結(jié)締組織生長因子與骨形成蛋白-9在骨代謝中的研究進(jìn)展

劉彩云 郭 影

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院，河北 石家莊 050051)

結(jié)締組織生長因子(CTGF)是一種細(xì)胞外基質(zhì)分泌蛋白，生理狀態(tài)下，在心、腦、肝、腎等組織器官中呈基礎(chǔ)量表達(dá)，病理狀態(tài)下，如在某些增生性或纖維性疾病中，CTGF過度表達(dá)與疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。CTGF調(diào)節(jié)細(xì)胞功能多樣化，參與體內(nèi)多種病理生理過程，如胚胎發(fā)育、雌性生殖系統(tǒng)、惡性腫瘤、纖維化疾病等。CTGF是骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)信號通路的靶基因，可作用于BMPs信號通路〔1〕，而BMP-9是已知BMPs中成骨活性最強(qiáng)的成員之一〔2〕。本文重點(diǎn)就CTGF與BMP-9在骨代謝疾病中的相關(guān)研究作一綜述。

1 CTGF的來源、結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

CTGF來源于多種細(xì)胞，如成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、癌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞等，屬于即刻早期基因(CCN)家族的成員之一。到目前為止，CCN家族共有6個(gè)成員，包括最初的 Cyr61/CCN1，CTGF/CCN2，NOV/CCN3和最新發(fā)現(xiàn)的 WISP-1/CCN4，WISP-2/CCN5，WISP-3/CCN6〔3〕。人 CTGF基因位于染色體6q23.1區(qū)，由5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子組成，第一個(gè)外顯子編碼CTGF的分泌信號肽，另外四個(gè)分別編碼4個(gè)不同的功能結(jié)構(gòu)域，即:胰島素生長因子結(jié)合蛋白區(qū)(IGFBP)、血管性假血友病因子C型重復(fù)區(qū)(VWC)、血小板反應(yīng)I型蛋白(TSP-1)和富含半胱氨酸的C末端結(jié)合區(qū)(CT)。盡管蛋白編碼區(qū)存在一定相似性，但其啟動子和非翻譯區(qū)具有明顯差異性，表明它們對不同蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)作用是不同的。CTGF可以綁定不同板塊，如纖維蛋白和聚蛋白多糖，生長因子包括BMP、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)與它們的受體FGFR1、FGFR2，核因子κB受體活化因子(RANK)等。它與不同的靶細(xì)胞表面受體結(jié)合，產(chǎn)生一系列生物學(xué)效應(yīng)，如促進(jìn)細(xì)胞有絲分裂和膠原合成、細(xì)胞增殖、黏附、遷移、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞外基質(zhì)分泌、調(diào)節(jié)血管生成等〔4〕。

2 CTGF對骨形成的影響

骨形成主要包括軟骨內(nèi)成骨和膜內(nèi)骨化。CTGF可促進(jìn)軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞增殖、成熟以及血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和血管生成。而成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞是軟骨內(nèi)化骨和膜內(nèi)化骨的重要細(xì)胞，因此CTGF通過調(diào)節(jié)這些細(xì)胞的活動發(fā)揮在骨代謝中的作用。

2.1 CTGF對軟骨細(xì)胞的影響 CTGF在軟骨代謝過程中，如軟骨形成、軟骨細(xì)胞增殖、成熟和肥厚以及促進(jìn)軟骨基質(zhì)的鈣化和內(nèi)皮細(xì)胞的入侵發(fā)揮重要作用。Fujisawa等〔5〕發(fā)現(xiàn)CTGF可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞生長和分化，增加軟骨聚蛋白多糖的分泌和Ⅱ型膠原的表達(dá)，同時(shí)防止細(xì)胞凋亡，表明CTGF在修復(fù)或重建彈性軟骨方面起到重要作用。新近研究發(fā)現(xiàn)，在軟骨缺損修復(fù)過程中，利用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)轉(zhuǎn)染CTGF，結(jié)合NaOH處理的聚乳酸/乙醇酸共聚物(PLGA)支架，可以顯著刺激BMSC分化為軟骨細(xì)胞，生成透明狀軟骨，且再生軟骨與正常軟骨極其相似〔6〕。

2.2 CTGF對成骨細(xì)胞的影響 成骨細(xì)胞是參與骨形成最主要細(xì)胞，起源于BMSC，負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。CTGF對成骨細(xì)胞分化的刺激和抑制作用均有報(bào)道。Wang等〔7〕發(fā)現(xiàn)CTGF過度表達(dá)可促進(jìn)間葉細(xì)胞來源的成骨細(xì)胞系的分化，誘導(dǎo)礦化結(jié)節(jié)、堿性磷酸酶形成以及骨鈣蛋白在間葉細(xì)胞中的表達(dá)，卻不能促進(jìn)小鼠成纖維細(xì)胞(NIH3T3)細(xì)胞系的成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化及礦化結(jié)節(jié)的形成，這提示CTGF對不同細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的作用機(jī)制可能不同。Smerdel-Ramoya等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)，CTGF過度表達(dá)引起骨小梁體積減少是由于成骨細(xì)胞的功能受損，導(dǎo)致礦物質(zhì)形成和骨形成率降低，但成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞數(shù)量并沒有改變。

