Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路與骨代謝的研究進(jìn)展

嚴(yán)小鳳 馮正平

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科,重慶 400016

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種慢性骨代謝疾病,其特征在于骨密度降低、骨強(qiáng)度下降以及脆性骨折的風(fēng)險(xiǎn)增加,機(jī)制是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的骨代謝平衡被打破[1]。隨著老齡化社會(huì)的不斷加重,我國(guó)罹患骨質(zhì)疏松癥的人群急速增長(zhǎng),在我國(guó)50歲以上老人中,OP的患病率達(dá)19.2%[2]。OP常伴有脆性骨折,其導(dǎo)致的高致殘率、高死亡率嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量。OP具體發(fā)病機(jī)制目前尚未完全明確,信號(hào)素3A(semaphorin 3A,Sema 3A)/神經(jīng)纖毛蛋白1(neuropilin-1,NRP-1)是其中研究熱點(diǎn)。已有報(bào)道發(fā)現(xiàn),信號(hào)素不僅能抑制骨吸收,同時(shí)還促進(jìn)骨形成[3]。本文對(duì)Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路調(diào)節(jié)骨代謝的分子機(jī)制進(jìn)行綜述,以期對(duì)臨床防治OP提供理論依據(jù)。

1 Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路

信號(hào)素分子家族由20多種糖蛋白組成,這些糖蛋白能夠指導(dǎo)細(xì)胞遷移和神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)[4]。此外,它們還參與了多種生物學(xué)過(guò)程,例如軸突延伸、心臟功能、血管生成、腫瘤形成、免疫細(xì)胞的調(diào)節(jié)[5],以及骨穩(wěn)態(tài)[6]。其中,信號(hào)素家族成員中,Sema 3A是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)于脊椎動(dòng)物體內(nèi),在大腦和骨骼在內(nèi)的多種組織中均有表達(dá)[7]。Sema 3A的受體主要是神經(jīng)纖毛蛋白1,Sema 3A是Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路的啟動(dòng)蛋白。

神經(jīng)纖毛蛋白1為Ⅰ型跨膜糖蛋白,分子質(zhì)量為120～130 kD,其結(jié)構(gòu)分區(qū)特殊,由一個(gè)胞內(nèi)區(qū)、跨膜螺旋和胞外區(qū)組成[8]。不同分區(qū)能夠發(fā)揮不同的功能,主要是通過(guò)結(jié)合相應(yīng)的調(diào)節(jié)因子,在調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育、血管生成、免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用[9]。NRP-1作為Sema 3A的輔助受體在骨代謝中發(fā)揮作用,它主要由破骨細(xì)胞前體產(chǎn)生,以高親和力結(jié)合Sema 3A的細(xì)胞外配體,并可與其他跨膜分子(Plexins)結(jié)合形成全受體,該全受體執(zhí)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和下游的募集分子[10]。Sema 3A與NRP-1通過(guò)多種途徑同步促進(jìn)骨形成與抑制骨吸收而發(fā)揮有效的骨保護(hù)作用。

2 對(duì)成骨細(xì)胞的影響

Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖分化。筆者研究已發(fā)現(xiàn)[11],在2型糖尿病患者中,Sema 3A與骨密度和骨鈣素等諸多骨代謝指標(biāo)呈正相關(guān),而骨鈣素主要由成骨細(xì)胞分泌,這也證實(shí)了Sema 3A對(duì)成骨細(xì)胞起著正向調(diào)控作用,其分子機(jī)制如下。

2.1 促進(jìn)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的傳導(dǎo)

