OP模型中,能看到NF-κB在成骨細胞中異常的活化,目前研究表明,導致NF-κB異常活化的途徑有2種,分別是:①正常情況下,雌激素與雌激素受體結合能抑制NF-κB的表達,在卵巢切除的OP模型中由于缺乏足夠的雌激素與雌激素受體結合導致 NF-κB的異常活化〔41〕;②OP時,T細胞和其他細胞高度表達炎癥細胞因子如:TNF-α、IL-6、IL-1等,能促進成骨細胞中 NF-κB 活化〔42〕,活化的 NF-κB 同時能促進TNF-α、IL-6、IL-1 的轉錄,使其表達增加〔43〕,NF-κB 與炎癥細胞因子形成一個循環放大的過程。大量NF-κB的活化,使骨形成受抑制,導致OP發生。有實驗進一步證實NF-κB在雌激素維持骨平衡中起著重要作用,在成骨細胞MC3T3中,17β-雌二醇對NF-κB基礎活性沒有影響,17β-雌二醇明顯抑制TNF-α誘導的NF-κB,說明雌激素能夠維持NF-κB的活性在一個正常的水平,從而有利于成骨細胞的增殖分化〔44〕。
正常培養的大鼠成骨細胞上有少量Bcl-2、Bax和Fas的表達,其表達并不隨培養時間的延長而有所變化。目前研究顯示Bax的過度表達可以誘導成骨細胞的凋亡〔45〕,而Bcl-2蛋白可以和Bax蛋白相結合抑制細胞凋亡,而Bcl-2的升高并不伴隨Bax水平的改變〔46〕,因此Bcl-2/Bax的比值可用于估計細胞接受凋亡信號后存活與否〔47〕。TNF-α作用于成骨細胞時的Bax表達強于Bcl-2,成骨細胞凋亡增加,同時NF-κB表達也增加,但是有研究顯示在Bcl-2的啟動子有多個NF-κB結合位點,NF-κB 活化時可以上調 Bcl-2 表達,下調 Bax〔48,49〕。同時還有實驗顯示NF-κB抑制劑能通過減少 Bcl-2表達導致細胞凋亡〔50,51〕。因此,我們推斷 TNF-α 誘導成骨細胞凋亡發生不是通過NF-κB信號通路,而NF-κB活化的主要作用是通過上調Bcl-2來抑制細胞的凋亡。總體而言,目前國內外關于NF-κB信號通路在成骨細胞用研究較少,NF-κB信號通路在骨形成中的作用還不十分明確,因此,研究NF-κB信號通路對成骨細胞增殖分化的影響有十分廣闊的空間。
從這些研究資料表明經典和旁路的NF-κB信號通路對成骨細胞,破骨細胞增殖,分化有著非常重要的作用。一方面,NF-κB高表達導致破骨細胞增多,骨吸收的增強和抑制成骨細胞的增殖分化,骨形成減少。另一方面,部分NF-κB家族的成員只會在疾病發生的時候表達,例如:Rel B在破骨細胞中的表達。因此,通過研究NF-κB信號通路在OP中的作用,不僅有助于闡明OP的發病機制,同時為臨床上開發抗OP藥提供新的研究靶點,也將為今后進一步探討其治療措施提供新的思路。
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