FGF21、PPAR及CREB在骨質疏松癥中的研究進展

黃圣婷 吳斌 關雅心

骨質疏松癥（Oteoporosis，OP）是一種表現為骨量顯著降低，骨微結構遭到破壞，導致骨脆性增加，易骨折等特征的全身性骨科疾病（世界衛生組織，WHO）。根據美國國立衛生院（NIH）在2001年提出的觀點，關于骨質疏松癥的描述，主要特征包括骨強度降低、骨折發生幾率增加兩點，這類骨骼系統疾病中，骨強度反映了骨骼的兩個主要方面，一方面是骨礦密度，另一方面則是骨質量。該病可沒有特定的發病人群和發病年齡，但是，絕經后婦女和老年男性更為顯著。骨質疏松癥最需要注意的嚴重并發癥就是骨折，輕度外力作用下，骨折即可發生，相關調查顯示，≥60歲老年骨質疏松患者骨折發生率為12%，癥狀較輕者，活動受限，生活質量下降，病情嚴重患者須臥床，長期休養，并在臥床期間容易引發墜積性肺炎、褥瘡，甚至心腦血管疾病，危害身心健康，也給家庭和社會帶來巨大負擔。骨質疏松癥的發病機制目前并未完全闡明，廣為認可的是與鈣磷代謝失調、激素紊亂、活性維生素D攝入的減少有關 [1]。近年來，多項研究發現骨質代謝受到細胞因子及激素的共同調控。本文就FGF21、PPAR及CREB與骨質疏松癥的研究進展作一簡述。

1 FGF21

1.1. FGF21的表達及作用

人成纖維細胞生長因子21（FGF21）是新發現的成纖維細胞因子家族中的一員，展現出強大的內分泌功能，它直接或間接參與對多種代謝的調節，特別是在糖、脂代謝方面，至關重要[2]。在過氧化物酶體增殖物受體（PPARs）的作用下，FGF21得以在肝臟、胰腺和肌肉組織、脂肪細胞中表達，并通過βklotho 與FGF受體（FGFR）相結合的方式，產生FGF21受體復合物，驅動信號內轉導途徑，誘導脂肪組織、胰腺、肝臟細胞等的信號通路激活和功能活動的順利急性[3]。Smith等研究發現，選擇糖尿病模型小鼠，并給予其FGF21治療，結果發現，與對照組相比，經過FGF21治療的小鼠血糖水平改善，檢測胰島素水平得到改善，胰腺組織病理切片與對照組相比胰腺β細胞增加【4】。給猴子注射FGF21進行治療，結果發現，與對照組相比，FGF21猴子檢測結果顯示低密度脂蛋白下降，高密度脂蛋白升高，體質量降低【4】。Xu J等還研究表明，FGF21已成為葡萄糖和脂代謝的重要調節劑，能降低血糖，改善胰島素水平和脂質水平，對于肝臟脂肪變性的逆轉也具有重要作用。肝臟甘油三酯水平的顯著降低與FGF21對核固醇調節元件結合蛋白-1的抑制和涉及脂肪酸和甘油三酯合成的多種基因的表達相關，FGF21還顯著改善小鼠的肝和外周胰島素敏感性。因此，FGF21可糾正多種代謝紊亂，并可能成為治療肝臟脂肪變性，肥胖和2型糖尿病的有效藥物。【5】

