骨骼源性因子調(diào)控認(rèn)知功能的機(jī)制研究

宗博藝 李琳 李世昌 孫朋

1.華東師范大學(xué)“青少年健康評價與運(yùn)動干預(yù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241

2.華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海 200241

隨著人口老齡化進(jìn)程加快，與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病和運(yùn)動系統(tǒng)疾病的發(fā)病率與日俱增。阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease，AD)是導(dǎo)致老年人認(rèn)知衰退的常見疾病之一。1990-2016年，全球AD患者已從2 020萬增至4 380萬人[1]。我國AD患者的數(shù)量約占全球患者總數(shù)的1/4，是患病人數(shù)最多的國家。值得注意的是，老年人認(rèn)知衰退與全身骨量下降呈現(xiàn)一定的同步性。老年骨質(zhì)疏松(osteoporosis，OP)患者患輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment，MCI)和AD的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[2-4]。近年來，國內(nèi)外研究證實(shí)AD和OP之間存在共病機(jī)制，并提出了骨-腦間的“crosstalk”理論[5-6]。

研究表明，骨骼系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)尤其是大腦之間存在諸多生物學(xué)聯(lián)系。一方面，源于神經(jīng)系統(tǒng)的激素、神經(jīng)肽類物質(zhì)和神經(jīng)遞質(zhì)等能夠進(jìn)入骨骼系統(tǒng)，調(diào)控骨骼重塑[7]；另一方面，源于骨骼系統(tǒng)的生物活性因子，即骨骼源性因子，能夠進(jìn)入大腦，調(diào)節(jié)大腦功能[8-11]。本文旨在探討骨骼源性因子調(diào)控認(rèn)知功能的潛在作用與機(jī)制，為探究延緩老年人認(rèn)知衰退的干預(yù)策略提供依據(jù)。

1 骨骼源性因子的功能概述

骨骼不僅是支撐軀體的惰性器官，也是重要的內(nèi)分泌器官。骨骼系統(tǒng)中的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞等可分泌生物活性因子，如骨鈣素(osteocalcin，OCN)、成纖維細(xì)胞生長因子23(fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF-23)、dickkopf相關(guān)蛋白1(dickkopf-related protein 1，DKK-1)、骨硬化蛋白(sclerostin，SOST)和脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2(lipocalin 2，LCN-2)等，調(diào)節(jié)骨骼肌、胰腺和脂肪等組織和器官的生理功能(圖1)[12-15]。

圖1 骨骼源性因子在不同組織器官中的功能[12-15]

2 骨骼源性因子調(diào)控認(rèn)知功能的生物學(xué)機(jī)制

骨骼源性O(shè)CN、FGF-23、DKK-1、SOST和LCN-2可能穿過血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)并進(jìn)入大腦，通過激活其受體，以活化或抑制相關(guān)信號通路，進(jìn)而調(diào)控認(rèn)知功能。

2.1 骨鈣素

OCN是主要由成骨細(xì)胞分泌的小分子非膠原酸性糖蛋白。既往研究報(bào)道，羧化不全的OCN(undercarboxylated OCN，ucOCN)可與胰腺和脂肪中G蛋白偶聯(lián)受體家族C6組成員A(G protein coupled receptor family C group 6 member A，GPRC6A)結(jié)合，調(diào)節(jié)糖脂代謝[14]。近年研究發(fā)現(xiàn)，介導(dǎo)OCN合成的Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)基因缺失的小鼠循環(huán)ucOCN水平降低，同時伴有焦慮樣行為和認(rèn)知缺陷[16]，提示骨骼代謝產(chǎn)生的ucOCN可能影響腦功能。基于健康人的橫斷面研究顯示，老年人血清OCN水平的下降與其腦部微結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能的變化有關(guān)[17-18]。在疾病人群中，血清ucOCN水平與Ⅱ型糖尿病患者認(rèn)知障礙有關(guān)[19-20]。此外，AD患者血清OCN水平較對照組也顯著降低[21]。由此可見，OCN與個體認(rèn)知功能之間存在緊密關(guān)聯(lián)。

