Hedgehog-Gli信號通路在骨質(zhì)疏松發(fā)生中作用的研究進(jìn)展

王雨荷 劉紅 李艷 史婧儒 付小衛(wèi) 王少君 潘靜華 劉梅潔*

1.中國中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗中心，北京 100700 2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以低骨量和骨組織微結(jié)構(gòu)破壞為特征，導(dǎo)致骨質(zhì)脆性增加和易于骨折的全身性骨代謝疾病[1]。目前，全世界OP患者超過2億人，其中老年男性O(shè)P發(fā)病率約為60.72 %，因為絕經(jīng)后激素水平的變化，老年女性O(shè)P發(fā)病率則高達(dá)90.87 %[2]。同時，因OP而發(fā)生身體各處骨折的人數(shù)也越來越多，并且OP還會給患者帶來許多心理上的危害，比如無休止的疼痛，使患者生存質(zhì)量下降等，所以O(shè)P的預(yù)防和治療刻不容緩，因此探明OP發(fā)生機(jī)制也一直是國內(nèi)外醫(yī)學(xué)的研究熱點。已有研究表明，Hedgehog-Gli信號通路可以促進(jìn)成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)的分化，也可以提高破骨細(xì)胞(osteoclast，OC亦稱bone-resorbing cells)的活性，從而在骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，因此，Hedgehog-Gli信號通路在骨質(zhì)疏松癥發(fā)生中的作用機(jī)制值得我們深入探討。

1 Hedgehog-GLi信號通路

Hh蛋白最早是由Christiane Nüsslein-Volhard和Eric F Wieschaus在研究果蠅時作為一個“體節(jié)極性”基因發(fā)現(xiàn)的，該基因突變會導(dǎo)致果蠅胚胎呈多刺小球狀，如同刺猬一般，故名“Hedgehog”[3]。Hedgehog信號通路由Hedgehog信號蛋白、Ptched (Ptc)、Smoothened (Smo)特異性受體、Gli蛋白和下游靶基因組成。已有研究發(fā)現(xiàn)，在沒有Hedgehog蛋白的信號通路里，Ptc與Smo結(jié)合并抑制其活性，下游靶基因的轉(zhuǎn)錄受抑制；而當(dāng)通路中存在Hedgehog蛋白時，Hh蛋白與Ptc結(jié)合，此時Smo的抑制作用解除，Smo促進(jìn)Gli與蛋白激酶A(PKA)形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核激活下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。Gli蛋白家族成員在脊椎動物中主要有Gli1、Gli2和Gli3三種，其中Gli1和Gli2在蛋白水平作用相似，主要激活Hedgehog信號，而Gli3主要作為抑制因子阻礙這一信號傳導(dǎo)[4]。實驗證明，Hh信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在人體多個系統(tǒng)組織中都有參與，葉泉英等[5]在文章中提出，乳腺癌的發(fā)展和轉(zhuǎn)移與Hedgehog信號通路異常傳導(dǎo)有關(guān)；陳華林等[6]研究發(fā)現(xiàn)Hedgehog信號通路相關(guān)蛋白表達(dá)與老年非小細(xì)胞肺癌患者放化療敏感性有關(guān)，檢測Shh、Ptch、Gli1等蛋白表達(dá)有可能篩選出對放化療敏感的患者,從而使患者獲得更好的預(yù)后。近些年來，有研究[7-8]提出Hh信號通路可以調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化，從而與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系。

2 Hedgehog-Gli信號通路在骨質(zhì)疏松發(fā)生中的作用

成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是骨重建過程的兩種主要細(xì)胞，骨重建過程中，破骨細(xì)胞貼附在舊骨上，分泌酸性物質(zhì)溶解舊骨，分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，形成舊骨陷窩，而后成骨細(xì)胞移行至陷窩處，分泌骨基質(zhì)，骨基質(zhì)礦化形成新骨。因此調(diào)節(jié)OB與OC的生成、活性以及兩者之間相互作用，能協(xié)調(diào)骨形成與骨吸收的動態(tài)平衡。所以O(shè)B和OC是維持骨穩(wěn)態(tài)最重要的細(xì)胞[9]。

