IRAK-4對成骨細(xì)胞分化BMP-Smad通道的影響

劉曉春黃 東* 于明圣申寬宏黃永軍牟 勇

（1 廣東醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 524023；2 廣東省第二人民醫(yī)院，廣東 廣州 510317；3 南方醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 510515）

IRAK-4對成骨細(xì)胞分化BMP-Smad通道的影響

劉曉春1黃 東2* 于明圣1申寬宏3黃永軍2牟 勇2

（1 廣東醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 524023；2 廣東省第二人民醫(yī)院，廣東 廣州 510317；3 南方醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 510515）

IRAK-4；骨形成；BMP-Smad通道

骨形成是一個復(fù)雜現(xiàn)象，當(dāng)骨折發(fā)生時，附近骨髓中的間充質(zhì)干細(xì)胞在細(xì)胞外基質(zhì)和損傷部位的各種細(xì)胞因子刺激激活下發(fā)育分化成為成骨細(xì)胞[1]。之后，經(jīng)過成骨細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)成熟和礦化等三個階段，最終完成骨形成過程。這些過程易受多種因素的影響。其中成骨細(xì)胞的作用為合成骨基質(zhì)，由間充質(zhì)干細(xì)胞分化發(fā)育形成[2]。破骨細(xì)胞的作用為降解骨基質(zhì)，由骨髓單核巨噬細(xì)胞分化演變而成。各種病理因素均可介導(dǎo)骨折愈合，血運不佳、嚴(yán)重感染、炎癥性疾病等均可導(dǎo)致愈合明顯延遲甚至骨不連發(fā)生。因此，更深入了炎癥對骨折愈合的影響機制，采取有針對性保護(hù)措施，將為臨床提供更好治療手段和策略。IRAK-4是炎性反應(yīng)中關(guān)鍵的激酶，還是內(nèi)毒素胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的最關(guān)鍵分子，在炎性反應(yīng)中扮演著舉足輕重的關(guān)鍵角色[3]。骨形成蛋白(Bone morphogenetie protein，BMP)、核心結(jié)合因子等信號通道是控制成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵因素。因此，本文重點研究IRAK-4對成骨細(xì)胞分化過程中關(guān)鍵的BMP-Smad通道的調(diào)控作用和意義進(jìn)行綜述。

1 影響成骨細(xì)胞分化的活性因子

轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）在骨形成中作用復(fù)雜，對成骨細(xì)胞呈激活和抑制雙向效應(yīng)。TGF-β能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞合成細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM），促使成骨細(xì)胞ECM組分表達(dá)，并且還與類成骨細(xì)胞向ECM的趨化及后者對靶細(xì)胞的識別有關(guān)[4]。骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)最初因其具有誘導(dǎo)骨形成的作用而得名，是控制成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子之一。BMP是轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族中最大的蛋白家族，BMP-2、4、5、7能有效促進(jìn)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，誘導(dǎo)骨的形成，其中BMP-2活性最強[5]。成骨細(xì)胞膜上有BMP受體（bone morphogenetic protein receptor，BMPR），它通過與機械刺激產(chǎn)生的BMP結(jié)合被激活，然后作用于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)下游Smad。Smad蛋白是近年發(fā)現(xiàn)的新的細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)蛋白，可分為調(diào)節(jié)Smads（receptor-regulated-Smad，R-Smad）即Smad1、2、3、5、8、9和共同介導(dǎo)Smads（Smad4）、抑制性Smads(Smad6、7)。與成骨細(xì)胞分化關(guān)系密切的是Smad1和Smad5[6]。Smad1、5 、8末端絲氨酸殘基被BMPR-Ⅰ磷酸化，隨后2個或1個R-Smad與1個Smad4以異源三聚體或異源二聚體的形式進(jìn)入核內(nèi)，作用于成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Cbfα1、Osterix等基因序列并上調(diào)其表達(dá)[7]。

除TGF-β超家族外，還有多種活性因子共同參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化。如外胰島素生長因子-1，它是長骨生長的必需因子，可以刺激OB增殖分化，增加Ⅰ型膠原合成、ALP活性及骨鈣素產(chǎn)生。這些活性因子在成骨細(xì)胞分化中起到重要作用。