Wnt/β-catenin信號(hào)通路是一種重要的骨代謝途徑。在這條信號(hào)通路中,作為Wnt信號(hào)通路關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的β-連環(huán)蛋白在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中起重要作用,其在胞質(zhì)中積累繼而向胞核轉(zhuǎn)位,是該信號(hào)通路被激活的標(biāo)志[12]。β-連環(huán)蛋白的缺失使破骨細(xì)胞數(shù)量增加,成骨細(xì)胞的數(shù)量減少,影響骨的正常生理功能,導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。目前,大多數(shù)研究支持Sema 3A可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化。Hayashi等[13]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)Sema 3A處理過(guò)的Sema基因敲除小鼠β-連環(huán)蛋白的核轉(zhuǎn)位得到上調(diào),刺激成骨細(xì)胞分化,抑制脂肪形成,促進(jìn)了骨形成。劉復(fù)州等[14]發(fā)現(xiàn)前列腺癌患者多死于腫瘤骨轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為大量成骨細(xì)胞異常增加。癌組織中Sema 3A和NRP-1的表達(dá)較正常組織增多。他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí),在高轉(zhuǎn)移性的、具有明顯促成骨細(xì)胞增殖活性的前列腺癌細(xì)胞系中,Sema 3A高表達(dá),且其表達(dá)與該癌細(xì)胞系促成骨細(xì)胞增殖活性呈正相關(guān)。前列腺癌細(xì)胞通過(guò)增加Sema 3A的表達(dá)從而增加NRP-1的表達(dá),二者激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路從而介導(dǎo)了成骨細(xì)胞過(guò)度活化。這些都證實(shí)了Sema 3A與NRP-1通過(guò)刺激Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)骨代謝的正向調(diào)節(jié)作用。

2.2 通過(guò)神經(jīng)支配發(fā)揮骨保護(hù)作用

Sema 3A是一種重要的軸突引導(dǎo)分子,在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中起著關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用[15]。NRP-1也早被報(bào)道參與了神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控。

Sema 3A的表達(dá)與神經(jīng)支配的建立并行,因此,Sema 3A也有可能通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)從而調(diào)節(jié)骨重塑。NRP-1 同樣參與了調(diào)節(jié),從神經(jīng)元突觸的細(xì)化加工再到正確定位,NRP-1都起著重要作用[16]。Hayashi等[13]發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞源性Sema 3A基因缺失小鼠體內(nèi)Sema 3A在骨中的表達(dá)顯著降低,但其骨代謝指標(biāo)并沒(méi)有明顯改變。與之相比較,神經(jīng)元細(xì)胞源性Sema 3A缺失小鼠則表現(xiàn)出明顯的低骨量,這與全身Sema 3A基因敲除小鼠的檢測(cè)結(jié)果相似,這表明所觀察到的骨量異常可歸因于神經(jīng)元細(xì)胞源性Sema 3A的缺乏。既往研究[6]揭示了Sema 3A與其受體NRP-1之間的結(jié)合是骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵作用。另一方面,Yu等[17]通過(guò)研究證實(shí),Sema 3A通過(guò)與雪旺細(xì)胞相互作用,使得成骨分化增加,并隨Sema 3A濃度的增加而升高。NRP-1缺失后神經(jīng)系統(tǒng)雪旺細(xì)胞的遷移顯著受損。故在Sema 3A/NRP-1相關(guān)的成骨過(guò)程中,神經(jīng)細(xì)胞參與成骨分化,并且受Sema 3A與NRP-1的調(diào)控。Ma等[18]研究硅化膠原支架時(shí)發(fā)現(xiàn)硅誘導(dǎo)大鼠感覺神經(jīng)產(chǎn)生Sema 3A,刺激成骨和血管生成。但也有與之不同的研究結(jié)論,Nitzan等[19]通過(guò)研究大鼠與兔的視覺神經(jīng)發(fā)現(xiàn),抑制Sema 3A反而能夠促進(jìn)細(xì)胞遷移、軸突生長(zhǎng)和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞存活。

目前的基礎(chǔ)研究表明,Sema 3A和NRP-1可能通過(guò)調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)而影響骨代謝過(guò)程。