2.1 Hedgehog-Gli信號通路對成骨作用的調(diào)控

2.1.1Hedgehog-Gli信號通路對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的調(diào)控：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，具有多種分化潛能[10]，成骨細(xì)胞就是由BMSCs分化產(chǎn)生。已有研究發(fā)現(xiàn)，Hedgehog-Gli信號通路在BMSCs向成骨細(xì)胞分化這一過程中有顯著調(diào)控作用。Hedgehog-Gli信號通路主要有三種同源蛋白，即Sonic hedgehog(Shh)、Indian hedgehog(Ihh)和Desert hedgehog(Dhh)[11]，其中Shh和Ihh在成骨細(xì)胞生成分化中具有重要作用[12]。很多科學(xué)家做了這方面的研究，Ma等[13]采用了RT-PCR和Western blot等技術(shù)檢測分析了用地塞米松誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞分化過程中Hedgehog 信號分子 Shh的基因和蛋白表達(dá)活性，結(jié)果顯示在地塞米松誘導(dǎo)下，BMSCs向成骨細(xì)胞分化過程中Hedgehog 信號分子 Shh表達(dá)顯著增強(qiáng)；Warzecha等[14]提出Shh參與了BMSCs早期向軟骨分化的誘導(dǎo)過程，他們用重組Sonic-Hedgehog蛋白(r-Shh)和轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)體外處理BMSCs 3周，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用Shh或TGF-β1處理BMSCs時，顯示有軟骨標(biāo)志物軟骨蛋白聚糖、Sox9、CEP-68、II型和X型膠原等的表達(dá)，提示Shh在BMSCs體外誘導(dǎo)軟骨生成中起重要作用；Beloti等[15]也通過研究發(fā)現(xiàn)，purmorphamine(嘌嗎啡胺)作為一種Hedgehog信號通路激動劑，能夠上調(diào)BMSCs向成骨細(xì)胞分化過程中標(biāo)志物的表達(dá)，增強(qiáng)ALP的活性。通過以上研究，可以證明Hedgehog-Gli信號通路在BMSCs成骨過程中有正向調(diào)控作用。

2.1.2Hedgehog-GLi信號通路對成骨細(xì)胞的增殖、分化和活性的調(diào)控：骨組織的發(fā)生主要依賴成骨細(xì)胞的增殖分化，成骨細(xì)胞是骨組織形成中最活躍的細(xì)胞，具有合成和分泌骨膠纖維和基質(zhì)的功能。Hedgehog-Gli信號通路可以通過調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖分化進(jìn)而調(diào)控骨組織的形成。楊楠等[16]在文章中提及在骨重建過程中，Hedgehog信號通路在成骨細(xì)胞中其關(guān)鍵作用，Ihh的表達(dá)水平明顯增加。在Cai等[17]研究了通過重組Shh-N末端(rShh-N)對體外培養(yǎng)的大鼠的成骨分化的影響，實時PCR顯示200ng/ml rShh-N可上調(diào)骨鈣素、ALP和Ⅰ型膠原基因的表達(dá)，這表明rShh-N對調(diào)控成骨細(xì)胞分化具有一定潛力。Gao等[18]用Exendin-4處理成骨細(xì)胞，結(jié)果顯示Exendin-4可以通過Hedgehog-Gli信號通路顯著的促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，也證明了在成骨細(xì)胞分化過程中Hedgehog-Gli信號通路發(fā)揮著重要作用。但是Hedgehog-Gli信號通路對成骨細(xì)胞的調(diào)控并不一直是正向的：在成骨細(xì)胞剛開始生長分化時，Hedgehog-Gli信號通路能促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，但這一過程并不是持續(xù)不變的。當(dāng)成骨細(xì)胞分化到一定程度，Hedgehog-Gli信號通路的表達(dá)也會隨之下降[19]。

