骨髓間充質干細胞成骨分化相關信號通路及其與BMP-2關系的研究進展

馮倩，曾祥偉，楊瑞，程嵩奕，趙鳳鳴，趙玉男，詹秀琴

(1南京中醫藥大學醫學與生命科學學院，南京210023；2江蘇省中醫院)

·綜述·

骨髓間充質干細胞成骨分化相關信號通路及其與BMP-2關系的研究進展

馮倩1，曾祥偉1，楊瑞1，程嵩奕2，趙鳳鳴1，趙玉男1，詹秀琴1

(1南京中醫藥大學醫學與生命科學學院，南京210023；2江蘇省中醫院)

骨髓間充質干細胞(BMSCs)的成骨分化涉及多條信號通路，包括NF-κB受體活化因子配體(RANKL)/NF-κB受體活化因子(RANK)/骨保護素(OPG)信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路、Smad信號通路、Notch信號通路等。這些信號通路在調控BMSCs成骨分化方面具有重要作用，其中一條或數條信號通路調節受阻，均可引起BMSCs成骨分化異常，進而導致骨質疏松癥等骨代謝疾病的發生。骨形態發生蛋白2(BMP-2)是骨生長的啟動因子，可誘導BMSCs向成骨細胞分化并促進其發生鈣化及礦化。在BMSCs成骨分化過程中，BMP-2與Wnt/β-catenin信號通路、ERK/MAPK信號通路、Notch三條信號通路均有一定聯系。

骨髓間充質干細胞；成骨分化；信號通路；骨形態發生蛋白2

骨質疏松癥是一種以骨密度和骨質量下降，骨微結構破壞、骨脆性增加、易發生骨折為特點的全身性骨病[1]。成骨細胞骨形成與破骨細胞骨吸收作用的動態平衡失調是骨質疏松發生的根本原因，其中成骨細胞增殖、分化缺陷是打破該平衡的重要因素[2]。骨髓間充質干細胞(BMSCs)是一類具有多向分化潛能的原始骨髓細胞，特定條件下可誘導分化為成骨細胞、軟骨細胞及脂肪細胞等間葉細胞和其他胚層細胞。BMSCs在骨生理過程中起重要作用，可誘導BMSCs成骨分化，對骨質疏松癥的防治具有重要意義。骨形態發生蛋白2(BMP-2)是轉化生長因子超家族(TGF)的一員，被證實可以通過影響多條信號通路促進BMSCs成骨分化并抑制其成脂分化的雙向調節作用[3]。本文對BMSCs成骨分化相關信號通路及其與BMP-2的關系綜述如下。

1 BMSCs成骨分化相關信號通路

已知多條信號通路參與了BMSCs成骨分化過程的調節，包括NF-κB受體活化因子配體(RANKL)/NF-κB受體活化因子(RANK)/骨保護素(OPG)信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路、Smad信號通路、Notch信號通路等。這些信號通路在調控BMSCs成骨分化方面具有重要作用，其中一條或數條信號通路調節受阻，均可引起BMSCs成骨分化異常，進而導致骨質疏松癥等骨代謝疾病的發生。

1.1 RANKL/RANK/OPG信號通路 RANKL/RANK/OPG信號通路是調節BMSCs分化的重要信號通路，與成骨分化有密切聯系。OPG是1997年由Simonet等[4]發現的一種由成骨細胞分泌的糖蛋白，屬于腫瘤壞死因子受體超家族成員。RANK主要表達于破骨前體細胞，是RANKL的惟一受體[5]。成骨細胞表達的RANKL與RANK結合，可促進破骨細胞分化成熟，而OPG又能通過與RANKL的結合減少破骨細胞的產生。研究發現，通過上調OPG表達可以激活RANKL/RANK/OPG信號通路，從而促進人骨髓間充質干細胞(hBMSCs)的成骨分化[6]，而下調NF-κB表達可抑制hBMSCs的成骨分化能力[7]。由此可見，OPG與NF-κB是此條信號通路上參與BMSCs成骨分化的關鍵因子。

