骨硬化蛋白研究進展

1、骨硬化蛋白研究進展#包幸福，胡敏*（吉林大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科，長春 130021）5摘要：硬化蛋白由 sost 基因編碼，特異表達于骨細胞和牙骨質(zhì)細胞等鈣化組織包被的細胞中，可能通過 bmp、wnt 等通路發(fā)揮分解骨代謝的作用，分泌受機械壓力、pth 激素等局部和全身因素調(diào)節(jié)，相關(guān)抗體已成為治療骨質(zhì)疏松等骨代謝異常的有效靶點。關(guān)鍵詞：口腔正畸；硬化蛋白；sost；骨代謝；牙骨質(zhì)中圖分類號：r780.210research progress of sclerostinbao xingfu, hu min(department of orthodontics, school of stomatolo

2、gy, jilin university, changchun 130021)abstract: sclerostin which encoded by sost gene, is expressed by mineral tissue specific cells,1520253035such as osteocytes and cementocytes. its catabolic effect on bone is acted through bmp and wntsignal. mechanical loading and pth regulate sclerostin express

3、ion. sclerostin antibody has beenproved as an useful target for bone metabolic disease.keywords: orthodontics; sclerostin; sost; bone metabolism; cementum1 硬化蛋白的發(fā)現(xiàn)和定位sclerosteosis 和 van buchem 病是兩種獨立但有相似骨骼異常的疾病，是由骨內(nèi)膜成骨過度而導(dǎo)致漸進性骨硬化為特征。致病相關(guān)基因為位于常染色體 17q12-q21 的 sost 基因，前者源于 sost 基因的突變1，后者是由 sost 下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)

4、控元件缺失所致2。 在胚胎形成階段，sost mrna 表達于多種組織中，然而成熟的硬化蛋白僅見于幾種礦化組織包埋的細胞中，如骨細胞3和牙骨質(zhì)細胞4中，這與前述兩種骨病患者無其他系統(tǒng)癥狀相符。盡管如此，在人類尚未開始礦化的類骨質(zhì)中，并沒有硬化蛋白的陽性表達，直到類骨質(zhì)礦化開始5；類似的是在鼠初級生骨骨髓細胞培養(yǎng)中，sost mrna 的表達也是在礦化開始之后變成陽性的3。這些時間和空間表達證據(jù)暗示硬化蛋白或許與礦化活動存在聯(lián)系，結(jié)合兩種疾病的臨床表現(xiàn)，可以推測硬化蛋白對于骨量有負向調(diào)控作用?；?qū)W技術(shù)的發(fā)展為研究 sost/硬化蛋白作用提供了新的證據(jù)：過表達硬化蛋白的轉(zhuǎn)基因鼠表現(xiàn)出明顯的骨量下

5、降和鈣化沉積減少6；而對 sost 基因敲除鼠的成骨細胞活性增加，成骨速率更快，骨強度增強并能有效抵抗去負載造成的骨量減少 78；盡管同野生型相比， sost 敲 除鼠的鈣、磷和抗酒石酸同工酶 5（tartrate-resistant acid phosphatase isoform 5b，tracp-5b）都較為相似，但后者骨鈣素（osteocalcin）含量增加了 40%。這些都直接證明了硬化蛋白對于成骨活動的負向調(diào)節(jié)作用。2 硬化蛋白作用和機制雖然關(guān)于硬化蛋白的效應(yīng)已日漸清晰，但其作用的分子機制仍未完全明了。硬化蛋白能促進成骨細胞的凋亡而減少其存活時間9，此外在骨改建過程中能保持骨內(nèi)膜細

6、胞處于靜止功能狀態(tài)6。同時硬化蛋白也被證實能減少間充質(zhì)干細胞的增殖并增強其凋亡9。因為硬化蛋白的氨基酸結(jié)構(gòu)與糖蛋白的 dan 結(jié)構(gòu)域相似，且硬化蛋白能同骨形態(tài)發(fā)生基金項目：高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題(20110061110072)；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（20121110）作者簡介：包幸福，（1986-），男，博士，口腔正畸骨改建。通信聯(lián)系人：胡敏，（1968-），女，教授，正畸牙周組織改建。e-mail: humin-1-404550蛋白（bmp）受體產(chǎn)生競爭，抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白通路，并對該通路介導(dǎo)的礦化作用產(chǎn)生下調(diào)作用10，因而早期認(rèn)為其抑制成骨是經(jīng) bmp 通路得以實

