BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL信號通路與骨質疏松關系的研究進展

施彥龍 李應福 謝興文 李寧 魏國俊 郭宏剛 錢敏 柳博

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730030 2.甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730050 3.甘肅省中醫院，甘肅省中醫藥研究院，甘肅 蘭州 730050 4.西北民族大學附屬醫院，甘肅省第二人民醫院，甘肅 蘭州 730030

OP的特征在于骨量減少、骨組織微觀結構破壞，表現為骨板多孔并變薄，骨小梁變細、數量減少、發生斷裂，典型臨床特征是骨強度降低、脆性增加及結構退化而易致骨折[1-7]。由于OB形成的新骨量比OC吸收的舊骨量少，所以骨代謝平衡軸發生紊亂，產生負平衡效應，骨總量過度丟失導致OP的發生。其總體方向雖然明晰，但對具體機制的研究，部分仍未完全明確。目前關于OP相關信號通路的研究比較深入的主要有BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL 2條通路，其中BMP/Smads主要調控OB，影響骨的形成；而OPG/RANK/RANKL則主要負責調控OC，以影響骨的吸收為主[5]。本文通過對中國知網、PubMed、維普和萬方數據庫中“骨質疏松”、“BMP/Smads”、“OPG/RANK/RANKL”、“信號通路”等關鍵詞進行檢索，篩選出近5年相關文獻進行分析與總結，旨在進一步明確OP的發病機理，為OP的預防與治療開拓新的思路，提供新的理論依據。

1 BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL 2條信號通路的研究進展

1.1BMP/Smads信號通路

骨形態發生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)又稱骨形成蛋白，是轉化生長因子(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的一員，在骨基質中大量存在[8]。它能使肌肉和筋膜周圍游離且沒有分化的間充質細胞和成纖維細胞向骨系細胞轉化，起到促進骨折愈合的作用。并通過刺激細胞的復制以及DNA的合成，來促進OB的分化[9]，是目前已知的最具特異性的骨形成誘導因子[5]。在調節骨代謝過程中，有經典Smads途徑和非經典MAPK途徑[10]。經典途徑以BMP2、Smad-1，5，8為主要誘發分子，且BMP2通過Smad-1，5，8介導的轉導通路來調控OB的分化與成熟。非經典途徑主要包含ERK通路和P38通路，激活ERK通路可顯著提高OB活性；P38通路的激活則通過改善OB的礦化、提高BMP2蛋白的表達來促進骨的形成[11]。此信號通路功能的缺失往往會導致骨量減少，從而誘發OP[12]。有研究[13-14]表明，BMP 2在OB的分化過程中發揮著非常關鍵的作用，當小鼠OB中 BMP 抑制劑 Noggin 過表達或BMP受體BMPR1不足時，OB的增殖和分化都會受到一定的抑制，甚至會導致小鼠發生OP，這在一定程度上證實了BMP信號通路能夠促進OB分化的理論。孫雨晴等[9]研究發現，通過藥物作用上調BMP 2/Smads1及其通路中的其他重要相關mRNA蛋白分子，可明顯促進體內OB的分化，且表達關系非常密切。柴爽等[15]對去卵巢大鼠的實驗研究發現，通過藥物作用上調BMP 2蛋白和Smads1基因的表達，可明顯促進OB的分化。這一系列新發現，進一步表明BMP/Smads信號通路參與OB的增殖與分化并影響其活性及功能，一定程度上影響OP的發生及發展，可能會是OP發生機制與藥物治療方面新的研究熱點[10]。