GPR158是OCN在中樞內(nèi)的主要受體[22]。通過激活其受體，OCN調(diào)控認(rèn)知功能的途徑包括：①增強(qiáng)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)合成代謝。與對照組相比，OCN基因缺失的小鼠腦內(nèi)5-羥色胺、多巴胺和去甲腎上腺素的水平降低20%～50%，空間學(xué)習(xí)和記憶能力顯著下降[23]。這表明OCN可能通過調(diào)節(jié)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)含量，影響認(rèn)知功能。②上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)表達(dá)。OCN能夠通過結(jié)合海馬CA3區(qū)神經(jīng)元中GPR158/Gαq/11復(fù)合物，上調(diào)三磷酸肌醇和BDNF表達(dá)，并將含有BDNF的小泡運(yùn)輸至突觸，調(diào)節(jié)海馬依賴性記憶[22,24]。此外，OCN激活GPR158后可上調(diào)小鼠齒狀回中組蛋白結(jié)合蛋白RbAp48(或Rbbp4)表達(dá)，逆轉(zhuǎn)記憶缺陷；同時，RbAp48又可反向調(diào)節(jié)GPR158和BDNF的表達(dá)[25]。③促進(jìn)神經(jīng)元增殖、分化與存活。體外實(shí)驗(yàn)中，對PC12細(xì)胞進(jìn)行ucOCN干預(yù)可促進(jìn)細(xì)胞增殖，促使神經(jīng)生長因子誘發(fā)神經(jīng)突起生長，緩解H2O2導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[26]。④調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬活性。海馬神經(jīng)元自噬與樹突棘形成、神經(jīng)元易化和長時程增強(qiáng)(long-term potentiaton，LTP)有關(guān)。OCN可作為誘導(dǎo)劑，上調(diào)自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ和SQSTM1/p62表達(dá)，提高海馬神經(jīng)元自噬活性，逆轉(zhuǎn)增齡性記憶缺陷[27]。伴隨著衰老進(jìn)程，嚙齒動物循環(huán)OCN的水平可降低約70%[28]，而ucOCN干預(yù)可通過激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB即Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，下調(diào)AD小鼠海馬中淀粉樣前體蛋白表達(dá)，減少海馬和皮質(zhì)中β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)沉積[29]。除上述作用，OCN還可能通過調(diào)控糖脂代謝與脂肪因子合成等途徑，間接影響認(rèn)知功能[30]。但關(guān)于OCN介導(dǎo)的“骨-脂-腦”環(huán)路的具體作用機(jī)制亟待探究。

2.2 成纖維細(xì)胞生長因子23

FGF-23是主要由成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分泌的糖蛋白，可結(jié)合α-Klotho/FGF受體(FGF receptor，F(xiàn)GFR)復(fù)合物，調(diào)節(jié)1α-羥化酶和24-羥化酶等的活性，調(diào)控磷酸鹽穩(wěn)態(tài)和維生素D生理水平[31]。除參與“骨-腎”軸，F(xiàn)GF-23也可介導(dǎo)腦內(nèi)多條信號通路，并且與病理狀態(tài)下(如血管鈣化)的認(rèn)知障礙有關(guān)[10,32]。事實(shí)上，早在1997年，便有研究提出，α-Klotho或FGF-23基因缺失的小鼠會出現(xiàn)早發(fā)性認(rèn)知缺陷[33]。近期研究表明，α-Klotho無法單獨(dú)地作為衰老抑制劑(即長壽因子)。α-Klotho的脫落細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域，F(xiàn)GFR1c配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域和FGF-23組成1∶1∶1三元復(fù)合物的原子結(jié)構(gòu)。在這種復(fù)合物中，α-Klotho通過其D3結(jié)構(gòu)域結(jié)合FGFR1c，并同時通過其C末端尾部結(jié)合FGF-23，維持FGF-23-FGFR1c穩(wěn)定[34]。因此，α-Klotho的抗衰老作用可能是通過“協(xié)助”FGF-23實(shí)現(xiàn)的。