7、現(xiàn)的，但是后來的研究部分否定了這一假設(shè)，認(rèn)為兩者間作用是微弱的，直到最近 krause 等證實硬化蛋白與骨細胞中的bmp7 更為特異，或許提示硬化蛋白對自身的反饋是通過 bmp 通路進行的11。經(jīng)典的 wnt 通路對于成骨細胞的分化、增殖和存活有至關(guān)重要的意義。wnt 配體與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白 5 和 6（low density lipoprotein receptor related proteins 5/6）結(jié)合，促進細胞內(nèi)蛋白 disheveled (dvl)的活化，活化的 dvl 抑制糖元合成激酶（glycogen synthasekinase 3，gsk-3），繼而抑制-連環(huán)蛋

8、白（-catenin）的降解。隨著-連環(huán)蛋白的聚集和濃度升高，其進入細胞核中與 t-cell facto r/lymphoid enhancer factor (tcf/lef)結(jié)合，激活下游目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。wnt 通路的活化對于間充質(zhì)細胞向骨骼系細胞和脂肪細胞分化、以及成骨細胞和軟骨細胞的分化是不可或缺的 12-14。連環(huán)蛋白能增加骨保護素（osteoprotegerin，opg）表達繼而提高 opg 與 rankl（receptor activator of nuclear factor-b ligand）的比值，達到相對減少破骨活動的作用。硬化蛋白能與成骨細胞系的低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白

9、 5（low density lipoprotein receptorrelated protein 5,lrp-5）及其密切相關(guān)的 lrp-6 細胞外結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，繼而拮抗經(jīng)典的 wnt 通路155560651617動還不清楚，可能是通過骨細胞的突起進行分泌，亦或是經(jīng)其他通路而發(fā)揮作用。硬化蛋白也能對富胱氨酸蛋白 61（cysteine-rich protein 61，cyr61）產(chǎn)生拮抗效應(yīng)。cyr61是一種具有調(diào)節(jié)間充質(zhì)細胞增殖和分化功能的細胞外基質(zhì)蛋白，也對成骨細胞、破骨細胞和血管生成具有調(diào)節(jié)功能。硬化蛋白能抑制 cyr61 介導(dǎo)的成纖維細胞附著，但能增加血管內(nèi)皮細胞的遷徙并增加成骨細

10、胞分裂18。cristina 等發(fā)現(xiàn)硬化蛋白能快速激活細胞外信號調(diào)節(jié)激酶/絲裂原激活的蛋白激酶（erk-1/2 mapk）信號，提示或許有更為復(fù)雜的信號通路參與了硬化蛋白作用的發(fā)揮。以往的研究多集中于硬化蛋白對于成骨活動的影響，但是一些研究從側(cè)面提示或許硬化蛋白也參與了破骨活動，例如以硬化蛋白抗體治療卵巢摘除雌性鼠，發(fā)現(xiàn)其骨丟失量少于對照組，且破骨細胞表面組織形態(tài)特征參數(shù)明顯減少19；另一項針對正常雌性鼠的實驗發(fā)現(xiàn)，抗硬化蛋白治療不但具有成骨作用，還能明顯抑制破骨活動20；類似的人類期臨床實21了硬化蛋白能通過骨細胞調(diào)節(jié) wnt 通路，繼而以 rankl 模式促進破骨細胞形成發(fā)揮分解代謝作用2

11、2。隨著人們對不同來源的 rankl 作用的認(rèn)識，骨細胞被認(rèn)為是影響松質(zhì)骨破骨細7075胞生成的 rankl 的主要來源23。3 硬化蛋白的調(diào)節(jié)因為硬化蛋白如此重要的雙向調(diào)節(jié)作用，機體必然存在對其諸多的調(diào)節(jié)因素，分述如下：雌性激素能降低血液循環(huán)中的硬化蛋白水平24，婦女的硬化蛋白水平在絕經(jīng)后較絕經(jīng)前要更高，短期雌激素治療能降低男性和女性血液中硬化蛋白含量25。甲狀旁腺激素（pth）是另一種重要的調(diào)節(jié)激素，當(dāng)給予間隔或持續(xù)注射時，實驗動物硬化蛋白水平會降低，在小鼠接受 pth 注射后 2h，硬化蛋白水平下降約 50%，持續(xù)給藥至4 天時，硬化蛋白水平下降約 80-90%26。人類中間斷給予 pt

12、h 雖沒有那么明顯變化，但亦有 15%的下降27。其中的機制尚未完全清楚，但是可以肯定的是 pth 相關(guān)受體（pth-relatedpeptide receptor，ppr）在其中至關(guān)重要，隨后經(jīng)過 camp 通路，產(chǎn)生對包括 sost 在內(nèi)的多-2-。最近的研究證據(jù)表明 lrp-4 或許是硬化蛋白的主要配體。但是硬化蛋白如何抑制 wnt 通路介導(dǎo)的成骨活。而 wijenayaka 等更是證實驗也發(fā)現(xiàn)了抗硬化蛋白單克隆抗體也具有類似的抗吸收效果80859095100105110種骨重建相關(guān)基因的調(diào)控28。力學(xué)負載也是影響硬化蛋白表達的因素。在小鼠尺骨骨干負載后硬化蛋白陽性細胞的數(shù)量和染色強度明