1.2OPG/ RANK/RANKL 信號通路

骨保護蛋白(osteoprotegerin，OPG)、核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-kappa，RANK)和核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor -kappa B ligand，RANKL)通路的三聯體成分是腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)受體超家族的成員[16]。據相關文獻報道[17-19]，此信號通路可能涉及以下途徑：①NF-κB途徑：RANK與TNF受體相關因子6(TNF receptor associated factor-6，TRAF6)結合后可以激活核轉錄因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)誘導激酶，而后NF-κB復合物會由胞漿入核，進而誘導OC成熟；② JNK途徑：RANK與TRAF6結合，也激活JNK，進而誘導c-Jun/Fos活化蛋白-1(AP-1)活化并磷酸化c-Jun，活躍破骨前體細胞功能，產生OC；③Akt途徑：又稱蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)途徑，RANK與TRAF6結合并激活磷脂酰肌醇，參與到NF-κB的活化過程，加速OC分化；④鈣調磷酸酶/活化T細胞核因子(calcineurin/nuclear factor of activated tcells，CN/NFATc1)途徑：CN活化NFAT并快速入核，參與OC基因表達。

OPG由OB、骨髓間質細胞、血管平滑肌細胞或內皮細胞等多種細胞分泌產生，其多肽鏈由一段信號肽、腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factorreceptor，TNF-R) 結構域、2個同源性死亡(death domain homologous，DDH) 結構域、1個肝素結合結構域(heparin binding domain) 共4個部分組成[20-21]。N端的D1-D4是生理功能部分，能和OC分化過程中的關鍵因子RANKL、免疫監測系統中的TNF相關細胞凋亡誘導配體TRAIL相結合，它是抑制骨吸收，增加皮質骨和松質骨密度、面積以及骨強度的關鍵細胞因子[17]。在骨組織中，OPG主要由OB產生，且隨著細胞的分化成熟進一步增加，是目前發現對OC有直接負向調控作用的因子[22]。在OC分化微環境中，OPG又由OB和基質細胞共同分泌，并與二者表面表現出高度親和力[23]。其主要發揮競爭性抑制RANKL的功能性受體RANK與之結合，阻斷OB誘導的破骨前體細胞分化，進而調控OC的功能[24]。有文獻[18]報道，將OPG給予卵巢切除術后小鼠，其骨小梁會顯著增多，而不給予OPG的小鼠則出現骨小梁減少，表明OPG可在一定程度上抑制骨吸收、預防骨丟失。喬松等[25]研究發現，對比非OP高齡患者，OP高齡患者血中OPG水平明顯下降(P<0.05)，表明OPG水平下降可能是OP高齡患者的發病原因之一。

RANK是一種I型同源三聚體跨膜蛋白，是目前已知的RANKL唯一受體激活劑[16,21]。在體內主要表達于單核和巨噬細胞系，主要功能是在OC及其祖細胞表面與RANKL結合，直接促進OC的分化成熟并阻止其凋亡。在體內的存在方式有可溶型與跨膜蛋白型兩種，前者存在于血液中，能阻斷RANKL對OC的促分化生長；后者存在于OC表面，可通過與RANKL選擇性結合促進骨吸收[26]。有文獻[17,26]報道，小鼠RANK基因被敲除后，OC會明顯缺乏，導致非致命性石骨癥的形成。相反地，如果RANK基因出現過度表達，OC數量會顯著增加，骨吸收速度也會隨之加快，在臨床上主要表現為變形性骨炎(Paget病)。

RANKL是TNF家族II型同源三聚體蛋白，是影響骨形成和吸收的偶聯關鍵，其mRNA在骨組織與骨髓中表達最高[23]。有RANKL 1、2、3 3種亞型[27]，其中RANKL1、2是跨膜蛋白，對OC前體細胞增殖有增強作用；RANKL3為分泌蛋白，可抑制OC前體細胞的增殖。最新實驗研究表明[20]，當大鼠RANKL 過表達時，會增加骨吸收，導致骨脆性增大，誘發骨密度降低和其他OP相應臨床表現。因此RANKL是維持OC功能并促進其分化、延緩OC凋亡的關鍵因素[28]。曹燕明等[29]研究發現，通過對比骨質疏松性骨折(OPF)組患者與對照組患者骨折斷面內骨組織總RNA，采用RT-PCR技術檢測并比較兩組間各蛋白因子mRNA表達差異，發現OPF組患者RANKL因子表達明顯升高(P<0.05)，表明OPF與RANKL因子破骨作用增強有關。