人體研究發(fā)現(xiàn)，血清α-Klotho水平與認(rèn)知障礙的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)呈顯著負(fù)相關(guān)[35]。而動物研究表明，α-Klotho基因缺失或者過表達(dá)均可降低海馬突觸可塑性，抑制神經(jīng)發(fā)生，造成認(rèn)知缺陷。同樣，F(xiàn)GF-23基因缺失的小鼠也表現(xiàn)出劑量和海馬依賴性認(rèn)知缺陷，這與大腦微環(huán)境毒性增加和離子代謝紊亂有關(guān)[36]。另有研究報(bào)道，F(xiàn)GF-23過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶能力較對照組顯著降低，且伴隨海馬CA1區(qū)LTP異常，三磷酸腺苷含量以及基底前腦膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶陽性神經(jīng)元減少[37]。由此可見，F(xiàn)GF-23和/或α-Klotho的水平過高或過低均可能損害認(rèn)知功能。在離體實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)GF-23通過激活FGFR，可活化磷脂酶Cγ，改善原代海馬神經(jīng)元的形態(tài)并增加突觸密度，且在與α-Klotho共孵育時活化Akt信號，進(jìn)一步增加突觸數(shù)量[38]。此外，循環(huán)FGF-23/α-Klotho的水平與AD相關(guān)的細(xì)胞炎癥有關(guān)[39]，但其內(nèi)在機(jī)制并不清楚，有待進(jìn)一步揭示。

2.3 Dickkopf相關(guān)蛋白1與骨硬化蛋白

在骨骼系統(tǒng)中，DKK-1主要由成骨細(xì)胞分泌，而SOST主要由骨細(xì)胞分泌。研究認(rèn)為，外周DKK-1可能與內(nèi)皮細(xì)胞中低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6(low density lipoprotein receptor-related protein 5/6，LRP5/6)結(jié)合，被動穿過BBB而進(jìn)入大腦，也可能經(jīng)下丘腦和脈絡(luò)叢進(jìn)入大腦[40-41]。人體研究發(fā)現(xiàn)，老年人血漿DKK-1的水平與其工作記憶呈負(fù)相關(guān)，且與18個月隨訪期間認(rèn)知功能的年變化率有關(guān)[42]；對于MCI和輕中度AD患者，血清DKK-1水平在一年內(nèi)增加的幅度能夠預(yù)測整體認(rèn)知功能的下降[43]。此外，動物實(shí)驗(yàn)表明，芳香化酶抑制劑對空間學(xué)習(xí)和記憶能力的損害與其海馬中DKK-1和SOST的水平升高有關(guān)[11]。因此，DKK-1和SOST可能是調(diào)控認(rèn)知功能的重要介質(zhì)。

DKK-1和SOST是無翅型MMTV整合位點(diǎn)家族蛋白(wingless type MMTV integration site family，Wnt)/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)通路的內(nèi)源性抑制劑[44]。在該信號通路中，Wnt蛋白與卷曲蛋白受體家族的細(xì)胞外富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域以及LRP5/6結(jié)合，抑制糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)活性并維持胞質(zhì)中β-catenin穩(wěn)定。β-catenin入核后與T細(xì)胞因子/淋巴樣增強(qiáng)因子相互作用，誘導(dǎo)特定靶基因表達(dá)[45]。在腦內(nèi)，Wnt/β-catenin通路能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)生、突觸形成、軸突重塑和樹突生長[46-47]。然而，衰老導(dǎo)致DKK-1和SOST水平升高，抑制Wnt/β-catenin通路。過量DKK-1可與GSK-3β共定位，誘導(dǎo)Aβ生成和tau蛋白過度磷酸化，促進(jìn)AD病理發(fā)展[48]；也能夠下調(diào)嚙齒動物海馬中β-catenin、細(xì)胞周期蛋白D1、c-myc和突觸后致密蛋白95表達(dá)，導(dǎo)致認(rèn)知缺陷[49]。遺憾的是，骨骼源性DKK-1在中樞內(nèi)的直接作用仍不明晰。此外，盡管SOST也可抑制Wnt/β-catenin通路，但針對骨骼源性SOST調(diào)控認(rèn)知功能的機(jī)制研究仍然匱乏，這些可成為未來研究的著力點(diǎn)。

