颌骨骨重建中破骨细胞与成骨细胞相互作用的研究
2023-05-04
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口腔生物医学2010年6月(第1卷第2l ̄J) Oral Biomedicine,Vo1.1,No.2,Jun.2010 一………一…… 、 专家论坛 s: ! j !; ;=; ! ! 颌骨骨重建中破骨细胞与成骨细胞相互作用的研究 谷志远 ,毛英杰 ,赵娟 谷志远: 教授,主任医师,博士生导师 浙江中医药大学口腔医学院院长 浙江省口腔医学会副会长,浙江省医师协会口腔医师分会副会长 中华口腔医学会常务理事、颞下颌关节病学专委会及口腔教学专委会常委 国际牙科学院院士 [摘要] 在颌骨骨重建研究中,破骨细胞骨吸收反应与成骨细胞骨生成反应耦联机制是学者们关注的焦点,本文对该反应耦 联机制研究较为成熟的OPG/RANKL/RANK信号系统及近来提出的Eph/ephrin介导的双向信号传递系统研究进行阐述。 [中图分类号] R782.2 [文献标识码] A [文章编号] 1674—8603(2010)02-0057-04 骨重建是一种有序、耦联的骨吸收和骨形成过 止阶段。骨重建起始阶段包括:破骨前体细胞的募 程,在口腔医学中占有重要的研究价值,如:1)牙种 集、诱导分化为成熟破骨细胞及局部出现骨吸收,人 植术后建立种植体骨整合界面以及在应力作用下长 类骨此阶段维持约3周时间。骨重建过渡阶段包 期保持骨整合界面的稳定;2)牙列缺失后牙槽骨的 括:骨吸收逐渐被抑制、破骨细胞开始死亡、成骨细 进行性吸收和骨质疏松症时颌骨骨重建的失衡;3) 胞出现、骨吸收表面骨生成。骨重建终止阶段包括: 正畸矫治牙列不齐的过程中正畸力对牙槽骨改建的 类骨质形成、矿化、进入静止期、破骨细胞分化已完 作用;4)颌骨自体骨、异体骨和骨替代品移植、引导 全被抑制,此阶段持续约3个月 。 骨再生(guided bone regeneration,GTR)、牵张成骨术 在骨吸收转化为骨生成的骨重建过渡阶段,一 (distraction osteogenesis,DO)等治疗过程骨的改建; 个特殊的细胞问相互作用机制起到了决定性作用: 5)颞下颌关节的适应性改建等。骨重建的核心是 破骨细胞在成骨前体细胞介导下分化成熟并具有骨 破骨细胞(osteoclast,OC)骨吸收反应与成骨细胞 吸收功能,同时又刺激成骨前体细胞分化为成骨细 (osteoblast,OB)骨生成反应这对耦联机制的调节, 胞;成骨细胞分化成熟,在骨吸收缝隙开始出现骨生 国内外已有大量研究探讨该耦联的机制,包括早期 成;一旦出现骨形成,骨吸收活动即刻停止;破骨细 提出的0PG/RANKL/RANK信号系统及近来提出 胞以Bim—caspase一3轴的负反馈方式 j或通过雌 的Eph/ephrin介导的双向信号传递系统。 激素调节诱导Fas/FasL系统方式凋亡_3 J。已有大 1破骨细胞成骨细胞介导的骨重建耦联机制 量研究试图来阐明该相互作用机制,其中研究最多 的就是早期提出的OPG/RANKL/RANK信号系统 根据破骨细胞成骨细胞的相互作用关系,骨重 以及近来提出的Eph/ephrin介导双向信号传递。 建过程可划分为三个阶段:起始阶段、过渡阶段、终 2 0PG/RANKI/RANK信号系统的研究进展 基金项目:国家自然科学基金(30872901) 作者单位:1浙江中医药大学口腔医学院,杭州(310021);2浙江大 2.1 0PG/RANKL/RANK信号系统的系统成员 学医学院附属口腔医院,杭州(310006) RANKL(receptor activator for nuclear factor KB 通信作者:谷志远Tel:(0571)86633108 ligand,核因子KB受体活化因子配基)是肿瘤坏死 E—mail:gzy@zju.edu.CB 因子(tumor necrosis factor,TNF)配体超家族中的一 口腔生物医学2010年6月(第1卷第2期) Oral Biomedicine.Vo1.1.No.2.Jun.2010 员,有膜结合型(mRANKL)和可溶型(sRANKL)两 种形式。各种骨骼细胞和骨骼外细胞都可以表达 RANKL,如成骨细胞、破骨细胞、骨膜间充质细胞、 有抑制RANKL诱导破骨细胞发生的能力 J。在体 内骨吸收和骨形成的平衡关系中,RANKL/OPG比 率是一个重要的杠杆 。体内调控破骨细胞的多 种因子和激素几乎都是通过影响OPG和RANKL的 软骨细胞和上皮细胞等,其中成骨细胞主要分泌膜 结合型mRANKL。RANK(receptor activator for nu. clear factor KB,核因子KB受体活化因子)是RANKL 分泌,导致RANKL/OPG比率失衡。