2 BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL信號通路在骨質疏松中的杠桿作用

2.1BMP/Smads信號通路影響骨形成的機制

BMPs在骨髓間充質干細胞(BMSCs)的分化及增殖為OB的過程中起到中樞性作用，主要通過BMP2和Smads信號通路來引發細胞應答[30]。在BMP2信號轉導過程中，OB中的BMP2/Smads信號通路可通過上調轉錄因子核心結合蛋白(Cbfα1/Runx2)和OB特異性轉錄因子(Osterix)的表達，進一步影響OB的分化[31-32]。大體機制為BMP2與細胞膜上的受體結合，激活細胞內的Smads蛋白并使其磷酸化，然后由胞質進入胞核，作用于下游靶基因，激活特定轉錄，影響OB的分化，防止OP的發生[33]。此過程中，Smads蛋白作為關鍵輔助調節因子，需與Cbfα1/Runx2和Osterix相互作用，影響成骨相關基因的轉錄，使骨前體細胞進一步分化并啟動OB特異因子的表達，從而促進骨形成[9]。在Smads信號通路中，具有絲氨酸/蘇氨酸酶激活性的I、II型受體和細胞中所含有的Smads蛋白將信號從細胞表面傳入細胞核內，BMP首先與II型受體結合使其磷酸化，之后II型受體磷酸化I型受體的GS 區，結合后形成活化復合物，將諸多下游受體調節Smads(R-Smads)激活。磷酸化的R-Smads與受體分離，在核內與其他相關聯的轉錄因子結合，調節下游基因轉錄來上調Runx2和Osterix的表達，進一步影響OB的分化，促進骨形成來減少OP的發生[8]。羅艷等[34]選取了60例OP導致的股骨大轉子骨折患者，隨機分為對照組和觀察組，每組各30例，對照組予常規手術內固定治療，觀察組在此基礎上給予鮭魚降鈣素鼻噴劑治療，評定兩組患者骨折愈合情況后，發現觀察組骨折愈合情況明顯優于對照組。術后15 d和30 d分別采取清晨空腹靜脈血，常規分離血清后采用酶聯免疫吸附法(Elisa法) 測定兩組患者血清內BMP2水平，發現觀察組指標明顯優于對照組。這表明BMP2在OP所致的骨折愈合過程中起到了重要的促進作用。此外劉小鈺等[35]報道，補骨脂素能上調BMP2基因的表達，并且能提高Smad-1，Smad-5以及Smad-8的磷酸化水平，促進OB的分化與增殖，加快鈣鹽的沉積，發揮抗OP的作用。

2.2OPG/RANK/RANKL信號通路影響骨破壞的機制

RANKL通過與RANK結合，使破骨前體細胞接收信號分子，促進其向OC分化[24]。OPG可競爭性抑制并有效阻斷RANKL與破骨前體細胞上的RANK結合，延緩前體OC的活化，抑制骨吸收，達到維持骨代謝平衡的目的[36]。OPG/RANKL的比率是評價骨健康與調節骨吸收平衡的重要杠桿指標[16,37-38]。當OB釋放的RANKL與破骨前體細胞表面的RANK受體相結合后，TRAFs會與RANK胞質區快速結合，成功結合后可將下游信號通路激活，最終達到促進OC分化、成熟、生存的作用[26,37,39]。除RANKL的天然偽受體OPG外，G 蛋白偶聯受體48(GPR48)，是RANKL的一個重要受體，通過參與OC分化過程，與RANK競爭性結合RANKL，抑制OC生成過程中活化T細胞核因子的表達和活性，從而抑制RANK/RANKL信號軸OC分化和骨吸收[40]。有研究表明[39]，在OP小鼠模型中GPR48胞外域可治療RANKL誘導的骨量丟失，可能在一程度上為治療OP提供了一些新的思路和方法。李佳凌等[41-42]報道，諸多補腎中藥均能通過影響OPG/RANK /RANKL信號通路來達到抑制OC功能、防治OP的作用。如骨碎補可上調OPG/RANKL比值，來阻礙OC分化，從而減緩OP的發生；淫羊藿苷能明顯上調OB中OPG蛋白表達指標，且能提高OPG/RANKL的比值來影響骨吸收。