1.2 Wnt/β-catenin信號通路 Wnt蛋白是細胞外富含半胱氨酸的糖蛋白大家族，其命名來源于果蠅Wingless基因和哺乳動物Int1基因的縮寫[8]。Wnt信號通路是一條與細胞增殖、分化密切相關且高度保守的信號通路[9]。目前已知的細胞膜外Wnt蛋白共有19個，其中Wnt1、Wnt3a、Wnt7a、Wnt7b等參與Wnt/β-catenin信號通路，又稱經典Wnt通路；Wnt4、Wnt5a、Wnt5b、Wnt11等參與Wnt/Ca2+通路和Wnt/PCP通路，又稱非經典Wnt通路[10]。通過上調Wnt3a、β-catenin、Wnt1等表達均可激活Wnt/β-catenin信號通路，增強hBMSCs的成骨分化能力[11,12]。Wnt5a通過激活非經典信號通路，降低細胞周期蛋白D1和Wnt3a表達，從而促進BMSCs的成骨分化[13]。

1.3 MAPK信號通路 MAPK是細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，目前已知的MAPK信號通路有三條，包括經典的MAPK信號通路、ERK信號通路和非經典的MAPK信號通路(JNK/SAPK通路和p38MAPK通路)，三條MAPK信號通路往往同時發揮作用。研究發現，雌激素可能通過同時激活JNK/MAPK和ERK/MAPK信號通路而增強大鼠顱面骨來源的BMSCs成骨分化能力[14]。在牛膝總皂苷(ABS)激活ERK/MAPK信號通路而促進大鼠BMSCs成骨分化的過程中，細胞外鈣離子可以促進BMP-2、RUNX2、osterix mRNA表達[15]。然而也有研究發現，分泌型Klotho蛋白可通過FGFR1/ERK信號通路抑制體外hBMSCs的成骨分化[16]。以上研究表明，ERK/MAPK信號通路對BMSCs成骨分化的調節作用可能存在雙向性，BMP-2表達升高與MAPK信號通路的激活存在一定聯系。

1.4 Smad信號通路 Smad蛋白是一類與果蠅MAD蛋白、線蟲Smad蛋白同源的蛋白質家族，BMP-2/Smad 信號通路激活可促進BMSCs的成骨分化[17]。研究表明，人參皂苷Rg1可通過BMP-2/Smad信號通路促進BMP-2誘導的hBMSCs成骨分化[18]；此外，細胞外鈣離子可以協同BMP-2磷酸化Smad1/5和ERK，共同促進BMSCs成骨分化[19]。此過程中Smad信號通路可能與ERK/MAPK信號通路建立某種聯系，而BMP-2在這兩條信號通路之間可能發揮樞紐作用。

1.5 Notch信號通路 20世紀初期，Mohr等[20]首次在果蠅中發現Notch基因。研究發現，Notch信號通路激活后會抑制BMSCs成骨分化，但是在齊墩果酸作用下BMP-2表達升高，可能與其通過抑制Notch表達而上調成骨相關標志物表達有關[21]。由此可見，BMP-2在一定條件下與Notch信號通路具有重要聯系[22]。

2 BMP-2與Wnt/β-catenin、ERK/MAPK、Notch信號通路的關系

BMP于1963年被發現，是與胚胎骨骼形成有關的蛋白質，在骨形成的數個階段均起作用。目前已經有40多種BMP被發現，其中BMP-2是骨生長的啟動因子[23]，可誘導BMSCs向成骨細胞分化并促進其發生鈣化及礦化。在BMSCs成骨分化的過程中，BMP-2與Wnt/β-catenin信號通路、ERK/MAPK信號通路、Notch三條信號通路均有一定聯系。

2.1 BMP-2與Wnt/β-catenin信號通路 BMP/Smad與Wnt/β-catenin信號通路具有協同作用，上調BMP-2表達可以活化Smad和β-catenin，從而促進BMSCs成骨分化[24]。在一項對腎上腺脂肪瘤的研究中證實，Wnt/β-catenin信號通路激活可上調BMP-2和BMP靶基因表達，并且Wnt/β-catenin信號通路相關因子可能是成骨細胞中BMP-2表達的上游激活劑[25]。

2.2 BMP-2與ERK/MAPK信號通路 研究發現，川芎嗪可通過激活Smad1/5/8和ERK信號通路而增強hBMSCs成骨活性，上調BMP-2、RUNX2基因表達[26]。一項對強直性脊柱炎(AS)患者BMSCs的異常成骨分化機制的研究顯示，來自健康供體(HD)和AS患者的BMSCs在誘導為成骨細胞后，AS-BMSCs在成骨分化能力方面優于HD-BMSCs[27]。在成骨分化期間，AS-BMSCs分泌較多的BMP-2和較少的頭蛋白(Noggin)，伴隨著Smad1/5/8和ERK-1/2的過度活化；當Noggin表達增加或BMP-2表達被抑制時，AS-BMSCs的異常成骨分化被修復，并且BMP-2與Noggin之間的分泌回歸平衡[28]。因此，BMP-2與Noggin之間的不平衡可能會引起AS-BMSCs的異常成骨分化，而ERK-1/2與BMP-2表達也存在正相關關系。