3 對(duì)破骨細(xì)胞的影響

3.1 Sema 3A抑制OPG/RANK/RANKL通路

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)由成骨細(xì)胞分泌,激活造血干細(xì)胞上的RANK受體并促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟,在破骨細(xì)胞功能中發(fā)揮了重要作用[20]。叢狀蛋白(Plexins)和信號(hào)素一樣最初是在神經(jīng)系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn),后來(lái)研究顯示它也與血管發(fā)生、心血管發(fā)育、上皮細(xì)胞侵襲性生長(zhǎng)、腫瘤發(fā)展有關(guān)。其中的叢狀蛋白A1(Plexin A1)是一種單次跨膜蛋白,是Sema 3A受體之一。RANKL通過(guò)下調(diào)NRP-1,使PlxnA1-NRP1復(fù)合物形成減少,釋放出其中的Plexin A1,繼而誘導(dǎo)其形成PlxnA1-TREM2-DAP12復(fù)合物。通過(guò)增加Sema 3A、NRP-1,使得穩(wěn)定的全受體Sema3A-NRP1-PlxnA1形成增多,游離的Plexin A1則減少,進(jìn)而抑制RANKL所誘導(dǎo)的PlxnA1-TREM2-DAP12復(fù)合物的形成[21],該復(fù)合物參與誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化,從而阻礙了RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞成熟,最終達(dá)到減少骨吸收的作用。

3.2 Sema 3A增強(qiáng)抗氧化應(yīng)激能力

在骨代謝過(guò)程中,過(guò)量ROS可直接誘導(dǎo)骨組織損傷,抑制骨髓中成骨細(xì)胞的分化,并在破骨形成過(guò)程中作為炎癥介質(zhì)激活相關(guān)通路,引起骨吸收[22]。研究表明,ROS的生成與衰老和雌激素缺乏密切相關(guān),這是由于氧化應(yīng)激防御能力的下降[23]。還有研究發(fā)現(xiàn)[24],β-Catenin在對(duì)抗氧化應(yīng)激的防御機(jī)制中也起著重要作用,這是由于它除了能起到介導(dǎo)TCF/Lefs轉(zhuǎn)錄的重要作用外,還是FoxOs的重要激活劑。被激活的FoxOs轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)參與自由基清除、DNA修復(fù)和細(xì)胞凋亡的基因來(lái)對(duì)抗氧化應(yīng)激。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Sema 3A能夠促進(jìn)β-連環(huán)蛋白的表達(dá)[13]。由此可以得出Sema 3A能夠間接增強(qiáng)骨細(xì)胞對(duì)抗氧化應(yīng)激的能力,從而對(duì)抗氧化應(yīng)激所致的骨吸收。

4 對(duì)骨細(xì)胞的影響

4.1 通過(guò)促進(jìn)DMP1的分泌影響骨細(xì)胞代謝

牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1(dentin matrix protein 1,DMP1)是一種非膠原蛋白,主要表達(dá)于骨和牙本質(zhì)中。目前研究發(fā)現(xiàn),DMP1經(jīng)蛋白水解酶作用分解成具有化學(xué)活性的C-terminal和N-terminal,在促進(jìn)礦化、調(diào)節(jié)骨細(xì)胞成熟方面起重要作用[25]。Dussold等[26]檢測(cè)發(fā)現(xiàn),慢性腎病患者由于礦物質(zhì)和骨代謝過(guò)程異常導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加,其血清DMP1水平較健康人群低,且與骨密度和礦物質(zhì)代謝呈正向相關(guān)。Hayashi等[6]敲除小鼠DMP1基因后發(fā)現(xiàn)其骨細(xì)胞數(shù)量比較普通小鼠顯著減少,而敲除Sema 3A基因的小鼠也得到了類似結(jié)果,同時(shí)檢測(cè)到DMP1低。但經(jīng)Sema 3A處理后,Sema 3A基因缺陷小鼠表達(dá)DMP1增多,骨細(xì)胞生存能力增強(qiáng),骨細(xì)胞凋亡減少。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn),源自Dmp1+細(xì)胞產(chǎn)生Sema3A主要作用于Dmp1+細(xì)胞,構(gòu)成自分泌調(diào)節(jié)回路,促進(jìn)DMP1的生成。以上表明Sema 3A通過(guò)促進(jìn)DMP1分泌從而調(diào)節(jié)骨代謝,促進(jìn)骨細(xì)胞壽命延長(zhǎng)。

