Wnt/β-catenin信號通路在調控骨量的作用*

李俊峰，郭慶山，傅捷輝 綜述，宗兆文△ 審校

(1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所創傷科/創傷燒傷與復合傷國家重點實驗室,重慶 400042；2.福建省泉州市洛江萬鴻醫院骨科 362011)

·綜 述·

Wnt/β-catenin信號通路在調控骨量的作用*

李俊峰1,2，郭慶山1，傅捷輝2綜述，宗兆文1△審校

(1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所創傷科/創傷燒傷與復合傷國家重點實驗室,重慶 400042；2.福建省泉州市洛江萬鴻醫院骨科 362011)

Wnt/β-catenin信號通路；骨量；成骨細胞；破骨細胞

成人的骨量由成骨細胞的骨形成和破骨細胞的骨吸收共同維持著。Wnt/β-catenin信號通路參與骨形成過程中成骨細胞的增殖、分化，并能影響成骨細胞和破骨細胞的產生和功能，對骨量的調控非常關鍵。因此，Wnt/β-catenin信號通路已成為治療相關骨代謝疾病如骨質疏松的熱點。本文從Wnt/β-catenin信號通路的結構、調控骨量的作用機制和Wnt/β-catenin信號通路靶向藥物研究進展等方面，綜述了Wnt/β-catenin在調控骨量的作用的研究進展。

1 Wnt/β-catenin信號通路簡介

Nusse等最早用小鼠乳頭狀瘤病毒誘導小鼠產生乳腺癌的實驗發現了int-1基因。 1976年，人們發現了Wingless基因可導致果蠅無翅，而2種基因同源，因此該基因被重新命名為Wnt。Wnt蛋白是高度保守的分泌性糖蛋白，目前發現有19種，可通過旁分泌或者自分泌發揮作用，相對分子質量為3 900～4 600。經典Wnt/β-catenin信號通路中，Wnt蛋白與卷曲蛋白的氨基端和低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6(lipoprotein receptor related protein 5/6，LRP5/6)結合，可阻斷由細胞支架蛋白、糖原合成激酶3β、腺瘤樣結腸息肉病基因編碼的蛋白組成的降解復合體對β連環蛋白(β-catenin)的降解。β-catenin積累于細胞質內，隨后入核激活T細胞因子/淋巴增強子因子，調控下游靶基因的轉錄和表達，發生生物學效應，如促進細胞增殖及活化。Wnt/β-catenin信號通路在許多哺乳動物的間充質干細胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)和成骨細胞均有表達。成骨細胞是骨細胞的前體細胞，由MSCs分化而來[1]。MSCs還可進一步分化為成纖維細胞、肌原細胞、脂肪細胞和軟骨細胞[2-5]。

2 Wnt/β-catenin信號通路與骨量調控

2.1 Wnt/β-catenin信號通路在骨形成中的調控機制 已有多項人類和小鼠的基因研究和細胞學研究證明， Wnt/β-catenin信號通路在骨骼發育及代謝平衡中的重要作用，包括MSCs的定向分化、成骨細胞前體擴增、終末分化、礦化和細胞的凋亡。在MSCs中，Wnt通路可促進與成骨相關的核心結合蛋白因子2和骨鈣素的表達，促進向成骨細胞分化；亦可抑制C/EBPα、PPARγ和sox9基因的表達，抑制向軟骨細胞和脂肪細胞的分化。另外，Wnt通路能調控Myc、cycling D、c-Jun和Fra-1的表達，從而促進成骨細胞的增殖；亦可通過激活ERKs和Akt通路來促進抗凋亡蛋白Bcl-2的表達。

2.2 Wnt/β-catenin信號通路在骨吸收中的調控機制 β-catenin在破骨細胞的形成中有雙向性，增殖時水平升高，分化時降低。在破骨細胞持續激活β-catenin，破骨細胞增殖無變化而分化被阻斷，骨量增加；敲除β-catenin后增殖被阻斷，骨量也增加。因此認為Wnt/β-catenin信號通路減少骨吸收的機制可能與直接作用于破骨細胞有關，但也有學者認為可能是通過成骨細胞生成的骨保護素競爭性抑制核因子-κB受體活化素配體，從而間接抑制破骨細胞的分化、成熟及破骨細胞的骨吸收作用[6-7]。有研究發現，成骨細胞持續激活β-catenin均可造成骨量增加，破骨細胞減少[8-9]；敲除β-catenin后破骨細胞增加、骨量降低。總之，Wnt/β-catenin信號通路對骨吸收作用的調控機制比較復雜，尚需要進一步研究。

2.2.1 LRP蛋白與骨量調控 目前發現LRP-5的缺失，成骨細胞的功能和增殖受阻，骨形成受影響[10]。另外，LRP-6的敲除會同時降低松質骨和皮質骨的骨密度。有學者報道了26周雌性小鼠敲除LRP-6后，骨密度下降55%。 因此，LRP5和LRP6的敲除都會導致骨量下降。另外，LRP4也被發現與Wnt/β-catenin信號通路有關，但具體機制仍未明確[11]。