2.3 CTGF對破骨細(xì)胞的影響 破骨細(xì)胞是參與骨吸收最主要的細(xì)胞，來源于單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。研究〔9〕表明破骨細(xì)胞上未檢測到CTGF的表達(dá)，而小鼠CTGF基因敲除后能顯著抑制破骨樣細(xì)胞的形成。Nishida等〔10〕用谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶融合的核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)受體激動劑的配體(GST-RANKL)處理鼠巨噬細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)CTGF基因表達(dá)上調(diào)，通過深入研究發(fā)現(xiàn)，在骨誘裂發(fā)生過程中，CTGF通過誘導(dǎo)樹突細(xì)胞-特異性跨膜蛋白(DC-STAMP)合成并與之相互作用而促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。國內(nèi)研究表明，CTGF可促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞(RAW264.7)增殖，且促進(jìn)RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞RAW264.7分化為成熟的多核破骨細(xì)胞〔11〕。

2.4 CTGF對骨微循環(huán)的影響 骨的生長、發(fā)育與血管生成、良好血供是緊密相關(guān)的。CTGF可以促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移，介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞黏附，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞成管狀，從而促進(jìn)新血管生成，還可促進(jìn)膠原蛋白合成，進(jìn)而合成細(xì)胞外基質(zhì)，支持新形成的血管床結(jié)構(gòu)改變，對血管生成起重要作用。另外，造血發(fā)生在復(fù)雜的骨髓微環(huán)境中，BMSC通過直接和間接分泌細(xì)胞因子為造血提供重要支持，而CTGF表達(dá)于骨髓細(xì)胞基質(zhì)中，在調(diào)節(jié)BMSC上起關(guān)鍵作用。最新實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺乏CTGF基因的小鼠在造血功能方面可受到直接損傷〔12〕，提示CTGF在骨髓造血方面具有重要意義。

3 BMP-9的生物學(xué)特性及功能

在BMSC成骨分化早期，BMPs是最有潛力的誘導(dǎo)BMSC成骨分化的細(xì)胞因子，它屬于轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β超家族成員之一，是一組具有類似結(jié)構(gòu)的高度保守的分泌型多功能蛋白，由肝臟分泌合成〔13〕，通過血液循環(huán)到達(dá)全身，以類似激素的形式對骨和骨外組織發(fā)揮作用，這些蛋白具有很強(qiáng)的骨和軟骨誘導(dǎo)活性，且有助于BMSC、骨膜細(xì)胞以及松質(zhì)骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。目前共分離出20余種BMPs，其中BMP-2，BMP-4，BMP-6，BMP-7和BMP-9能有效地在體內(nèi)和體外誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨分化。實(shí)驗(yàn)證明，BMP-9誘導(dǎo)成骨的作用遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)應(yīng)用的BMP-2和BMP-7，是成骨能力最強(qiáng)的轉(zhuǎn)化生長因子之一。另外，有人發(fā)現(xiàn)腺病毒介導(dǎo)的BMP-9基因可以安全、有效地轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞(ADSCs)，具有明顯的誘導(dǎo)ADSCs向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的作用〔14〕。但就現(xiàn)狀來說，BMP-9在骨形成及骨再生中的作用及其機(jī)制了解還不夠全面，因此需進(jìn)一步研究，其有希望作為一種更強(qiáng)的促進(jìn)細(xì)胞成骨分化的細(xì)胞因子候選者而應(yīng)用于臨床。

4 CTGF與BMP-9之間的聯(lián)系

CCN蛋白在成體和胚胎組織的表達(dá)模式廣泛且差異很大，可以通過參與并調(diào)節(jié)多種信號分子而發(fā)揮作用，如整合素、BMPs、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、Wnts和Notch等。在骨骼系統(tǒng)中，CTGF作為CCN蛋白家族成員之一，它是BMPs信號通路的靶基因。在骨代謝研究中，左國偉〔15〕在骨腫瘤中發(fā)現(xiàn)CTGF缺失突變體通過促進(jìn)或抑制小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(iMEFs)的增殖而影響B(tài)MP-9誘導(dǎo)的成骨作用，最終結(jié)果顯示CTGF抑制了BMP-9誘導(dǎo)的成骨分化。孫笑笑等〔16〕在乳腺癌細(xì)胞骨轉(zhuǎn)移的研究中發(fā)現(xiàn)，BMP-9作為一個(gè)潛在的腫瘤抑制因子，通過下調(diào)CTGF的表達(dá)來抑制乳腺癌的骨轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)語

