Notch信號通路與地方性氟中毒骨損害

萬 雯(綜述)，于燕妮(審校)

(貴陽醫學院病理學教研室，貴陽550004)

地方性氟中毒(簡稱地氟病)是由于環境，包括水土和食物中氟元素含量過多，導致生活在該地區的人群長期攝入過量氟而引起的慢性全身性疾病。地氟病涉及人口眾多，幾乎遍及五大洲50多個國家和地區，尤其以亞洲、非洲的發展中國家為重［1］。我國是地氟病流行最為嚴重的國家之一，由于其發病機制尚未完全闡明，部分病區人群仍處于高氟的危害中。地氟病導致骨再建過程紊亂形成氟骨癥，病理改變以骨轉換加速為其重要特征，表現為骨吸收與骨形成的動態平衡破壞。成骨細胞引起的骨形成與破骨細胞引起的骨吸收是維持骨完整的關鍵，在骨形成與重建中扮演著重要角色。過量氟可造成成骨與破骨活動均增強的骨轉換增高狀態［2-3］。隨著大量氟中毒實驗的進行，越來越多的證據表明，Notch信號通路在成骨細胞和破骨細胞的增殖、分化過程中有重要作用。現就目前對Notch信號通路和骨代謝以及地氟病骨組織中Notch信號通路的研究進行闡述。

1 Notch信號通路

Notch基因早在1917年由Wharton等［4］在果蠅中研究發現，隨后大量的研究證明Notch信號轉導通路廣泛存在于脊椎和非脊椎動物中，是一條影響細胞命運的、保守而重要的細胞間信號轉導通路，幾乎涉及所有細胞的增殖、分化和凋亡及一系列生理、病理過程。

Notch信號通路由受體、配體和DNA結合蛋白三部分組成，果蠅中存在Notch受體和兩個配體(Delta、Serrate)，哺乳動物中有 4個同源受體和5個同源配體，其中同源受體是Notch1-4。所有的同源Notch受體都是Ⅰ型跨膜蛋白，均由胞內區、跨膜區和胞外區組成。同源配體有兩類，與Delta高度相似的配體稱為Delta或Delta樣，有 Delta1、Delta3、Delta4與Serrate相似的稱為 Serrate或 Jagged，包括 Jagged1、Jagged2，同源配體也是Ⅰ型跨膜蛋白［5］。Notch信號途徑從無脊椎動物到脊椎動物都是高度保守的，其信號轉導無需第二信使和蛋白激酶的參與，可直接接收鄰近細胞的信號并傳到細胞核，激活相關轉錄因子的表達［6］。配體與受體的結合觸發了發生在受體上的兩次蛋白水解事件，第1次裂解發生在胞外，被解聯蛋白與金屬蛋白酶家族的金屬蛋白酶催化，釋放部分胞外片段，剩下部分粘連在細胞膜上，稱為“Notch-intro TM”。第2次裂解由復合酶體γ-分泌酶催化發生，這次裂解釋放了Notch受體的胞內區(Notch intracellular domain，NICD)，NICD 直接轉位到核內，同DNA結合蛋白CSL和CSL的輔激活物協同激活因子一起開啟下游基因的轉錄［CSL是CBF1、Su(H)、Lag-1 首寫字母的縮寫，CBF1、Su(H)、Lag-1分別是這個蛋白在哺乳動物、果蠅、線蟲的不同名稱［7］］。

Notch的胞內區不存在時，CSL是一個轉錄抑制因子，當Notch信號激活后，NICD進入胞核與CSL蛋白結合，將原來的“協同抑制復合物”轉換為“協同活化復合物”。在經典的Notch信號轉導通路中，被轉錄的基因有 HES(hairy enhancer of Split)1、HES5、HES6、HES7、HEY(HES-related with YRPF motif)1、HEY2 及HEYL，其中HES1和HES5在Notch信號通路中發揮重要作用。除了CSL依賴型的經典途徑外，Notch信號通路還存在不需CSL調控的非經典途徑或通過與其他信號途徑發揮作用，但具體機制尚不清楚［8］。

