lncRNA對骨質疏松骨代謝相關信號通路影響的研究進展

馬智勇 郭成龍

甘肅中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730020

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是由于骨生長與骨吸收之間代謝平衡失調，導致單位結構內骨量下降、骨微結構被破壞。在參與骨質疏松癥骨代謝失衡的動態(tài)過程中，主要涉及成骨細胞、破骨細胞等分化與調節(jié)，同時骨代謝相關信號通路在此過程中起了重要的調節(jié)作用。自從2002年Okazaki等[1]首次提出長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs，lncRNA)后，研究者們發(fā)現(xiàn)[2]lncRNA參與了多種生物學過程，包括lncRNA-DNA、lncRNA-微小RNA(lncRNA-microRNA/miRNA)和lncRNA-蛋白(lncRNA-protein)等。lncRNA很快進入了OP的研究領域，不僅研究了lncRNA對參與OP細胞代謝的調節(jié)，而且更深入的研究了lncRNA參與調節(jié)骨代謝相關信號通路的機制。本文將從lncRNA與成骨細胞分化相關信號通路、與破骨細胞分化相關信號通路及與鈣相關信號通路三個方面對近年來骨質疏松癥骨代謝相關信號通路的調控進行綜述。

1 lncRNA與成骨細胞分化相關信號通路

成骨細胞要經過成骨細胞的增殖、細胞外基質成熟及礦化、成骨細胞凋亡幾個階段，才能形成骨，在此過程中l(wèi)ncRNA起到了重要的作用，能通過調節(jié)有關信號通路進而調控成骨細胞的形成和成骨細胞形成骨，其中Wnt/β信號通路、PI3K-Akt信號通路、BMPs/TGF-β信號通路、Notch信號通路及Hedgehog信號通路等備受關注。

1.1 lncRNA調節(jié)Wnt/β信號通路

β-catenin是經典的Wnt信號通路中調節(jié)成骨分化的最關鍵因子，Wnt/β信號能調節(jié)成骨細胞的分化、增殖及功能發(fā)揮，其不僅直接影響多功能干細胞向成骨細胞分化，而且在脂肪細胞及前脂肪細胞定向分化為成骨細胞的過程中起關鍵作用。骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSc)是具有向成骨細胞分化功能的多功能潛能干細胞，lncRNA p21對BMMSc的影響中顯示[3]，沉默lncRNA p21后通過調節(jié)Wnt/β信號通路能促進BMMSc分泌血管內皮細胞生長因子、堿性成纖維細胞生長因子、胰島素樣生長因子和β-catenin蛋白表達，進而促進BMMSc向成骨細胞的分化。Chen等[4]研究表明在成骨細胞中l(wèi)ncRNA TUG1通過Wnt/β信號通路能促進β-catenin、Caspase-3、Bax、MMP3的表達，抑制Bcl-2和蛋白多糖的表達，進而抑制成骨細胞細胞凋亡和衰老，促進細胞增殖。此外，lncRNA作為一種競爭性內源性RNA，與miRNA相互競爭而抑制或促進其靶基因FoxO1的表達，F(xiàn)oxO1基因能影響Wnt信號通路而調節(jié)骨形成過程中的關鍵因子β-catenin的表達[5]。lncRNA通過調節(jié)Wnt/β信號通路對成骨細胞分化的調節(jié)是復雜、綜合的過程。

1.2 lncRNA調節(jié)PI3K-Akt信號通路

PI3K-Akt信號通路存在于多種細胞系中，是細胞存活的主要途徑，其調控的靶蛋白是骨形成和骨重建的基礎。PI3K-Akt信號通路激活后能促進成骨細胞的增殖，而減弱其活性后能促進成骨細胞的分化[6]。MALAT1是第一個發(fā)現(xiàn)與癌癥相關的lncRNA，涉及多種骨腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。Dong等[7]研究表明在骨腫瘤細胞中，敲除MALAT1后抑制成骨細胞內增殖細胞核抗原(PCNA)、基質金屬蛋白酶9(MMP-9)、PI3K p85α和Akt表達，從而減弱了成骨細胞的增殖。

1.3 lncRNA調節(jié)Notch信號通路

Notch信號通路能夠監(jiān)控成骨細胞的基質沉淀活動，保持機體骨代謝的平衡，Notch信號激活后能促進成骨細胞增殖，進而增加骨量。研究顯示lncRNA能調節(jié)Notch信號通路促使間充質干細胞(MSCs)向成骨細胞分化，其可能機制是lncRNA-AK096529/003ups/AK056311通過下調Smurfl基因的表達，而減緩Rimx2的降解，以促進MSCs向成骨細胞分化[8,9]。lncRNA在許多生理和病理過程中發(fā)揮重要的調控作用。Liao 等[10]研究lncRNA H19通過BMP9調控BMMSc成骨分化過程中顯示，在BMP9刺激BMMSc的早期階段lncRNA H19表達顯著上調，隨后又迅速下降并逐漸恢復到基礎水平，這與BMP9誘導的成骨細胞標志物的表達相關，此過程中無論是lncRNA H19表達或沉默，都導致一組預測的miR的靶向Notch配體和受體的表達增加，最終使BMP9誘導BMMSc在體內外向成骨細胞分化，這是通過有效地激活Notch信號通路實現(xiàn)的。