1.2 FGF21抑制成骨細胞活性

Xunde Wang，Wei Wei等研究發現胰島素樣生長因子結合蛋白1（IGFBP1）是促進破骨細胞生成和骨吸收的一種重要的肝骨激素傳遞機制，也是FGF21所致骨丟失的重要介質；FGF21促進胰島素敏感性，但引起骨丟失，它通過一種未明確的非破骨細胞自主機制提高了骨吸收。他們在肝分泌細胞中檢測到一種促進破骨活性，這種活性有FGF21增加，很大程度上歸因于IGFBP1。體外破骨細胞分化和體內骨吸收均被重組IGFBP1所增強，但被IGFBP1阻斷抗體抑制；抗IGFBP1治療可減輕卵巢切除所致骨質疏松癥，并在維持胰島素敏感性代謝優勢的同時，消除FGF21所致的骨丟失，同樣的，IGFBP1通過其RGD結構與破骨細胞前體上的受體整合素β1結合，從而增強RANK刺激的Erk磷酸化和NFATc1的激活；因此，破骨細胞整合素的缺失對IGFBP1和FGF21的吸收增強作用具有抵抗作用【6】。基于以上研究，此后WeiWei通過對FGF21轉基因小鼠和野生型小鼠的脛骨組織對比研究發現，FGF21轉基因小鼠機體FGF21水平是野生型小鼠的5倍作為前提研究條件，前者的骨小梁顯著低于后者，在骨容量/組織容量、骨表面、骨小梁、骨小梁厚度方面，前者顯著降低，在骨表面/骨容量、骨小梁間距方面，前者顯著高于后者，在組織礦物質密度、骨礦物密度方面，前者顯著低于后者，而骨髓脂肪細胞量增加，而FGF21敲除小鼠成骨細胞數和表面數明顯高于野生型小鼠，FGF21敲除小鼠骨髓脂肪細胞的數量和面積也明顯減少，這些研究均表明，FGF21是骨穩態的有效調節劑，正是由于FGF21的激活，骨量顯著減少，相反，FGF21功能缺失，則引發高骨量表；同時還發現FGF21借助PPAR-γ對成骨細胞的生成進行抑制，并對骨髓間質干細胞脂肪的形成起到刺激作用，FGF21缺失防止了PPAR-γ激動劑羅格列酮的引起的骨丟失這一副作用；因此，FGF21是骨轉換的關鍵變阻器，是骨和能量代謝的關鍵整合者；這些結果表明，骨脆性可能是慢性FGF21給藥的不良后果【7】。

2 PPAR

2.1 PPARγ

PPARγ是PPARs的亞型之一，其在被激活后，能夠對細胞分化、增殖和凋亡的過程發揮調節作用。目前，最新的研究指出，PPARγ可以作為代謝綜合征治療的新靶點，實現對代謝綜合征的全面干預[8]。也有研究指出，PPARγ具有抑制腫瘤、預防心肌缺血所造成的再灌注損傷、保護神經功能、皮膚病治療、非酒精性脂肪肝以及干眼癥等的治療等。目前，也有研究指出，骨髓干細胞分化受到PPARγ的作用。相關研究[9]指出，PPAR對于促進成骨細胞凋亡意義重大，同時對破骨細胞的活性也具有重要影響。對于老年性骨質疏松、絕經后骨質疏松的發生具有重要意義。因此探討PPARγ對于骨組織的作用和骨質疏松發生的關系具有重要的實踐價值。

2.2 PPAR影響成骨細胞

PPAR與骨質疏松的關系，必然要關注其對成骨細胞的影響。

首先，PAPR影響成骨細胞的分化。成骨細胞來源于MSCs，表現為存在多向分化的能力，在受到不同誘導體系的作用下，誘導成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等的形成。根據動物實驗的結果，以羅格列酮（PPAR的人工合成配體）20mg/kg/d喂養C57BL/6小鼠7周的時間，發現Cbfal、Dlx5明顯下降，而ap2明顯增加。另外，其可以最快的速度激活PPARγ抑制被β3磷酸甘油活化的Cbfal與NF-kB結合的過程，對前成骨細胞的分化過程和增殖過程進行抑制。而PPARγ剔除后的ES細胞可分化為成骨細胞，但是卻無法向脂肪細胞分化。當PPARγ再次植入后，則分化功能得到恢復。該項研究指出，PPARγ的高表達，能夠促進MSCs轉化為脂肪細胞，成骨細胞分化過程被抑制。而這也佐證了骨質疏松患者骨髓中脂肪細胞與成骨細胞比例失衡的現象[10]。另有研究[11]指出，由于年齡的增加，成骨細胞數量下降，脂肪細胞增多，受到骨髓微環境改變的影響，mMSCs分化潛能也改變，可能的原因在于PPARγ參與了老年性骨質疏松的發生。

另有研究[12]指出，PPARγ的各種配體（天然配體9，10-二羥十八碳烯酸、9，10-環氧十八碳烯酸等）會通過不同的調節通路影響成骨分化。相關學者認為，臨床上TZDs治療方案的應用，可能是引發或加重糖尿病患者的骨質疏松問題的原因，同時，這也代表了，根據患者實際情況給予PPARγ調節劑治療，可能會成為骨質疏松患者疾病干預的新方法。