2.2.2 Wnt蛋白與骨量調控 目前認為激活Wnt/β-catenin經典信號通路骨量增加，沉默則骨量降低。敲除小鼠的Wls基因(編碼Wnt蛋白)可導致骨形成減少，骨吸收增加。這表明Wnt/β-catenin信號通路對于成骨細胞和破骨細胞都有重要作用。其中Wnt1蛋白可通過骨保護素影響成骨細胞骨量和成骨細胞的生成，Wnt3a、Wnt4、Wnt5a和Wnt16可影響破骨細胞的分化[6]。

2.2.3 硬化蛋白、Diekkopf1(DKK1)與骨量調控 硬化蛋白由骨細胞分泌，并由旁分泌或自分泌的形式釋放在骨表面，進而阻止Wnt蛋白與受體的結合。硬化蛋白基因也證實了硬化蛋白對調控骨量有重要作用：小鼠的成骨細胞過度表達硬化蛋白基因可導致顱骨和股骨的骨結構紊亂，骨皮質變薄及松質骨骨量減少；也可造成肢體骨骼缺如。DKK1由成骨細胞和骨細胞產生，也可阻止Wnt蛋白與受體的結合，抑制Wnt/β-catenin信號通路的傳導[12]。在成骨細胞過度表達DKK1后，長骨和顱骨的松質骨和皮質骨骨量嚴重丟失； DKK1缺失的小鼠具有高骨量，這再次證實了DKK1對成骨細胞的Wnt信號通路和骨量調控的重要性。

3 Wnt/β-catenin信號通路靶向藥物研究進展

3.1 硬化蛋白拮抗劑 臨床試驗證實，硬化蛋白拮抗劑可增加松質骨骨量、增加骨膜和骨內膜的面積[13]，可逆轉系統性和局部的骨質丟失[14]，并促進骨折愈合[13,15]。二期臨床試驗對419例骨質疏松的絕經后婦女，分別給予硬化蛋白拮抗劑、二膦酸鹽及特立帕肽治療，發現硬化蛋白拮抗劑的療效強于后兩者；但是，這3組的橈骨遠端的骨密度卻都不增加。因此，對于非椎體骨折的預防和治療，硬化蛋白拮抗劑的有效性仍需要進一步驗證。另外，Wnt/β-catenin信號通路分布廣泛，與細胞增殖、干細胞干性的維持及腫瘤都有相關性[16-17]，因此,其安全性也需要慎重考慮。

3.2 DKK1拮抗劑 因DKK1作用于Wnt/β-catenin信號通路的機制與硬化蛋白具有一定的相似性[18]，DKK1的拮抗劑是否可以用于骨質疏松治療也正在研究中[19]。有研究給予在12周齡行卵巢去式術的小鼠抗DKK1治療后，發現其因骨內膜增加而逆轉骨質丟失。此外，風濕性關節炎患者的滑膜上，可檢測出DKK1；而應用DKK1拮抗劑可降低破骨細胞數量，增加成骨細胞數量而促進骨形成，從而阻止干骺端的骨質丟失。因此認為DKK1拮抗劑可能可以用于治療類風濕關節炎[20]。

3.3 靶向藥物治療的局限性 以上研究證實硬化蛋白拮抗劑和DKK1拮抗劑均可增加骨量，但是，人體的骨骼有80%都是皮質骨，這是骨骼強度和非椎體骨折風險的決定因素。而在對骨質疏松患者進行12個月的硬化蛋白拮抗劑治療后，皮質骨骨量的增加并沒有松質骨明顯，這個趨勢與目前的抗骨吸收藥物治療相同[21]。但另有研究發現，主要由皮質骨的成骨細胞產生的Wnt16可增加皮質骨厚度[22]，這使得Wnt16未來可能成為增加皮質骨厚度、降低非椎體骨折風險的重要靶點[23]。

4 展 望

綜上所述，Wnt/β-catenin在骨量調控方面的機制是復雜的，Wnt/β-catenin信號通路可促進骨形成，還可阻止骨形成，具體機制仍需要進一步研究。盡管Wnt/β-catenin信號通路靶向藥物已進入臨床三期試驗，但對皮質骨的效果卻遠不如松質骨，原因可能是Wnt/β-catenin信號通路在松質骨和皮質骨存在差異性表達[24]。如何有效地增加皮質骨骨形成，降低非椎體骨折的風險，將是今后抗骨質疏松治療的一個熱點。另外目前已發現多種基因及甲基化水平與骨質疏松及骨折風險相關[25]，尚需要進一步研究。

[1]陳小菊,王嫣,王蘭,等.誘導骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化的實驗研究[J].重慶醫學,2009,38(10):1185-1187.

[2]吳術紅,劉毅,熊華章,等.Scleraxis和堿性成纖維細胞生長因子-1聯合修飾對單層骨髓間充質干細胞向韌帶成纖維細胞特異性分化的影響[J].中華實驗外科雜志,2016,33(7):1731-1735.