1.4 lncRNA調節(jié)Hedgehog信號通路

Hedgehog信號通路不僅能作用于轉錄因子Runx2、Osx、β-catenin等促進MSCs向成骨細胞分化，而且能促進成骨細胞的增殖。Chan等[11]研究Hedgehog信號在骨肉瘤發(fā)生發(fā)展中的作用時，制備了細胞內有上調的Hedgehog信號通路成骨細胞，從而導致成骨細胞過度成骨性生長，研究結果顯示，lncRNA H19的異常表達能誘導上調Hedgehog信號通路與Yes相關蛋白1(yes-associated protein 1，YAP1)的表達，使成骨細胞過度異常增殖。

1.5 lncRNA調節(jié)BMPs/TGF-β信號通路

BMPs是TGF-β超家族中的一員，有多種亞型。BMPs/TGF-β信號通路可通過經典的Smad通路與非經典的P38通路調控BMMSc內Runx2基因的表達[12]，進而調控BMMSc向成骨細胞分化，同時還能調節(jié)成骨細胞的分化和功能，在骨質疏松骨代謝平衡中發(fā)揮重要作用。Wei等[13]研究顯示lncRNA HOTAIR通過BMPs/TGF-β信號通路調節(jié)miR-17-5p及其靶基因Smad7而調節(jié)成骨分化和增殖。Xu等[14]研究lncRNA HIF1α-1在成骨細胞分化及其靶向調節(jié)Sirtuin1(SIRT1)蛋白時發(fā)現(xiàn)，其調節(jié)機制是激活了BMMSc內的BMPs/TGF-β通路而干擾SIRT1的表達。lncRNA HIF1α-AS1下調后則SIRT1蛋白過表達。進一步研究顯示lncRNA HIF1α-AS1下調HOXD10而干擾組蛋白乙酰化，導致成骨細胞分化的抑制，表明HIF1α-AS1是成骨細胞分化的關鍵因子，有望成為治療骨質疏松癥的基因治療劑。lncRNAs正在成為轉錄和轉錄后水平的重要調控因子，在人骨髓間充質干細胞(hMSC)向成骨細胞分化中起著不可或缺的作用，但是其作用和功能仍需進一步研究。有研究認為[15]，新型通路H1/miR-675/TGF-β/Smad3/HDAC能調控hMSCs向成骨細胞分化，這可以作為提高體內骨形成潛在的治療骨質疏松癥的目標。

2 lncRNA與破骨細胞分化相關信號通路

在骨質疏松發(fā)生的骨代謝過程中，破骨細胞是僅有的具有溶解骨組織功能的細胞，在骨代謝平衡中發(fā)揮著重要作用[16]，破骨細胞在形成、增殖、分化、成熟以及凋亡過程中受多種信號通路的影響，越來越多的研究顯示lncRNA對此類信號通路的調控作用意義重大，并且這種調控機制是復雜、綜合、全面的過程，目前l(fā)ncRNA調控信號通路對破骨細胞影響機制的報道較少，但也有部分報道，如RANK/RANKL/OPG通路、MAPK通路、PPAR-γ通路等。

2.1 lncRNA調節(jié)RANK/RANKL/OPG信號通路

RANK/RANKL/OPG信號通路調控破骨細胞的增殖、分化、成熟及凋亡，該系統(tǒng)激活后可延緩破骨細胞的凋亡，通過復雜的機制后促骨基質的吸收，導致OP的發(fā)生。Che等[17]研究RANK/RANKL/OPG信號調節(jié)人成骨細胞株hFOB 1.19 時發(fā)現(xiàn)，在骨代謝失衡的病理狀態(tài)下lncRNA MALAT1調RANK/RANKL/OPG通路，使骨模型中破骨細胞活化和重塑破骨細胞活性。

2.2 lncRNA調節(jié)MAPK信號通路

MAPK信號通路是普遍存在于真核生物細胞內介導細胞反應的重要信號轉導系統(tǒng)，其主要包括ERK1/2通路、JNK通路、P38通路和ERK5通路。在骨質疏松癥骨代謝失衡過程中，活化的MAPK信號通路能促進破骨細胞的增殖和分化。在骨組織中成骨細胞分泌的RANKL作用于未分化破骨細胞的RANK而激活MAPK信號通路，最終誘導其分化為破骨細胞。BMMSc分化是由細胞外環(huán)境中的機械刺激和分子信號精確調控的，其涉及轉錄和轉錄后水平調控的復雜通路。Zhang等[18]研究BMMSc分化為成骨細胞或破骨細胞過程中l(wèi)ncRNA的表達譜和功能時發(fā)現(xiàn)，lncRNA xr-111050通過調控MAPK信號通路調節(jié)BMMSc分化為成骨或破骨細胞，結果顯示BMMSc可成為骨損傷后骨再生和修復的最有希望的細胞類型。