第二，PPAR對成骨細胞的成熟具有調節作用。根據相關研究，前列腺素代謝產物在適當濃度下可將PPARγ激活，使得成骨細胞得以礦化，從而促使骨的形成，充分證明了PPARγ對于成骨細胞的成熟具有積極的促進作用。根據相關學者的研究[13]，在成骨細胞處于成熟階段的早期，誘導PPARγ的表達，可以進一步誘導MC3T3-E1前成骨細胞ALP的活性增加，促進基質鈣化，促進成骨細胞基因表達，從而促進成骨細胞走向成熟。另外的研究中發現，羅格列酮能夠在成骨細胞分化晚期，成骨細胞中的特異性轉錄因子表達不會再受影響，同時，基質蛋白、骨鈣素的表達也不會受到影響，探究其原因，可能在于其配體不會影響已經高度分化的成骨細胞PPARγ2或Wnt-10b的激活。

第三，PPAR對成骨細胞凋亡會產生一定的影響。成骨細胞最終會分化生成骨襯細胞或者骨細胞，只有很少的一部分才會走向凋亡。通過動物實驗發現，以羅格列酮3mg/kg/d喂養C57BL/6小鼠90d后，成骨細胞/骨細胞數量和活性均呈現下降的表現，而且，Bcl-2表達水平也表現為下降。環格列酮、吡格列酮的應用，使得成骨細胞中FGF-2誘導的SAPK/JNK的磷酸化過程顯著增強，而GW9662能夠削弱這種磷酸化過程。同時，環格列酮呈現出劑量、時間依賴性特點，該特點能夠導致成骨細胞走向凋亡，Bax的過表達，從而在抗氧化劑和GW9662的作用下被拮抗。同時，也有研究[14]指出，活性氧族。MAPK信號通路也是這一過程中的重要角色。在曲格列酮的作用下，ERK信號通路被迫下調，而p38信號通路得以上調，MC3T3-E1細胞凋亡。另外，曲格列酮的存在，就是增加了活性氧族的作用，但是，抗氧化劑的作用不包括成骨細胞凋亡的拮抗，也就是說，活性氧族與曲格列酮表現的細胞毒性無關。通過上述研究，PPARγ配體通過絲裂原活化蛋白激酶信號通路發揮作用，完成成骨細胞的促凋亡。MAPK信號通路在細胞內廣泛存在，該信號通路的激活，能夠直接參與細胞分化、增殖、轉化以及凋亡的調節，并與炎癥、腫瘤等多種疾病的發生、發展關系密切[15]。目前，4種已知的MAPK信號通路已經被明確，其中，ERKI/2信號通路介導細胞增殖，JNK在多種系統中發揮促凋亡作用，在應激狀態下，p38參與炎癥反應和細胞的凋亡。ERK5作用于生長因子誘導下的細胞增殖過程[16]。而PPARγ的上調，MAPK中的促凋亡通路將被激活，能夠促進bax/bcl-2比值增高，促進成骨細胞走向凋亡。

2.3PPAR對破骨細胞的影響

破骨細胞由HSCs分化而來，其分化過程需要RANK、OPG以及骨保護素配體/RANK配體系統等的參與。特定的骨髓微環境中，成骨細胞/MSCs膜表面的RANKL和破骨細胞前體細胞膜表面的RANK能夠結合，活化破骨細胞功能，再加上，OPG與RANK競爭性結合，使得破骨細胞形成和骨吸收被抑制。近年來，隨著研究的不斷深入，關于PPARγ活化與破骨細胞二者關系的研究也不斷增加，但是，研究的結果存在分歧。有學者[17]在研究中發現，HSCs表達PPARγ，而MSCs中加入PPARγ配體并不能引發破骨細胞前體過度表達PPARγ，而在HSCs和MSCs共培養體系中，可以啟動PPARγ，通過切斷骨保護素配體所激活的NF-kB通路，能夠降低多核破骨細胞的數量，降低骨吸收標志因子的表達。而TMS-14作為前脂肪細胞株，能夠對破骨細胞分化起到誘導作用，TZD的應用，一方面，促進TMS-14細胞向脂肪細胞分化，另一方面，抑制破骨細胞分化因子的表達。動物實驗發現，觀察經吡格列酮處理的大鼠破骨細胞樣細胞，在培養早期吡格列酮10umol/L以及5umol/L干預組破骨細胞樣細胞整合素β3表達下降，說明吡格列酮的應用，使早期分化的破骨細胞樣細胞骨吸收受限。另有研究指出，通過給予顱蓋骨培養中的大鼠環格列酮處理，鈣釋放增加，且存在明顯的劑量依賴性特點，RANKL mRNA表達增加，OPG mRNA表達減少，充分說明TZD與破骨細胞分化密切相關。研究指出，通過給予正常小鼠羅格列酮處理，12周后，骨丟失不明顯，脂骨表現不明顯。而在去卵巢小鼠中給予羅格列酮處理，發現小鼠骨丟失明顯，脂骨增加，破骨細胞數量與骨侵蝕面增加，提示雌激素不足狀態下應用TZDs能夠，誘導骨質疏松加重。另外的研究指出，PPARγ及其配對成骨細胞的作用在于改變骨髓微環境中相關細胞因子水平，從而直接或間接地影響破骨細胞分化和功能[18]。