骨髓基质干细 胞向成骨细胞分化的过程中,RANKL/OPG的值是 的功能性受体,同其他的TNF受体超家族成员一 样,RANK是I型跨膜蛋白 ,有616个氨基酸。破 不断变化的,随着成骨细胞的分化成熟,比值逐渐减 小,最后失去对破骨细胞的促分化和激活作用¨ , 骨前体细胞、成熟破骨细胞、软骨细胞及乳腺上皮细 胞内均有RANK表达 。OPG(osteoprotegerin,护骨 素),是近年发现的具有抑制破骨细胞分化及骨吸 收活性的一种肝素结合分泌型糖蛋白,属于肿瘤坏 死因子受体超家族。OPG广泛分布于多种组织细 胞内,如骨髓基质细胞、成骨细胞、成纤维细胞、主动 脉平滑肌细胞,以及单核细胞、树突状细胞和B淋 巴细胞等 J。OPG有单体和同源二聚体两种形式, 单体存在于成骨细胞,二聚体可分泌入骨基质。 2.2 破骨细胞成骨细胞问的OPG/RANKL/RANK 信号系统研究 研究表明在骨吸收过程中,RANKL、RANK、 OPG三者共同参与调节破骨细胞的分化和功能的 发挥。问充质干细胞分化为前成骨基质细胞后,可 进一步活化为成骨细胞。成骨细胞在骨吸收过程中 接收刺激信号,如甲状旁腺激素(parathyriod hor- mone,PTH)、PGE、IL一6、IL一11、VitD3等后可分泌 RANKL J。RANKL与巨噬细胞集落刺激因子 (macrophage colony—stimulating factor,M—CSF)结 合于破骨前体细胞表面受体M—CSFR和RANK 上,激活相应的信号转导通路,破骨前体细胞分化为 成熟的破骨细胞执行骨吸收功能 71。RANKL结合 于其受体RANK后,RANK的胞内区首先与破骨细 胞内的肿瘤坏死因子受体相关蛋白(TNF—receptor associated factors,TRAFs)结合。TRAFs家族蛋白经 活化后可进一步诱导多条信号途径如核因子 B通 路、分裂原激活蛋白激酶(mitogen—activated protein ldnases,MAPK)、活化的T细胞核因子cl(nuclear factor of activated T—cells cytoplasmic 1,NFATc 1)和 Src的激活,最终激活一系列破骨细胞特异性基因 表达,调节破骨细胞的分化、功能和凋亡。 成骨细胞表面OPG与RANKL之问竞争性结合 是调控破骨细胞分化、增殖、凋亡及发挥生理过程中 最重要的途径,OPG做为诱导假受体与RANKL结 合,竞争性抑制RANKL与RANK之间信号传递 。 同时,OPG还可与RANKL/RANK结合体形成三聚 体,直接抑制RANKL/RANK的作用。所以,OPG具 以确保骨吸收和骨形成两个过程紧密相连并达到平 衡。由此可见,OPG—RANK—RANKL组成破骨细 胞发育、成熟及发挥功能过程中的关键蛋白环路,使 破骨细胞的研究进入一个崭新的阶段,成为调控骨 代谢的核心因子。 3 Eph/ephrin介导的双向信号转导机制 3.1 Eph受体及ephrin配体的结构特点 在人类基因组中,目前Eph受体共有l4个成 员,分为2个亚家族 :EphA(EphA1~EphA8) 和EphB(EphB1~EphB6),它们的胞外区由配体结 合区域及2个纤维连接蛋白Ⅲ型重复序列组成,胞 浆部分含有近膜结构域、酪氨酸激酶结构域、SAM 结构域以及PDZ结合模序。ephrin配体有8个成 员,也被分成2个亚家族ephrinA和ephrinB:前者有 5个成员(ephrinA1~ephrinA5),本身不具有跨膜结 构域,而是通过糖基磷脂酰肌醇(glycosy1ph0sphati・ dyl inositol,GPI)锚定在细胞膜上;后者有3个成员 (ephfinB1~ephrinB3),均有一个跨膜结构域和很短 的胞内区,胞内区域是高度保守的,含有多重酪氨 酸,特别是33 C末端氨基酸,而C末端YKV基序含 PDZ结构域蛋白的结合位点。通常,EphA受体与 ephrinA配体结合,EphB受体与ephrinB配体结合, 而EphA4可同时与ephrinA及ephrinB结合,ephri— nA5可结合EphB2。 3.2 Eph/ephrin介导的双向信号转导机制及相关 研究 表达Eph及ephrin的细胞问相互作用介导双 向信号转导,其中以ephrin为配体由Eph受体向细 胞内传递信号为正向信号系统,反之为反向信号系 统,正、反向信号皆可通过酪氨酸磷酸化依赖或非依 赖转导途径向细胞内传递。Eph/ephrin介导的双向 信号转导已被证实参与诸多生物学领域包括神经发 育及再生、免疫功能、糖尿病及血糖平衡、肠道疾病、 血管发生及癌瘤等方面 ,近来研究证实其在骨重 建调节中也发挥越来越重要作用 。。” 。 正常骨组织中,破骨细胞主要表达ephrinB1、 L]腔生物医学2010年6月(第1卷第2期) Oral Biome(Ji Vo1.. . 