2.3 lncRNA調節(jié)PPARγ信號通路

PPARγ可通過自身通路及Wnt/β通路、NK-κB等通路的交互作用對骨代謝發(fā)揮調節(jié)作用，通過復雜的調節(jié)機制不僅影響B(tài)MMSc向不同細胞系分化，而且其激活后還能加快成骨細胞、骨細胞的凋亡和促進破骨細胞生成，導致骨代謝平衡紊亂而引發(fā)骨質疏松。Tong等[19]研究顯示循環(huán)中的lncRNAs和單核細胞等直接參與破骨細胞的分化，如lncRNA DANCR誘導血液循環(huán)中的單核細胞表達白細胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)，而促進了女性絕經后低骨密度(BMD)并伴有骨吸收。Hao等[20]在研究去卵巢小鼠下頜骨骨質疏松癥相關lncRNA表達譜時發(fā)現(xiàn)，骨細胞過度表達的lncRNA-mmu-16032-PI428960544 和lncRNA-mmu-6597-PI428990136調節(jié)PPARγ和胰島素信號通路降低了雌性小鼠的骨量和加速的骨丟失， PPARγ通路抑制后通過促進破骨細胞生成加速下頜骨骨丟失。lncRNA以及其復雜的調控網絡與雌激素缺乏引起的骨質疏松相關，在治療OP時lncRNAs潛在的治療和生物標志物的功能已經受到越來越多的關注，并且PPARγ通路拮抗劑可改變BMMSc分化方向(抑制成脂分化而促進成骨分化)，且通過抑制破骨細胞形成而達到治療OP的目的。

3 lncRNA與鈣相關信號通路

鈣離子可通過激活細胞外信號調節(jié)激酶1/2(ERK1/2)、鈣調蛋白激酶 Ⅱ(CaMKⅡ)和環(huán)單磷酸腺苷(cAMP)等多種鈣依賴蛋白參與骨形成。鈣離子與鈣調蛋白(CaM)結合后激活CaMKⅡ，可通過CaMKⅡ-NF-ATc信號通路促進成骨過程[21]。lncRNA通過調節(jié)與鈣相關信號而參與調控細胞的增殖、分化、運動、凋亡等各個生理病理過程。陳娟等[22]研究lncRNA在絕經后骨質疏松癥腎陰虛證中的表達特征及調控網絡分析顯示，經過比較骨質疏松腎陰虛證有8個共同差異表達lncRNA參與鈣離子代謝信號等信號轉導通路的調控。Hadji 等[23]研究了lncRNA H19基因DNA甲基化能通過沉默Notch1信號而促進鈣化性主動脈瓣礦化，其機制是在主動脈瓣成骨活性的Notch1的調控下表達成骨關鍵基因如Runx2和BMP2，結果顯示鈣化性主動脈瓣疾病過程中l(wèi)ncRNA H19基因啟動子甲基化異常與lncRNA H19高表達相關，進而通過干擾Notch1信號的表達最終促進成骨細胞的活性。lncRNA H19基因控制印跡基因網絡(IGN)中胰島素樣生長因子2(IGF2)的表達，在胚胎發(fā)育和個體生長過程中有重要作用。Liu 等[24]研究顯示，lncRNA H19基因激活后能調節(jié)間充質干細胞的多分化(如向骨細胞、軟骨細胞分化)，促進肌肉骨骼系統(tǒng)再生。

4 展望

既往認為,lncRNA幾乎不編碼蛋白質且無特殊生物學功能，被認為是轉錄中的“噪音”。但到目前為止越來越多的證據(jù)表明，lncRNA在基因表達如轉錄調控、表觀遺傳修飾及蛋白翻譯后修飾等多種機制中發(fā)揮重要作用，人們逐漸認識到這個基因“富礦”在多種生物學過程起著關鍵作用，包括細胞生長、轉錄調控和分化等，若它們缺乏則會導致蛋白質編碼能力的缺失，失調的lncRNA與人類疾病密切相關，包括骨肌疾病、癌癥等。lncRNA對OP發(fā)病的調控及治療意義重大，其通過信號通路對骨代謝調控的作用機制目前仍處于研究階段，隨著研究技術的發(fā)展和研究方法的深入，lncRNA對骨代謝信號通路的關鍵調控機制將會進一步被闡明，其對骨代謝調控機制的闡明將使它在治療OP方面發(fā)揮巨大的臨床應用潛力。lncRNA作為OP骨代謝生物標志物，lncRNA調控骨代謝相關信號通路的作用方式及對OP病理變化的影響，可作為今后OP診斷、治療及判斷預后的新的靶向目標。