3 CREB

3.1 CERB概述

CREB是環磷腺苷效應元件結（cAMP-response element binding protein）的英文縮寫。cAMP依賴蛋白激酶A、環磷腺苷效應元件結合蛋白信號轉導通路作為G蛋白的下游通路之一，是動物以及人體普遍存在的一條通路，能夠調控多種細胞的物質代謝、基因表達、成熟和凋亡、增殖、分化等生物學功能，特別是在骨形成、骨吸收方面發揮著重要作用，其可以加速成骨細胞的增殖和分化，并抑制破骨細胞的活性，發揮對骨代謝的調節作用，防治骨質疏松癥的生成和發展。PKA、CREB信號轉導通路作用機制主要是通過激活PKA來活化細胞核內的CREB，調節靶基因轉錄。CREB由C、N兩端構成的，C端由堿性氨基酸構成了一個亮氨酸拉鏈結構區域，是與DNA實現結合的區域，被稱為DNA結合構域。N端含有豐富的酸性氨基酸，是CREB調節轉錄活化的區域，在該區域內，包含兩個不同的功能區域，一個是含有多個磷酸化點的激酶誘導區，能夠實現以PKA為主的蛋白激酶磷酸化，也就是激酶誘導結構域，另一區域則是谷氨酰胺殘基，與調節轉錄活化有關。CREB發揮其轉錄調控，必須以PKA磷酸化為前提。當PKA被活化后，將C亞基解離出來，進入細胞核內，并在KID區域的磷酸化點位相結合，引發KID區中Scr133分子結構發生改變，將CREB調控基因轉錄的功能激活[19]。

3.2 CREB對骨質疏松的調控作用

PKA、CREB是ATF4的信號轉到通道，對于骨骼具有調節作用。當收到細胞外的刺激時，機體的神經系統就會將神經遞質釋放，并與細胞膜上的靶G蛋白結合，G蛋白通過對苷酸環化酶活性的調節，在其催化作用下，將腺苷三磷酸（ATP）環化為環腺苷酸（cAMP），cAMP是細胞內的第二信使，能夠將細胞內的PKA活化，隨后被轉運到細胞核內，將CREB磷酸化，磷酸化的CREB能夠對ATF4產生影響，從而抑制破骨細胞的增殖和分化，促進成骨細胞的增殖和分化，促進骨骼的生長，防治骨質疏松[20]。根據動物實驗的結果，骨質疏松在發展過程中，PKA/CREB蛋白因子表達下降，提示骨質疏松的發生與PKA/CREB信號通路有關。根據相關學者的研究，活性氧通過PKA-CREB信號通路實現對成骨細胞基因的調控，從而起到治療骨質疏松的作用。

4小結

對于正常人而言，骨代謝通過骨重建而完成，通過自身不斷的自我更新和自我修復，能夠保持結構和功能的完整性。在這一過程中，成骨細胞與破骨細胞均發揮著重要作用，如果體內骨轉換出現紊亂，則容易引發骨吸收過多或者骨形成不足，從而形成骨質疏松。近年來，隨著骨質疏松發生率的不斷上升，人們對于骨質疏松癥的重視程度不斷加深，對于骨質疏松的病理研究和臨床治療也得到了深入發展。在研究中發現，骨質疏松的發生和發展與多種細胞因子、信號通路存在密切的關系，本次就FGF21、PPAR及CREB在骨質疏松癥中的作用和影響進行了探討，結果發現，FGF21抑制成骨細胞活性，PPAR影響成骨細胞的分化、成熟和凋亡，影響破骨細胞的分化和功能，CREB通過PKA/CREB信號通路發揮作用，影響骨質疏松的發生。但是，關于FGF21、PPAR及CREB在骨質疏松癥中的作用仍然沒有得到定論，需要進一步開展深入研究。