』 . Q! B2,而成骨细胞可同时表达ephrinB配体及EphB受 体。通过功能获得及功能缺失实验,Zhao 14 J等认为 EphB4/ephrinB2介导的双向信号转导可调节破骨 细胞骨吸收和成骨细胞骨牛成耦联机制,维持骨稳 态。且EphB4/ep nB2介导的双向信号转导具有 调节 Eph/ephrin介导的双向信号转导可与其他信号 传导系统相互协调发挥功能,这方面已有大量的研 究理论 t”J,本文不再详细叙述,但针对调节骨稳 态、影响骨骼系统生长发育的研究尚存不足。 EphB4受体处于成骨细胞分化调节级联的高位,经 Src、PI3K—Akt¨ 、双向作用:一方面,反向信号转导通过ephrinB2 C末 端YKV基序与胞内含PDZ结构域的蛋白相互作 用,向下游转导信号,抑制c—Fos—NFATc1转录级 联反应(负反馈),从而抑制破骨细胞的分化。另一 Ras/Rho蛋白 。。等传递信号影 响细胞分化。Zhao等¨ 认为EphB4可通过刺激 ERK1/2途径进行信号传递,增强成骨细胞分化作 方面,正向信号经EphB4 导DIx5、Osx及Runx2等 成骨调节冈子,降低RhoA活性,促进成骨细胞分 化。转基因小鼠的研究中,成骨细胞EphB4过表达 可增加股骨骨密度,同时破骨细胞数量及大小明显 降低,尿液中DPD量减少(破骨作用释放),这 结 果说明转基因小鼠内EphB4过表达可增强经eph— rinB2传人破骨细胞的反向信号,抑制破骨细胞的分 化成熟。因此,EpI1B4/ep}1rinB2介导的双向信号转 导系统利于 目 吸收向骨生成转化 ,且不受 RANKL,CSF一1或OPG的调控。 然而,Allan等¨ 用 I1H或 H相关肽(}yrH —related peptide,PFHrP)刺激成骨细胞株或原代培 养的成骨细胞,结果发现ephrinB2 mRNA及蛋白表 达水平明显增加,而EphB表达量变化不明显。且 在体内研究中,发现破骨细胞ephrinB2表达沉默的 转基因小鼠骨组织表型与破骨细胞ephrinB2正常 表达的小鼠无明显差异。Allan等 认为这种现象 与成骨细胞表达ephrinB2有关,而Zhao等 解释 为破骨细胞表达的ephrinB1可与成骨细胞表面的 EphB3受体作用起到补偿效应。 Eph/ephrin介导的双向信号转导不仅可发生于 分别表达ephrin配体、Eph受体两个对应细胞(成骨 细胞、破骨细胞)之间,也可发生于同时表达ephrin 配体、Eph受体的同个细胞(成骨细胞)。通常认为 当对应细胞问Eph/ephrin介导的双向信号转导发 生时,同个细胞作用就受到抑制 。目前关于Eph 受体和eph-’ins配体在同个细胞表面是否有同样的 膜局限性结构域及下游信号分子尚不清楚,但同个 细胞表面表达的Eph受体及ephrin配体相互作用 与对应细胞间的双向信号转导系统类似开关调控, 起到相互拮抗作用H 。且膜结合型的ephrin和 Eph必须成簇,才能引起相应受体和配体的活化,而 Eph/ephrin多聚体的成簇大/I, ̄N比例不仅可影响信 号强度,还可能改变下游信号转导途径,最终导致不 同结果 I2 。 3.3 Eph/ephrin信号转导与其他信号途径的相互 用。PrrH或PTHrP可增强成骨细胞ephrinB2的表 达,从而以接触依赖的旁分泌或自分泌方式促进其 它成骨细胞(表达EphB4和EphB2)分化和骨形 成¨ 。然而,Wang等 研究发现抑制成骨细胞 IGF一1 R,可以拮抗PTH作用,干扰 H对eph— rinB2/EphB4信号转导的调节,抑制成骨前体细胞 的增殖分化。 4问题及展望 OPG/RANKL/RANK系统的发现更新了我们对 破骨细胞的分化和功能以及骨代谢过程的认识, Eph/ephrin介导的双向信号转导机制的提出从新的 角度进一步阐述了破骨细胞与成骨细胞问的通讯机 制,有助于理解复杂颌骨骨重建研究中的骨代谢和 骨病理现象。但是只对单独的信号系统进行研究, 还不能解决颌骨骨重建的所有问题,还需要对不同 信号系统之间是否有内在的联系进行更多的探索, 明确不同信号系统与细胞效应之间的关系,如此才 能为寻找安全有效的治疗方法提供更好的思路和作 用靶点 [参考文献] 一~~ 一 ・60・ 旦膣生 医堂 生鱼月(第1卷第2期)Oral Biomedicine,Vo1.1,No.2,Jun.2010 gerin and osteoprotegerin ligand in the paracrine regulation of bone resorption[J].J Bone Miner Res,2000,15(1):2—12. 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