轉化生長因子－β在骨代謝中作用機制的研究進展

王凱 宋敏，2* 文皓楠 黃凱 張亞彬

1．甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000

2．甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅蘭州730020

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨代謝紊亂、骨微結構改變為主要特征，具有強烈遺傳影響性的多因素疾病［1］。隨著全球老齡化的加劇，OP的發病率呈逐年升高趨勢，后期并發重要部位的脆性骨折極易致殘、致死［2］，是嚴重危害中老年人健康的世界性難題。骨骼的健康依賴于完整的結構和充足的骨量，骨吸收與骨形成之間嚴格的調節機制是維持骨組織微環境穩定的重要保證。骨代謝是成骨細胞和破骨細胞主導的，多種細胞因子共同參與的生理過程，轉化生長因子－β在骨代謝過程中對成骨細胞和破骨細胞具有雙重調節作用［3－4］，在維持骨吸收與骨形成的平衡狀態中具有重要意義。本文就轉化生長因子－β對成骨細胞與破骨細胞的作用機制作一綜述，以期拓寬防治OP的思路。

1 轉化生長因子－β的結構與分型

轉化生長因子－β(transformation growth factorβ，TGF－β)是1981 年 Roberts等［4］在誘導大鼠成纖維細胞增殖過程中發現并分離的多肽蛋白，是一類具有保守二聚體結構的多效能細胞因子超家族［5］，具有廣泛而復雜的生物學活性。隨著研究的不斷深入，對該龐大家族群的認識也日趨完善，目前已知至少有40多種相關蛋白，TGF－β與骨形態形成蛋白是其主要的組成成員，在細胞分化遷移與增殖凋亡的調控中發揮著關鍵作用［6］。人體內的大部分細胞、組織都可以分泌TGF－β，但在骨組織中成骨細胞、破骨細胞、骨細胞及軟骨細胞均可分泌TGF－β［7］，骨組織局部微環境為TGF－β的生成提供了最為適宜的場所。因此，骨組織內TGF－β的濃度是其他組織的100倍，是TGF－β主要的儲存庫。轉化生長因子－β是結構相同或相似、相對分子質量為12500的兩個單體通過二硫鍵結合形成的二聚體多肽，前體蛋白是不具有生物活性的大分子復合物，當機體溫度或內環境酸堿度發生改變時可被直接激活［8］轉變成具有功能活性的同源二聚體，在骨重建過程中刺激骨形成，從而發揮相應的生物學效應。目前 TGF－β 已知的亞型有 6種，TGF－β1、TGF－β2及TGF－β3是哺乳動物特有的3個亞型，由于3種亞型64%～82%的氨基酸序列相同而高度同源，同源區是由8個半胱氨酸形成的氨基酸簇，所以結構呈現出一定的相關性，羧基端序列不同造成了各亞型之間作用機制的不同［9］。

1.1 TGF－β1

TGF－β1是TGF－β多功能超家族中最為重要的成員［10］，主要在內皮細胞和結締組織中表達，其表達時間較TGF－β2和TGF－β3最長，對骨質再建及骨基再生過程的調控意義重大。TGF－β1還能有效地刺激膠原纖維和其他細胞外因子的生成與積聚，促進多種器官纖維化，尤其在肝臟組織中，TGF－β1能誘導肝星狀細胞借助上皮間質轉化為成纖維細胞，以加速肝纖維化的進程［11］。研究表明，TGF－β1還具免疫調節的功能［12］，且作用范圍較廣。

1.2 TGF－β2

TGF－β2屬于成骨細胞趨化因子，主要在分化成熟的上皮細胞中表達，能通過促進細胞外基質的合成調節骨基質形成，具有誘導成骨的潛力［13］。TGF－β2在直接刺激骨祖細胞增殖的同時，在ERK/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活化過程中［14］也具有誘導作用，間接促進骨祖細胞向成骨細胞的分化，與骨組織的生長發育密切相關。TGF－β2還具有促炎性細胞因子的功能，能在機體氧化應激狀態下迅速作出應答［15］，發揮自身免疫調節作用，使機體盡快適應內環境在短時間內的改變。