4.2 激活sGC-PKG通路

Hayashi等[13]研究發(fā)現(xiàn)Sema 3A受體復(fù)合物可通過(guò)sGC(鳥苷酸環(huán)化酶)信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)骨細(xì)胞存活。使用sGC誘導(dǎo)能激活cGMP(環(huán)磷酸鳥苷)依賴蛋白激酶G (PKG),促進(jìn)雌激素介導(dǎo)的成骨細(xì)胞譜系細(xì)胞的存活。而通過(guò)Sema 3A處理小鼠能得到與sGC激活劑對(duì)骨細(xì)胞所產(chǎn)生的一致的正向調(diào)控作用,具體體現(xiàn)為骨細(xì)胞系IDG-SW3細(xì)胞中的cGMP水平均顯示升高。同時(shí),Sema 3A誘導(dǎo)骨細(xì)胞存活的作用能被PKG抑制劑所抑制[6]。說(shuō)明Sema 3A和sGC激活劑都能誘導(dǎo)PKG下游sGC信號(hào)通路的激活,從而保護(hù)骨細(xì)胞免于凋亡。

5 對(duì)免疫系統(tǒng)、細(xì)胞因子的影響

免疫系統(tǒng)和細(xì)胞因子影響著骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展。共刺激分子、淋巴細(xì)胞衍生的細(xì)胞因子,在調(diào)節(jié)骨細(xì)胞發(fā)育、骨病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起著重要作用[27]。在自身免疫性疾病如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中,T淋巴細(xì)胞活化后可導(dǎo)致骨量流失。女性絕經(jīng)后雌激素缺乏,可誘導(dǎo)多種因子表達(dá)增加,促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成和活化,導(dǎo)致骨吸收增加,骨量減少,形成骨質(zhì)疏松[28]。

目前研究指出信號(hào)素3A參與著免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié),從炎癥反應(yīng)的早期到消退階段都有參與,并調(diào)節(jié)著眾多細(xì)胞因子,因此它被認(rèn)為是一種“免疫信號(hào)”[29]。Sema 3A在大多數(shù)免疫細(xì)胞上都有表達(dá),如T、B細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等。Sema 3A及其受體NRP-1在分化巨噬細(xì)胞和活化T細(xì)胞的過(guò)程中表達(dá)增加,這表明它們?cè)谡{(diào)節(jié)免疫反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。還有研究報(bào)道[30],在樹突狀細(xì)胞和T細(xì)胞共培養(yǎng)中加入Sema 3A,能顯著抑制T細(xì)胞的增殖。與之對(duì)照的,如果將Sema 3A直接作用于T細(xì)胞,Sema 3A會(huì)阻礙抗CD3/CD28誘導(dǎo)的T細(xì)胞增殖。相反,當(dāng)內(nèi)源性Sema 3A被阻斷抗體所中和后,T細(xì)胞的增殖出現(xiàn)增加。因此,作為一種有效的免疫調(diào)節(jié)劑,Sema 3A可能通過(guò)調(diào)控免疫細(xì)胞活化,同時(shí)抑制炎癥反應(yīng),減少骨吸收,從而達(dá)到抑制骨破壞的目的。

6 對(duì)骨密度的影響

很多研究發(fā)現(xiàn),在終末期腎病[31]、慢性腎病[26]、2型糖尿病[12]、絕經(jīng)女性[32]等易出現(xiàn)骨質(zhì)疏松人群中,檢測(cè)到Sema 3A的水平與骨密度和骨形成指標(biāo)呈正相關(guān)。

綜上所述,Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路對(duì)骨代謝過(guò)程起著重要作用。它通過(guò)參與Wnt、RANK、sGC等多種途徑,實(shí)現(xiàn)了抑制骨吸收,促進(jìn)骨形成。由于骨代謝過(guò)程的多重調(diào)控機(jī)制,及信號(hào)通路之間的相互交聯(lián),使得OP的發(fā)病機(jī)制變得尤為復(fù)雜。Sema 3A/NRP-1信號(hào)通路對(duì)骨代謝的影響途徑仍有諸多值得深入探究之處。