2 Notch經典通路與成骨

以往對Notch信號轉導通路的研究主要集中在免疫和腫瘤方面，近來有許多證據表明Notch信號參與了成骨細胞的分化和骨形成，并可能對成骨細胞的分化和骨質形成有抑制作用。Baron等［9］檢測Kusa-A1(屬于成骨前體細胞)成骨分化過程中Notch相關基因 Delta1、Jagged1、CBF1、HES1的表達及變化，發現4種分子在Kusa-A1細胞均有表達，說明Notch信號參與成骨細胞分化。Wang等［10］實驗表明，Notch的主要核調節者——主要在成骨細胞中表達的Rbpj(即CSL)參與成骨過程，并可能在成骨細胞分化中發揮重要作用。Rbpj的過度表達促進了鼠Kusa-A1細胞的成骨分化。瞬時轉染Rbpj表達載體至Kusa-A1細胞，上調成骨細胞特異轉錄因子和作用元件的活性。在建立穩定過表達Rbpj的Kusa-A1(Kusa-A1/Rbpj)細胞株中檢測到增強的成骨潛力，包括高堿性磷酸酶活性，快速的鈣沉積以及增加的鈣化結節形成。與Kusa-A1細胞相比，轉染的Kusa-A1/Rbpj細胞礦化程度提高。另外，Notch信號轉導通路并不是通過影響成熟成骨細胞的功能來發揮其調節作用，而是通過調節其前體的分化來發揮作用的。Engin 等［11］和 Zanotti等［12］將 NICD 的表達分別置于2.3 kb和3.6 kb膠原Ⅰ型啟動子控制之下的轉基因小鼠時，出現了不同的表型，前者抑制了成骨細胞分化的終末階段致使形成了較多未成熟或功能紊亂的成骨細胞，導致骨量增加及生長遲緩，而后者則在成骨細胞分化的早期發揮抑制作用，從而致使成熟成骨細胞的數量減少，導致骨量下降。除了體外研究，許多體內研究報道亦有利于Notch信號轉導通路的認識。Hilton等［13］運用條件等位基因從基因水平上去除骨骼發育過程中Notch信號系統的組成部分，發現Notch信號通路的受阻顯著增加了未成年小鼠體內骨小梁的骨量。然而，在高骨量小鼠的骨髓中間充質祖細胞幾乎消耗殆盡，隨著年齡的增長，這些小鼠會出現嚴重的骨質疏松。此外，Notch似乎是通過HES或HEY蛋白與成骨分化特異性轉錄因子之間的相互作用，降低Runx2的轉錄活性而抑制成骨細胞分化的，表明骨髓中的Notch信號通路通過降低成骨細胞的分化起到了維持間充質祖細胞池的作用。另外，Tao等［14］研究發現，激活成骨細胞的Notch信號促進細胞增殖，抑制細胞分化，從而導致轉基因小鼠出現骨質硬化表型。隨后預先條件性地激活Notch1胞內結構域，在體內向成骨細胞的特異性表達使其出現同樣的表型，再選擇性刪除一個Notch核受體——成骨細胞中的Rbpj，發現骨硬化和生長發育遲緩的表型完全受到抑制。同時，從獲救小鼠的細胞和分子分析證實成骨細胞中NICD依賴的分子轉化完全被Rbpj去除途徑所逆轉。可見，成骨取決于成骨細胞Notch信號的激活本質上是經典的，因為它完全依賴于Rbpj信號，標志著Rbpj作為一個特異的目標在Notch失調的成骨細胞自主經典的骨疾病中操縱著Notch信號通路。

3 Notch經典通路與氟中毒

氟是人體必須的微量元素之一，其化學性質活潑，能直接與多種元素化合，并以各種形式分布于水、土壤、空氣和動植物體中，對人類的健康有著直接的影響。然而，氟的安全范圍很窄，缺氟或攝氟過量均會引起機體代謝發生紊亂從而引起地氟病。我國地氟病病區范圍廣、病情重、受威脅人口多，目，全國地氟病病區人口已達1.1億，其中氟斑牙患者2102萬人，氟骨癥患者136萬人，受威脅人口8395.6萬多人，而尚無有效的預防控制和治療措施，進一步研究氟病的發生機制、發展規律顯得尤為重要［15］。

氟中毒對機體的損傷多樣，主要表現為氟斑牙和氟骨癥，而氟骨癥的一系列(如骨硬化、骨質疏松、骨變形和骨折等)骨骼病變伴發的氟性關節病，引起關節疼痛、行走和運動困難又是對人體最為嚴重的危害［16］。近年來，隨著大量動物實驗和體外細胞培養的進行，已有充分依據證明成骨細胞功能活躍是一個發生較早并起主導作用的環節，在此基礎上的骨轉換加速是氟骨癥的特征性病變，是形成骨病變多樣性的病理基礎［1，17］。結合目前已知氟骨癥的發病機制可以看出，骨骼損傷的環節是氟中毒骨骼病變的關鍵，而Notch信號通路在成骨過程中的重要作用推測其在氟骨癥的研究中有著不可忽視的重要價值。然而，Notch信號的激活或抑制并非以該通路中單一上下游分子的線性作用進行，還有很多其他信號途徑的成員或分子參與其中，從而形成了復雜的網絡效應。已有大量文獻報道了Notch與核因子κB的相互作用，這兩大信號途徑的聚焦點在NICD與核因子κB的表達水平，而在與Wnt通路的串話中，則既有一些直接的交叉，如Wnt蛋白可通過與一些亞型的Notch受體結合調控其下游，CBF1可促進一些編碼Fz(Wnt信號通路的受體——卷曲蛋白)基因的表達，又有諸多間接的關聯，如兩個通路中的一些途徑都參與對共同基因的表達調節等［18-21］。以往研究p38通路、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路、核因子κB通路等信號通路與氟骨癥關系密切，但氟中毒對骨組織損傷的網絡調控機制仍不清楚［22-24］。因此，結合氟中毒骨骼損傷的多種病理變化類型，深入研究Notch信號通路，并聯系各通路間的網絡信號調控非常必要。

4 結語

Notch信號通路在細胞增殖分化及凋亡中起著重要作用，是許多重要細胞信號通路的交匯點，研究已經表明Notch信號通路參與了成骨細胞的分化和骨形成，與地方性氟中毒骨損害關系密切，深入探討該信號通路及其相關信號分子在氟中毒骨組織中的變化規律，對進一步研究地方性氟中毒的發病機制及其預防、治療措施具有重要意義。

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