1.3 TGF－β3

TGF－β3主要來源于骨質，成骨細胞及關節軟骨也是TGF－β3的生成場所，最初生成的TGF－β3不具有任何活性貯存在基質中，在機體創傷愈合過程中由于體內酸堿環境發生改變時被相應的蛋白激酶激活，從而在后期可以調節成骨細胞的增殖［16］，促進骨質的形成和成熟。TGF－β3與TGF－β1及β2在結構序列上相似，均是由110～140個氨基酸殘基多肽鏈構成的二聚體，相對分子質量為25 000，但TGF－β3與骨形態蛋白聯合后在誘導成骨細胞分化時的雙向調控作用更加持久。TGF－β3在骨生長代謝過程中通過形成積極的反饋機制來調控骨改建，對來源于間充質的細胞也可產生一定的作用，尤其對前軟骨干細胞的增殖及基質蛋白的鈣化具有顯著的正向調節作用［17］。

2 TGF－β與成骨細胞

成骨細胞由骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSCs)分化而來，在骨代謝過程負責骨形成的同時，還能主導破骨細胞的生成及活性，這與骨吸收和骨形成之間的脫偶聯機制［18］有關。TGF－β對成骨細胞的作用機制相當復雜，最基本的模式是成骨細胞合成并分泌大量的TGF－β，然后與細胞膜上的特異性受體結合后又作用于自身［19］，促進細胞外基質的合成，影響成骨細胞的增殖分化。TGF－β還可作用于成骨細胞的前體細胞，即骨髓中成骨細胞祖細胞，當機體TGF－β水平減低或人為進行TGF－β抗體干預后，成骨細胞前體細胞的增殖活力明顯受到抑制，導致成骨細胞數量減少。

2.1 TGF－β/Smad信號轉導途徑

Smad蛋白介導的TGF－β/Smad信號通路主要是通過配受體結合的方式發揮作用，TGF－β受體(TβR)與其他信號受體所介導的跨核膜轉運有所不同，TGF－β 必須同時與 TβR－I和 TβR－II兩種受體結合后才能啟動信號轉導。TGF－β選擇性地與成骨細胞膜上的Ser/thr激肽酶II型受體相結合，使配體內部結構發生相應的改變，并磷酸化TβR－I形成TβR－I－配體－TβR－II三聚體復合物［20］。TβR－III不含激酶活性區，不能直接參與信號轉導，但在受體復合物形成過程中具有重要的調節作用。攜帶信號傳遞信息的三聚體受體復合物通過細胞膜后，使受體調節型Smad(R－Smad)被TβR－I磷酸化［21］，緊接著共同通路型Smads(Co－Smads)與其特異性結合形成復合物異位進入細胞核內。細胞內的信號傳導反應主要是在Smad蛋白富含脯氨酸(Pro)的高度保守結構區域MH1(Mad homology domain－1)內進行，發夾樣結構與DNA上的SBE直接結合，導致特定靶基因的轉錄與表達，調控成骨細胞的增殖、分化及I型膠原蛋白的合成［22］，從而促進骨的形成。