目前，CTGF在骨科領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究已有所開展，但尚需對其進(jìn)行深入的研究，并探討臨床應(yīng)用的可行性。在骨疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中，它對軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的生物活性和功能具有重要調(diào)節(jié)作用，但其生理和病理作用非常復(fù)雜，也存在許多爭論。CTGF受到多種因子和信號通路的調(diào)節(jié)，其中包括BMPs。BMP-9骨誘導(dǎo)活性不會受到免疫反應(yīng)的較大抑制，且BMP-9具有定向誘導(dǎo)脂肪干細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的能力。通過對CTGF和BMP-9在骨形成中作用和分子機(jī)制的進(jìn)一步研究，提出促進(jìn)骨形成的新方法，為預(yù)防和治療骨代謝疾病提供新的治療靶點(diǎn)。

1 Maeda A，Nishida T，Aoyama E，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor modulates BMP signalling as a signal conductor，which action regulates the proliferation and differentiation of chondrocytes〔J〕．J Biochem，2009;145(2):207-16.

2 Luu HH，Song WX，Luo X，et al.Distinct roles of bone morphogenetic proteins in osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells〔J〕．JOrthop Res，2007;25(5):665-77.

3 Arnott JA，Lambi AG，Mundy C，et al.The role of connective tissue growth factor(CTGF/CCN2)in skeletogenesis〔J〕．Crit Rev Eukaryot Gene Exp，2011;21(1):43-69.

4 Yamaai T，Nakanishi T，Asano M，et al.Gene expression of connective tissue growth factor(CTGF/CCN2)in calcifying tissues of normal and cbfa1-null mutant mice in late stage of embryonic development〔J〕．Bone Miner Metab，2005;23(4):280-8.

5 Fujisawa T，Hattori T，Ono M，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor(CCN2/CTGF)stimulates proliferation and differentiation of auricular chondrocytes〔J〕．Osteoarthritis Cartilage，2008;16(7):787-95.

6 Zhu S，Zhang B，Man C，et al.Combined effects of connective tissue growth factor-modified bone marrow-derived mesenchymal stem cells and NaOH-treated PLGA scaffolds on the repair of articular cartilage defect in rabbits〔J〕．Cell Transplant，2014;23(6):715-27.

7 Wang JJ，Ye F，Cheng LJ，et al.Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells promoted by overexpression of connective tissue growth factor〔J〕．J Zhejiang Univ Sci B，2009;10(5):355-67.

8 Smerdel-Ramoya A，Zanotti S，Stadmeyer L，et al.Skeletal overexpression of connective tissue growth factor impairs bone formation and causes osteopenia〔J〕．Endocrinology，2008;149(9):4374-81.

9 Canalis E，Zanotti S，Beamer WG，et al.Connective tissue growth factor is required for skeletal development and postnatal skeletal homeostasis in male mice〔J〕．Endocrinology，2010;151(8):3490-501.

10 Nishida T，Emura K，Kubota S，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor(CCN2/CTGF)promotes osteoclastogenesis via induction of and interaction with dendritic cell-specific transmembrane protein(DC-STAMP)〔J〕．J Bone Miner Res，2011;26(2):351-63.

11 張 麗，姜麗燕，張良巖，等.CTGF對破骨前體細(xì)胞RAW264.7增殖及碳酸酐酶Ⅱ分化的影響〔J〕．中國骨質(zhì)疏松雜志，2014;20(2):133-6.

12 Cheung LC，Strickland DH，Howlett M，et al.Connective tissue growth factor is expressed in bone marrow stromal cells and promotes interleukin-7-dependent B lymphopoiesis〔J〕．Haematologica，2014;99(7):1149-56.

13 Miller AF，Harvey SA，Thies RS，et al.Bone morphogenetic protein-9.An autocrine/paracrine cytokine in the liver〔J〕．Biol Chem，2000;275(24):17937-45.

14 李 翔，林春陽，邱北溟，等.骨形態(tài)發(fā)生蛋白9誘導(dǎo)骨骼肌源性干細(xì)胞的成骨分化〔J〕．中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011;15(32):5971-4.

15 左國偉.結(jié)締組織生長因子(CTGF)在BMP9誘導(dǎo)的成骨分化及在腫瘤發(fā)生過程中的作用〔D〕．重慶醫(yī)科大學(xué)碩士論文，2010.

16 孫笑笑，王 科，馮紅蕾，等.BMP9對人乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231骨轉(zhuǎn)移的影響及可能機(jī)制〔J〕．中國生物工程雜志，2012;32(3):7-13.