3 總結與展望

通過近些年的實驗研究，對在OP這個復雜的生物學過程的發生與發展中所涉及到的分子信號通路的認識已經取得一定成果，從本文所搜集到的文獻資料來看，目前普遍認為BMP/Smads信號通路通過調控OB的活化來影響骨形成過程；而OPG/RANK/RAKNL信號通路則通過調節OC的活化和成熟來促進骨吸收，參與骨的重建過程。

當然我們也應清楚地認識到目前所面臨的困境，在OP發生過程中所涉及到的信號通路數量非常龐雜，機制也復雜異常，并且各信號通路在OP發生過程中的作用也不是單一的。如目前雖然己經明確BMP信號通路在OB的生成和活化過程中具有重要作用，但是也有報道[8]指出，其也間接地在OC的生成中發揮重要作用，如BMP2在OC分化作用前期時抑制其形成，而在RANKL作用之后又促進OC的形成。另外骨代謝過程中信號通路間還存在一定的交織與協調，如柴爽等[15]研究發現BMP/Smads信號通路可以通過上調 OPG 的表達來抑制OC的分化。但目前想通過綜合調控各條信號通路來防治OP尚缺乏有效臨床報道[43]，這可能也是以后需要進一步的研究來解決的熱點問題。

雖然現在我們面臨諸多困局，但祖國醫學的迅猛發展為我們提供了新的突破口。近年來，有很多中醫藥通過激活相關信號通路提高OB的功能活性來促進骨形成，從而防治OP的文獻報道[9]。如柴爽等[15]通過實驗研究發現，將由補骨脂、淫羊藿、肉蓯蓉等10 味中藥組成的方劑作用于去卵巢大鼠絕經后OP模型，發現此方劑可以通過調控BMP2 / Smads通路的信號轉導來上調 Runx2 基因的表達，從而促進OB的分化，可以使去卵巢大鼠絕經后OP模型的骨密度得以提高，生物力學性能得以改善。有文獻[44]指出，補腎中藥主要通過 BMP/Smads、Wnt /β-catenin等信號通路促進OB的成骨作用，通過OPG/RANK/RANKL、雌激素等信號通路抑制OC的破骨作用，達到預防OP的目的。其中淫羊藿、補骨脂通過上調 BMP/Smads信號通路中BMP2、Smad1、5、8以及Wnt信號通路中的β-catenin等關鍵蛋白與基因的表達，促進OB的形成，對OP的預防可能有一定的指導意義。這充分說明中醫藥在防治OP的應用方面有著較為廣闊的前景，研究價值巨大。但同時我們也要清楚地認識到，現階段對中醫藥防治OP的研究，主要集中在分子生物細胞學水平，實驗動物模型研究領域比較單一，缺乏大樣本、多層次和多中心的臨床及基礎實驗研究，且具體機制還有待深入研究，特別是中醫藥發展領域[45]。這啟示我們今后要多開展與中醫藥相關的臨床及基礎實驗研究，將傳統中醫藥與分子生物細胞學充分結合，深入揭示中醫藥防治OP的具體機理，提高中醫藥在防治OP過程中的安全性和有效性，以期為進一步深層次了解和利用祖國中藥材積極防治OP提供可靠的依據，指明正確的方向。