2.2 TGF－β誘導成骨細胞自噬

自噬(autophagy)是細胞通過形成自噬體的方式對自身蛋白或受到損害的細胞器進行分解再利用，既可以清除細胞內的異常組分，又可以實現自身營養的供給，是細胞在應激狀態下維持內環境穩定的一種適應性機制和正常生理代謝過程［23］。自噬對與骨代謝相關的細胞具有重要作用，在退變過程中自噬可以協助清除骨細胞內損害的成分，把衰老對骨細胞產生的不良影響［24］降到最低。骨重建過程中，成骨細胞自噬活性的降低會直接對骨形成產生負面影響，造成骨骼質量下降、骨質疏松的發生。究其原因，活躍的自噬行為在基質處于低氧微環境時可以為細胞創造“自給自足”式的營養供應，為細胞器的加速更新［25］提供能量，同時還可以豐富胞漿中的肌動蛋白，在成骨細胞向骨細胞轉化的過程中起到促進作用。自噬的活化受到嚴格的基因調控［26］，其發生主要依賴I型微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule－associated protein 1 light chain 3，LC3)向II型LC3的轉換。研究表明，TGF－β能誘導成骨細胞的自噬活性，使其轉錄生成更多的 LC3 m RNA，進一步翻譯為相關蛋白［27］，而且在一定時間段內LC3 m RNA表達水平與TGF－β的作用時長呈正相關，TGF－β能通過調控與自噬有關的基因促進成骨細胞的增長。

2.3 TGF－β對雌激素受體的作用

雌激素是人體重要的內源性激素，通過對人體多系統的調控作用來維持正常的生長發育與生殖繁衍。在OP的發病機制中，雌激素水平的降低可直接導致骨轉換失衡、骨代謝微環境紊亂以及骨量減少。雌激素對骨代謝的調節主要是借助于雌激素受體(estrogen receptor，ER)［28］結合后對相關細胞因子產生作用，使相應的信號通路受到刺激，產生一系列的生物效應。目前已知的ERα和ERβ亞型，均屬于核受體超家族，基因序列具有高度的同源性，成骨細胞以及它的前體細胞都可以表達ERα和ERβ，ERα是雌激素在骨組織中的主要作用受體，而ERβ在ERα功能缺陷或異常時能起到部分替代作用［29］。ERα和ERβ的活性及數量受雌激素分泌水平高低的影響，隨著年齡的增長或女性絕經后，ERα和ERβ的表達水平明顯降低，導致老年性骨質疏松和絕經后骨質疏松的發生。雌激素與成骨細胞內的ERα及ERβ受體結合后刺激成骨細胞釋放生物活性因子并分泌膠原酶，通過提高Ⅰ型膠原mRNA在成骨細胞中的表達水平［30］促進成骨細胞的增殖分化，增強其成骨能力，優化骨組織重建。這一過程涉及復雜的信號通路，同時也需要相關細胞因子(如TGFβ、Wnt、BMP 等)的參與。研究表明 TGF－β 能夠誘導激活促使ER發生磷酸化的活化激酶，從而提高雌激素受體的表達水平，并對TGF－β的作用濃度在一定范圍內呈現依賴性［31］。

3 TGF－β與破骨細胞

破骨細胞(osteoclast，OC)來源于造血干細胞(hematopoietic stem cell，HSC)，成熟的破骨細胞結構與單核巨噬細胞類似［32］，直徑在100 μm以上，屬于巨大的多核細胞，主要位于哈弗斯系統內骨膜的內表面。破骨細胞是人體唯一能夠溶解骨組織的細胞，骨吸收的作用能啟動舊骨基質的清除和新骨的重塑，使骨重塑周期保持穩態化。骨質疏松的發生［33］是破骨細胞活性異常、功能太過活躍造成的不良結果，骨吸收能力強于骨形成，最終導致骨量流失、骨質量下降。因此，抑制破骨細胞的活化與增殖是治療骨質疏松的重要手段，研究表明TGF－β可抑制破骨細胞的形成和分化，還能誘導破骨細胞的程序性死亡［34］。