13、顯下降29。小鼠尾骨懸吊后硬化蛋白表達上升并且骨丟失增加，而 sost 敲除鼠能抵抗負載消失而產(chǎn)生的骨丟失7。galea 等進一步證實在負載早期，多種信號通路被同時激活，而對于 sost 表達的調(diào)解是通過前列腺素 pge2/ep4 通路進行的30，這也與另一項研究的結(jié)論相符，即前列腺素 e2 能通過 ptger2 減少成骨細胞中硬化蛋白的表達31；這兩項結(jié)論也從側(cè)面證實了 wnt 通路與前列腺素通路之間存在著關(guān)聯(lián)。直到最近，tu 等通過轉(zhuǎn)基因鼠證實 sost 基因和硬化蛋白的下調(diào)對于力學(xué)負載產(chǎn)生后續(xù)效應(yīng)是必須的32。其他全身因素也能導(dǎo)致 sost 基因和硬化蛋白的變化，如治療骨質(zhì)疏松的藥物雷尼

14、酸鍶能抑制人成骨細胞中的硬化蛋白表達33；而骨折愈合患者較對照組血清中 sost 量顯著升高，同時良好愈合者較愈合不佳者 sost 含量要高，盡管這一差別不甚明顯34。4 硬化蛋白與牙骨質(zhì)代謝牙骨質(zhì)的主要作用是借助纖維組織與牙槽骨相連，穩(wěn)定牙根位置，并在特殊情況下參與牙周組織的重建，比如牙周病預(yù)后和外源性牙根吸收等。牙骨質(zhì)與骨組織結(jié)構(gòu)上有一些不同，如沒有板層結(jié)構(gòu)，沒有神經(jīng)和血管等骨髓組織，牙骨質(zhì)細胞也不如骨細胞那樣整齊規(guī)則排列，小管密度也更為稀疏。結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致其功能也與骨組織存在差別，如牙骨質(zhì)在生理情況下不進行改建，對機械力抵抗更強。牙骨質(zhì)根據(jù)其纖維成分和存在部位，被劃分為四類，其中較為重要的

15、有兩類是有細胞內(nèi)源纖維牙骨質(zhì)（cellular intrinsic fiber cementum，cifc）和無細胞外源性纖維牙骨質(zhì)（acellularextrinsic fiber cementum，aefc）。有觀點認(rèn)為形成兩種牙骨質(zhì)的成牙骨質(zhì)細胞的來源是不同的，aefc 是一種獨特的組織，cifc 與骨組織相似而又存在形態(tài)、功能和生物活性方面的不同35。aefc 因為其與牙槽骨更為堅強的纖維連接對于牙周穩(wěn)定意義更大，但是對于牙骨質(zhì)的重建多是由 cifc 完成的，目前多數(shù)促進牙周重建的技術(shù)和藥物也多影響 cifc，除了少數(shù)釉質(zhì)來源的蛋白提取物36。牙骨質(zhì)細胞表達硬化蛋白最早于 vbd 的病

16、人中發(fā)現(xiàn)4，隨后 jager 等人通過免疫組化方法也證實了 sost/硬化蛋白在人和鼠牙骨質(zhì)細胞中的特異性表達，人源性牙周膜細胞在礦化開始后 sost mrna 和硬化蛋白的表達均有增加37，說明了其在牙骨質(zhì)，至少是細胞性牙骨質(zhì)礦化過程中發(fā)揮作用；隨后他們又對鼠牙根牙骨質(zhì)形成活動中硬化蛋白的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)只有 4 周齡以上的鼠牙骨質(zhì)中才能檢測到硬化蛋白，而且只陽性表達于 cifc 中38。這些證據(jù)說明牙骨質(zhì)代謝中，硬化蛋白具有其獨特的作用，有待于進一步研究。5 應(yīng)用前景鑒于硬化蛋白在鈣化組織代謝活動中特殊而關(guān)鍵的作用，已成為治療骨質(zhì)疏松等骨代謝相關(guān)疾病的有效靶點之一。其中硬化蛋白的單克隆

17、抗體已經(jīng)進入臨床實驗，而且至今效果尚屬樂觀。但是正如同眾多新型制劑一樣，其長期療效和毒副作用仍然需要后續(xù)的觀察，而關(guān)于硬化蛋白作用機理的深入認(rèn)識對于避免這些副作用至關(guān)重要。115參考文獻 (references)1 balemans w, ebeling m, patel n et al. increased bone density in sclerosteosis is due to the deficiency of anovel secreted protein (sost)j. hum mol genet. 2001 mar 1;10(5):537-43.2 balemans w,

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