參考文獻：

[1] Sliva A M，Heymsfield S B，Sardinha L B.Assessing body composition in taller or broader individuals using dual-energy X-ray absorptiometry：a systematic rewiew[J].Eur J Clin Nutr，2013，67（10）：1012-1021

[2] Blaner J，Guerin AP，Pannier B et al.Arterial calcifications，arterial stiffness，and cardiovascular risk in end-stage renal disease[J].Hypertension，2001，38：938-942

[3] Yie J，Wang W，Deng L，et al.Understangding the physicl interactions in the FGF21/FGFR/βklotho complex：structural requirements and implications in FGF21 signaling.[J].Chemical Biology &Drug Design，2012，79（4）：398

[4] Smith R，Duguay A，Weiszmann J，et al.A novel approach to improve the function of FGF21[J].Bio Drugs，2013，27（2）：159-166

[5] Xu J，Lloyd DJ，Hale C，et al . Fibroblast growth factor 21 reverses hepatic steatosis，increases energy expengiture，and improves insulin sensitivity in diet-induced obese mice[J].Diabetes，2009，58（1）：250-259

[6] Xunde Wang，Wei Wei，et al.A Liver-Bone Endocrine Relay by IGFBP1 Promotes Osteoclastogenesis and Mediates FGF21-Induced Bone Rescoption. [J].Cell Metab.Author manuscipt available in PMC 2016 03（11）：01-27

[7] Wei Wei，Dutchak PA，Yihong Wan，et al.Fibroblast growth factor 21 promotes bone lossy potentiating the effects of peroxisome proliferator-activated receptor . [J].Proc Natl Acad Sci U S A，2012，109（8）；3143-3148.

[8]李興艷，杜勇軍.PPARα與2型糖尿病性骨質疏松的相關性研究進展[J].中國骨質疏松雜志，2018，24（8）：1093-1096.

[9]史傳道，于曦，楊艷輝，等.“抗疏健骨顆粒”對去勢骨質疏松模型大鼠腎組織PPARγ2 mRNA及蛋白表達水平的影響[J].江蘇中醫藥，2016，48（7）：74-76，79.

[10]卜淑敏，楊涵.5種干預療法對去卵巢骨質疏松大鼠骨髓脂肪細胞數目和PPARγ2蛋白表達水平的影響[J].首都體育學院學報，2016，28（3）：270-273.

[11]黃思敏，鄧偉民.補腎健脾化瘀方對絕經后骨質疏松癥婦女血清中PPARγ因子的影響[J].中醫臨床研究，2014，6（34）：22，24.

[12]馮曉波.四環素誘導大鼠靶向PPARγ基因沉默治療糖皮質激素性骨質疏松癥的實驗研究[D].華中科技大學，2015.

[13]柏茂盛，趙建寧，洪葉.脂代謝與骨代謝信號通路及與骨代謝相關疾病的關系：理論進展與熱點方向[J].中國組織工程研究，2018，22（20）：3269-3274.

[14]呂志偉，張柳.核轉錄因子PPARγ與骨質疏松[J].中國骨質疏松雜志，2007，13（12）：884-887.

[15]陳渝，卜淑敏.全身垂直振動對去卵巢骨質疏松大鼠骨髓細胞PPAR γ和P-GSK-3β蛋白表達的影響[J].中國運動醫學雜志，2013，32（11）：987-990，996.

[16]翁文玉，郝燁華，張瑜生，等.線粒體途徑相關信號通路對成骨細胞凋亡的作用[J].中國骨質疏松雜志，2018，24（12）：1665-1670.

[17]楊熳，盧冰婕，段媛媛，等.骨質疏松癥易感基因BDNF的遺傳學關聯分析及功能研究[J].遺傳，2017，39（8）：726-736.

[18]叢茜.p38αMAPK在骨發育及骨代謝中的作用[D].上海交通大學，2016.

[19]王梅平，詹增土，朱敏.腦缺血再灌注損傷大鼠CREB信號通路調控及電針足三里作用機制[J].臨床誤診誤治，2018，31（12）：94-98.

[20]康文博.雌激素膜受體GPR30/GPER1在骨質疏松治療中的作用與機制研究[D].第二軍醫大學，2016.