3.1 TGF－β與OPG/RANKL/RANK系統

OPG/RANKL/RANK能在破骨細胞的分化成熟過程中起到關鍵作用，是維持骨代謝平衡的重要信號傳導通路。核因子 κB受體活化因子配體(receptor activator of NF－кB ligand，RANKL)能與破骨細胞或破骨細胞前體細胞表面的RANK相結合，激活的RANK通過核轉錄因子NF－κB將信號呈遞并轉運至細胞核內，刺激 c－Fos的表達增強［35］，c－Fos與活化的T細胞核因子結合后調控與破骨細胞生成相關的特異性基因開始轉錄，促進破骨細胞的分化，最終生成具有增強骨吸收活性的成熟破骨細胞并抑制其凋亡。骨保護素(osteoprotegerin，OPG)屬于腫瘤壞死因子受體超家族的重要成員，在和破骨細胞膜表面的RANK結合時，與RANKL屬于一種競爭關系，且結合能力強于RANKL［36］，從而有效地阻止RANKL與RANK結合，明顯阻斷能夠引起破骨細胞鏈式反應的信號傳遞，抑制破骨細胞的形成，在破骨細胞的增殖分化、成熟過程中起到負性調節作用。OPG/RANKL/RANK信號系統在促進骨吸收的同時，骨髓基質及成骨細胞分泌一定量的OPG使OPG/RANK比例保持在適當水平［37］，以防止骨吸收過度。與骨代謝相關的大部分細胞因子都參與OPG/RANKL/RANK信號軸的調控，TGF－β可以上調成骨細胞表達OPG的水平，大量表達的OPG與RANKL競爭性結合后拮抗RANK的作用，能有效地抑制破骨細胞的分化成熟。研究發現，在TGF－β高濃度環境中，OC分化受到抑制;低濃度的TGF－β可以提高巨噬細胞集落刺激因子水平和RANKL/OPG比例［38］，對破骨細胞的分化具有促進作用。

3.2 TGF－β在免疫應答中的作用

免疫系統中T淋巴細胞也與破骨細胞的增殖分化密切相關，Th1和Th2細胞均屬于CD4+T細胞的亞群，能通過分泌IFN－γ和IL－4的方式抑制破骨細胞前體細胞向成熟破骨細胞的發育，在骨質吸收的調控過程中影響破骨細胞的活性，減少骨質的吸收。Th17細胞在破骨細胞的成熟和骨質吸收過程中具有雙重調節作用［39］，TGF－β是誘導Th17細胞形成的關鍵細胞因子［40］，高濃度的TGF－β通過與IL－6和IL－21聯合使IL－23受體表達的上調來促進Th17細胞的生成。體內激素水平降低，可直接影響TGF－β的生成，TGF－β分泌減少導致對T細胞的抑制作用減弱［41］，尤其在女性絕經期前后，機體內分泌系統紊亂，T細胞功能活躍通過連鎖反應的調節方式影響骨質疏松的發生。在免疫微環境中，TGF－β作用的發揮與細胞表面分子的表達及其他因子分泌的不同而有所差異，如TGF－β可直接抑制Th1和Th2，導致IFN－γ和TNF－α等細胞因子生成減少，對破骨細胞的抑制作用減弱;也可誘導Th17細胞的分化，增強免疫應答，使破骨細胞的活性增加，加快骨質的吸收。如何將TGF－β在免疫調節中的具體作用轉化成治療骨質疏松的有效手段是今后研究的重心。

4 結語

成骨細胞與破骨細胞共同維持著骨吸收與骨形成之間的平衡，骨代謝紊亂造成骨量的過度丟失是骨質疏松發生的主要原因。TGF－β作為具有廣泛生物活性的蛋白多肽，是成骨細胞與破骨細胞之間不可或缺的偶聯調節因子，TGF－β通過自分泌或旁分泌的方式，不僅能誘導成骨細胞的增殖分化，促進骨的形成，還能加快破骨細胞的凋亡，抑制骨的吸收。國內外大量的研究表明TGF－β對成骨細胞和破骨細胞具有雙重調節作用，其作用機制與TGF－β濃度的不同而一直倍受爭議，目前仍未徹底闡明。因此，在TGF－β參與骨代謝的確切機理方面還需要做深入的研究，才能為探索以TGF－β為靶點防治OP提供有力的理論依據。