2 IRAK-4對骨BMP-Smad通道的影響機制

炎癥發(fā)生時中性粒細(xì)胞的過度激活產(chǎn)生大量炎性介質(zhì)，被激活的巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞釋放大量炎性介質(zhì)，并隨之產(chǎn)生大量促炎細(xì)胞因子，如TNFα、IL-1等，引起細(xì)胞黏附分子上調(diào)和白細(xì)胞活化以及許多其他遞質(zhì)，爆發(fā)一系列連鎖反應(yīng)。NF-κB是炎性反應(yīng)中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，能與TNFα、IL-1等多種細(xì)胞因子、黏附分子基因啟動子部位的位點發(fā)生結(jié)合，增強這些基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。通常情況下，NF-κB分子與IκB分子結(jié)合，結(jié)合后NF-κB的核定位序列NLS被掩藏，從而使NF-κB以非活性形式存在于細(xì)胞質(zhì)中。在炎癥啟動時TLR家族的受體被激活，動員IRAK-1、IRAK-4在受體上結(jié)合，并與Toll樣蛋白(toll-interacting protein，Tollip)相互作用、MyD88及TRAF6結(jié)合后形成受體復(fù)合物；此時IRAK-1被IRAK-4磷酸化，并啟動IRAK-1的自動磷酸化過程，最終形成IRAK-1的超磷酸化狀態(tài)。IRAK-1構(gòu)型發(fā)生改變，導(dǎo)致與受體復(fù)合物的親和力下降而分離，并與TRAF6形成復(fù)合物，導(dǎo)致TRAF6發(fā)生低聚作用，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)接蛋白TAB激活轉(zhuǎn)化生長因子B活化激酶和NF-κB誘導(dǎo)激酶，NF-κB誘導(dǎo)激酶隨即活化IκB激酶，使IκB磷酸化并最終降解。IκB降解后NF-κB的核定位序列暴露出來，從而去除了對NF-κB的抑制作用，導(dǎo)致NF-κB活化，進(jìn)入細(xì)胞核[8-10]。激活的NF-κB活化IL-1、TNF-α等促炎因子，進(jìn)而誘發(fā)下游的瀑布炎性反應(yīng)，造成組織的炎癥損傷。另外，NF-κB可以調(diào)控任何含有κB位點的基因轉(zhuǎn)錄。Smad7是NF-κB的一個轉(zhuǎn)錄靶點[11]，Smad6、7可以抑制其它Smads的磷酸化或者抑制調(diào)節(jié)Smads與共同介導(dǎo)Smads（Smad4）的結(jié)合[7]。所以當(dāng)NF-κB活化后通過Smad7影響Smad1和Smad5的作用使它們不能進(jìn)入核內(nèi)，無法作用于成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子而影響成骨細(xì)胞的分化。

骨折的愈合過程是破壞清除和新生修復(fù)共存的過程[12]，骨折伴隨炎癥常常延遲其愈合時間，其中促炎細(xì)胞因子對成骨細(xì)胞分化通道的抑制可能是成骨細(xì)胞分化抑制的主要因素。IRAK-4是炎性反應(yīng)關(guān)鍵激酶，充分研究其調(diào)控機制，設(shè)計出針對IRAK-4特異性的藥物，或者通過基因治療手段干預(yù)IRAK-4表達(dá)水平，阻斷IRAK-4激酶活性，都將為拮抗炎癥因子活性進(jìn)而有效促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、促進(jìn)骨折愈合提供新思路。

[1] 董世武,應(yīng)大君,段小軍,等.核心結(jié)合因子α1對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨細(xì)胞標(biāo)志基因表達(dá)的影響.中國修復(fù)重建外科雜志, 2005,19(9):746-750.

[2] Duey P,Zhang R,Geoffroy V,et a1.Osf2/Cbfαl:A transcriptional activator of osteoblast differentiation[J].Cell,1997,89(5):747-754.

[3] Boyle WJ,Simonet WS,Lacey DL,et a1.Osteodast differentiation and activation[J].Nature,2003,423(6937):337-342.

[4] Attisano L,Wrana JL.Signal transduction by the TGF-beta superfamily[J].Science,2002,296(5573):1646-1647.

[5] Kofron MD,Li X,Laurencin CT.Protein-and gene-based tissue engineering in bone repair[J].Curr Opin Biotechnol,2004,15(5): 399-405.

[6] Nishimura R,Kato Y,Chen D,et al.Smad5 and DPC4 are key molecules in mediating BMP-2 induced osteoblastic differentiation of the pluripotent mesenchymalprecursor celllineC2C12[J].J Biol Chem,1998,273(4):1872-1879.

[7] Attisano L,Marchuk A.Assignment of transforming growth factor β1and β3and a third new ligand to the type I receptor ALK-1 [J].J Biol Genom Biol,2001,2(8):3010.

[8] Triantafilou M,Triantafilou K.The dynamics of LPS recognition: complex orchestration of multiple receptors[J].J Endotoxin Res, 2005,11(1):5-11.

[9] Palsson Mc,Dermott EM,Neill LA.Signal transduction by the lipopolysaccharide receptor,Toll-like receptor-4[J].Immunology, 2004,113(2):153-162.

[10] Tsan MF,Gao B.Endogenous ligands of Toll-like receptors[J].J Leukoc Biol,2004,76(3):514-519.

[11] Cben S,Guttridge DC,Tang E,et a1.Suppression of tumor necrosis factor-mediated apoptosis by nuclear factor kB-independent bone morphogenetie protein/Smad signaling[J].J Biological Chemistry, 2001,276(39):36059.

[12] Bilezikian JP,Raisz LG,Rodan GA.Principles of Bone Biology[M]. 2nd ed.Academic Press,2002.

R-03

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1671-8194（2013）23-0053-02

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