綜上，Hedgehog-Gli信號通路可以通過雙向調(diào)控成骨細(xì)胞的分化能力來維持骨穩(wěn)態(tài)。

2.2 Hedgehog-Gli信號通路在破骨細(xì)胞發(fā)揮功能中的作用

破骨細(xì)胞是一種具有骨吸收功能的多核巨細(xì)胞，在骨代謝方面具有關(guān)鍵的作用[20]。破骨細(xì)胞的功能失常與骨質(zhì)疏松關(guān)系密切，當(dāng)破骨細(xì)胞數(shù)量增多和(或)功能增強(qiáng)時，骨吸收活動超過骨生成，骨代謝紊亂，骨質(zhì)疏松的風(fēng)險增加[21]。Lv等[22]研究發(fā)現(xiàn)，Hedgehog-Gli轉(zhuǎn)導(dǎo)可上調(diào)成骨細(xì)胞中甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白(PTHrP)的表達(dá)，進(jìn)而激活其下游靶核因子活化T細(xì)胞(NFAT)和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)，使CREB和NFAT協(xié)同增加RANKL的表達(dá)和破骨細(xì)胞的形成。張洪洋[23]通過敲除破骨細(xì)胞SMO基因來抑制Hedgehog-Gli信號通路活性，發(fā)現(xiàn)被敲除SMO基因的破骨細(xì)胞的分化能力和融合能力都明顯下降。厲曉杰等[24]利用絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型的小鼠對比假手術(shù)小鼠細(xì)胞Hedgehog信號通路活性，發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型小鼠的Hedgehog 信號活性水平較高，同時又通過TRAP和F-actin染色觀察破骨細(xì)胞數(shù)目，發(fā)現(xiàn)模型組破骨細(xì)胞數(shù)量較多，推測可能是因為雌激素對Hedgehog信號通路有抑制作用，當(dāng)缺乏雌激素時，Hedgehog-Gli信號通路活性增強(qiáng)，此時破骨細(xì)胞數(shù)量也增多，這也說明Hedgehog-Gli信號通路能促進(jìn)破骨細(xì)胞的生長分化。Li等[25]研究發(fā)現(xiàn)在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的破骨細(xì)胞中Hedgehog-Gli信號通路被上調(diào)，17β-雌二醇也通過下調(diào)Hedgehog-Gli信號通路抑制破骨細(xì)胞的發(fā)生和誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，由此也可以說明Hedgehog-Gli信號通路可以抑制破骨細(xì)胞的生長分化及其功能。Matsumoto等[26]通過對比年輕小鼠(5周齡)和老年小鼠(60周齡)在骨折愈合過程中Hedgehog-Gli信號通路的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)在老年小鼠中，Hedgehog-Gli信號通路可以直接刺激破骨細(xì)胞的形成，而在年輕小鼠中，Hedgehog-Gli信號通路則可通過骨保護(hù)素的表達(dá)間接抑制破骨細(xì)胞的形成。

2.3 Hedgehog-Gli信號通路與成脂分化的關(guān)系

除了成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能失衡以外，成脂分化與骨質(zhì)疏松(尤其是糖尿病性骨質(zhì)疏松)的發(fā)生發(fā)展過程也密切相關(guān)[27]。BMSCs是脂肪細(xì)胞的前體細(xì)胞，具有成脂分化的能力[28]。在骨質(zhì)疏松癥的藥物治療過程中，促進(jìn)BMSCs向成骨分化，抑制其向成脂分化是一個新的治療思路[29]。李佩儀[30]通過研究提出抑制Hedgehog信號通路可以促進(jìn)成脂分化，激活Hedgehog信號通路可以抑制成脂分化。周鑫等[31]提出氧化應(yīng)激可以通過抑制Hedgehog通路的方式來抑制BMSCs向成骨分化而促進(jìn)其向成脂分化。占秀文等[32]也同樣提出激活的Hedgehog信號可以抑制成脂基因表達(dá)的觀點。綜上我們可以得出，骨質(zhì)疏松與BMSCs向成脂分化關(guān)系密切，而Hedgehog信號通路可以調(diào)控BMSCs成骨成脂分化之間的平衡。

3 結(jié)論與展望

在正常情況下，Hedgehog-Gli信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞不斷生長分化成熟，使骨量不斷增多[33]。隨著成骨細(xì)胞的成熟，Hedgehog-Gli信號通路的活性會逐漸降低，同時可以上調(diào)細(xì)胞內(nèi)甲狀旁腺素相關(guān)蛋白的表達(dá)量，促使相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)破骨細(xì)胞內(nèi)RANKL的表達(dá)，使破骨前體細(xì)胞分化成破骨細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)骨吸收過程。綜上所述，Hedgehog-Gli信號通路一方面可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長分化，從而促進(jìn)骨組織的生長，新骨的形成。同時Hedgehog-Gli信號通路在破骨細(xì)胞內(nèi)又可以增強(qiáng)破骨細(xì)胞活性，使骨質(zhì)被吸收，進(jìn)而保證成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間維持穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。正因為Hedgehog-Gli信號通路能同時調(diào)控骨形成和骨吸收，所以它在骨發(fā)育、骨吸收、骨重建過程中發(fā)揮了重要作用。骨組織的正常生長發(fā)育維持離不開Hedgehog-Gli信號通路的正常調(diào)控作用。

骨完整性是通過骨形成和骨吸收兩者之間的平衡完成的[34]，骨質(zhì)疏松主要是由于骨形成和骨吸收的失衡[35]，因此我們可以以Hedgehog-Gli信號為切入點，通過調(diào)控該信號通路的活性，來達(dá)到對骨質(zhì)疏松的預(yù)防與治療。然而，Hedgehog-Gli的作用靶點我們尚未完全清楚，仍然需要我們繼續(xù)探究，進(jìn)一步挖掘Hedgehog-Gli信號通路在防治骨質(zhì)疏松等骨代謝疾病中的潛力。