2.4 脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2

LCN-2是主要由成骨細(xì)胞分泌的糖蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，LCN-2表達(dá)載體轉(zhuǎn)染的原代成骨細(xì)胞中Runx2、Osterix和堿性磷酸酶等表達(dá)量顯著減少，核因子κB受體激活劑配體/骨保護(hù)素的比值以及白細(xì)胞介素6的mRNA表達(dá)水平升高[50]，表明LCN-2可參與調(diào)節(jié)骨骼代謝。作為內(nèi)分泌因子，源于成骨細(xì)胞的LCN-2能穿過BBB，結(jié)合下丘腦中黑皮質(zhì)素受體4，激活厭食途徑[9]。腦內(nèi)的神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞均存在LCN-2受體。LCN-2不僅降低突觸可塑性，誘發(fā)神經(jīng)炎癥，還具有一定神經(jīng)毒性。大腦長期暴露于LCN-2的小鼠空間學(xué)習(xí)和記憶能力顯著下降[51-52]。由此可見，LCN-2也能夠影響認(rèn)知功能。

基于人體研究的系統(tǒng)評價和薈萃分析結(jié)果顯示，與對照組相比，MCI和AD患者循環(huán)LCN-2的水平顯著升高[53]，且腦脊液中的LCN-2可能是血管性癡呆和其他神經(jīng)退行性癡呆的生物標(biāo)志物[54]。動物研究發(fā)現(xiàn)，骨骼源性的LCN-2能夠通過上調(diào)海馬中二氫嘧啶酶相關(guān)蛋白2的蛋白表達(dá)，促進(jìn)AD病理發(fā)展。而激活miRNA-96-5p/叉頭框因子O1信號通路可減少骨骼源性LCN-2含量以發(fā)揮抗AD效應(yīng)[55]。由于病理狀態(tài)下的多種組織器官可表達(dá)LCN-2，通過特異性敲除LCN-2基因等技術(shù)手段探究骨骼源性LCN-2調(diào)控認(rèn)知功能的作用及機(jī)制存在必要性。

3 小結(jié)與展望

在腦內(nèi)，OCN能夠促進(jìn)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)合成代謝，上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子表達(dá)，促使神經(jīng)元增殖、分化和存活，增強(qiáng)神經(jīng)元自噬活性；FGF-23可提高突觸可塑性，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，并調(diào)節(jié)離子代謝和微環(huán)境穩(wěn)態(tài)；DKK-1和SOST對腦功能的抑制可能與Wnt/β-catenin通路有關(guān)；LCN-2可誘發(fā)神經(jīng)毒性，增強(qiáng)神經(jīng)炎癥，并降低突觸可塑性。此外，部分骨骼源性因子還能調(diào)控AD病理發(fā)展，進(jìn)而影響個體認(rèn)知。

近年來，已有研究結(jié)合行為學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)、電生理學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)探索骨骼源性因子調(diào)控認(rèn)知功能的生物學(xué)機(jī)制。后續(xù)研究應(yīng)致力解決如下問題：(1)骨骼源性的FGF-23、DKK-1和SOST能否順利穿過BBB，以及以何種方式穿過BBB仍不知曉。DKK-1、SOST和LCN-2對認(rèn)知功能的直接影響也不明晰；(2)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生常誘發(fā)認(rèn)知衰退。除AD外，OCN也可調(diào)控帕金森癥的病理發(fā)展[56]，但其他骨骼源性因子在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用缺乏積極探索；(3)運(yùn)動是提高認(rèn)知功能的“良藥”，骨骼作為運(yùn)動系統(tǒng)的重要構(gòu)成，能感應(yīng)力學(xué)刺激和化學(xué)信號變化，增加或減少骨骼因子的分泌量。然而，運(yùn)動能否激活“骨-腦”軸尚不明確?，F(xiàn)如今，利用骨骼源性因子調(diào)控骨重塑的生物學(xué)基礎(chǔ)已研發(fā)出多種治療OP的藥物，例如Romosozumab即是靶向SOST的人源化IgG2單抗。未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究成果在臨床上的轉(zhuǎn)化，推動改善老年人認(rèn)知功能的新型干預(yù)措施(如運(yùn)動+藥物療法)的制定與實(shí)施。