[3]李新建,齊振熙,李志敏,等.補腎活血湯含藥血清骨髓間充質干細胞成骨-成脂分化的影響[J].中華中醫藥雜志,2016,31(8):3274-3277.

[4]楊中原,陳建英.間充質干細胞免疫調控及其治療心血管疾病的研究進展[J].廣東醫學,2016,37(13):2039-2042.

[5]成楠,劉歡,周躍.間充質干細胞成軟骨分化的表觀遺傳學研究[J].中國矯形外科雜志,2016,24(12):1092-1095.

[6]Weivoda MM,Ruan M,Hachfeld CM,et al.Wnt signaling inhibits osteoclast differentiation by activating canonical and Noncanonical cAMP/PKA pathways[J].J Bone Miner Res,2016,31(1):65-75.

[7]Kobayashi Y,Uehara S,Koide M,et al.The regulation of osteoclast differentiation by Wnt signals[J].Bonekey Rep,2015(4):713.

[8]Chen S,Feng J,Bao Q,et al.Adverse effects of osteocytic constitutive activation of β-catenin on bone strength and bone growth[J].J Bone Miner Res,2015,30(7):1184-1194.

[9]Jia M,Chen S,Zhang B,et al.Effects of constitutive β-catenin activation on vertebral bone growth and remodeling at different postnatal stages in mice[J].PLoS One,2013,8(9):e74093.

[10]Tüysüz B,Bursall A,Alp Z,et al.Osteoporosis-pseudoglioma syndrome:three novel mutations in the LRP5 gene and response to bisphosphonate treatment[J].Horm Res Paediatr,2012,77(2):115-120.

[11]Xiong L,Jung JU,Wu H,et al.Lrp4 in osteoblasts suppresses bone formation and promotes osteoclastogenesis and bone resorption[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(11):3487-3492.

[12]Kristensen IB,Christensen JH,Lyng MB,et al.Expression of osteoblast and osteoclast regulatory genes in the bone marrow microenvironment in multiple myeloma:only up-regulation of Wnt inhibitors SFRP3 and DKK1 is associated with lytic bone disease[J].Leuk Lymphoma,2014,55(4):911-919.

[13]Agholme F,Macias B,Hamang M,et al.Efficacy of a sclerostin antibody compared to a low dose of PTH on metaphyseal bone healing[J].J Orthop Res,2014,32(3):471-476.

[14]Suen PK,He YX,Chow DH,et al.Sclerostin monoclonal antibody enhanced bone fracture healing in an open osteotomy model in rats[J].J Orthop Res,2014,32(8):997-1005.

[15]Taut AD,Jin Q,Chung JH,et al.Sclerostin antibody stimulates bone regeneration after experimental periodontitis[J].J Bone Miner Res,2013,28(11):2347-2356.

[16]楊雅,黃水金,謝菲飛,等.17β-雌二醇及wnt/β-catenin信號通路對人成骨肉瘤細胞基質Gla蛋白表達的影響[J].中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志,2016,9(2):157-165.

[17]劉永明,廖前德,何鳳春.wnt10b在骨肉瘤組織中的表達及其臨床意義[J].醫學臨床研究,2016,33(5):881-884.

[18]Evenepoel P,D′Haese P,Brandenburg V.Sclerostin and DKK1:new players in renal bone and vascular disease[J].Kidney Int,2015,88(2):235-240.

[19]Tsourdi E,Rijntjes E,K?hrle J,et al.Hyperthyroidism and hypothyroidism in male mice and their effects on bone mass,bone turnover,and the Wnt inhibitors sclerostin and dickkopf-1[J].Endocrinology,2015,156(10):3517-3527.

[20]Juarez M,McGettrick HM,Scheel-Toellner D,et al.DKK1 expression by synovial fibroblasts in very early rheumatoid arthritis associates with lymphocyte adhesion in an in vitro flow co-culture system[J].Arthritis Res Ther,2016,18(1):14.

[21]Montagnani A.Bone anabolics in osteoporosis:actuality and perspectives[J].World J Orthop,2014,5(3):247-254.

[22]Gori F,Lerner U,Ohlsson C,et al.A new WNT on the bone:WNT16,cortical bone thickness,porosity and fractures[J].Bonekey Rep,2015(4):669.

[23]Alam I,Alkhouli M,Gerard-O′Riley RL,et al.Osteoblast-specific overexpression of human WNT16 increases both cortical and trabecular bone mass and structure in mice[J].Endocrinology,2016,157(2):722-736.

[24]Li J,Bao Q,Chen S,et al.Different bone remodeling levels of trabecular and cortical bone in response to changes in Wnt/β-catenin signaling in mice[J].J Orthop Res,2016.doi:10.1002/jor.23339.

[25]周星彤,楊昕,曹永平.骨質疏松相關基因甲基化水平與骨質疏松癥的關系[J].中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志,2016,9(1):75-80.

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.03.038

國家自然基金面上項目(81271935)。 作者簡介：李俊峰(1983-)，主治醫師，碩士，主要從事骨質疏松方面研究。△

R681.1

A

1671-8348(2017)03-0401-03

2016-07-13

2016-09-25)