2.3 BMP-2與Notch信號通路 Notch3可能是改善骨整合的基因靶點。研究發現，抑制Notch3可以增強酸蝕處理的Ti盤上BMSCs的成骨分化，并且上調BMP-2 表達，表明BMP-2與Notch3表達存在負向調節關系[29]。在瓣膜間質細胞中H19基因敲低會導致Notch1及其下游靶標RUNX2和BMP-2表達升高，提示Notch1與BMP-2表達可能呈正相關關系[30]。

綜上所述，BMSCs成骨分化與多條信號通路有關，各信號通路之間具有一定聯系且相互影響，關系錯綜復雜。BMP-2可能是Wnt/β-catenin和ERK信號通路的下游靶基因，在激活上述兩條通路后，BMP-2表達水平上調，從而促進BMSCs成骨分化。細胞內信號轉導調控是個復雜、交叉的體系，而BMP-2只是其中一個相關因素。BMSCs成骨分化受多方面因素調控，當BMP-2與Noggin分泌不平衡時，容易引起異常骨化，而激活不同Notch信號通路對BMP-2表達的影響也截然不同。深入研究BMP-2在BMSCs成骨分化過程中的作用機制及其與各信號通路之間的關系，可為臨床防治相關骨質疾病提供依據。

[1] Diepenhorst N, Rueda P, Cook AE, et al. G protein-coupled receptors as anabolic drug targets in osteoporosis[J]. Pharmacol Ther, 2017,7258(17):30265-30266.

[2] 曾祥偉,馮倩,張瑩瑩,等.葛根素對MC3T3-E1細胞增殖、分化和礦化及TRPM3 mRNA表達的影響[J].中國藥理學通報,2017,33(7):977-982.

[3] 陳明,張濤,劉俊,等.骨形態發生蛋白2抑制骨髓間充質干細胞成脂分化的優選濃度[J].中國組織工程研究,2016,20(45):6720-6725.

[4] Simonet WS, Lacey DL, Dunstan C, et al. Osteoprotegerin： a novel secreted protein involved in the regulation of bone density[J]. Cell, 1997,89(2)309-319.

[5] Anderson DM, Maraskovsky E, Billingsley WL, et al. A homologue of the TNF receptor and its ligand enhance T-cell growth and dendritic-cell function[J]. Nature, 1997,390(6656):175-179.

[6] 吳國志,歐積壯,吳昌新.巴戟天水提取物對間充質干細胞成骨分化中OPG/RANKL表達的影響[J].海南醫學,2016,27(3):345-348.

[7] Zong S, Zeng G, Fang Y, et al. The effects of β-zearalanol on the proliferation of bone-marrow-derived mesenchymal stem cells and their differentiation into osteoblasts[J]. J Bone Miner Metab, 2016,34(2):151-160.

[8] Rijsewijk F, Schuermann M, Wagenaar E，et al. The Drosophila homolog of the mouse mammary oncogene int-1 is identical to the segment polarity gene wingless[J]. Cell, 1987,50(4):649-657.

[9] Mccord M, Mukouyama YS, Gilbert MR, et al. Targeting WNT signaling for multifaceted glioblastoma therapy[J]. Front Cell Neurosci, 2017,13(11):318.

[10] 張堯,李曉莉,張巖.維生素D對骨髓基質干細胞成骨分化的分子調控研究進展[J].中國藥理學通報,2016,32(10):1337-1340.

[11] Zhao C, Li Y, Wang X, et al. The effect of uniaxial mechanical stretch on Wnt/β-Catenin pathway in bone mesenchymal stem cells[J]. J Craniofac Surg, 2017,28(1):113-117.

[12] Zhou YJ, Wang P, Chen HY, et al. Effect of pulsed electromagnetic fields on osteogenic differentiation and Wnt/β-catenin signaling pathway in rat bone marrow mesenchymal stem cells[J]. Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban, 2015,46(3):347-353.

[13] 彭旭,張曉梅,魏詩航,等.骨髓間充質干細胞向軟骨及骨分化:Wnt5a/PCP信號通路作用的研究與進展[J].中國組織工程研究,2016,20(51):7717-7723.

[14] Zhao Y, Yi FZ, Zhao YH, et al. The Distinct effects of estrogen and hydrostatic pressure on mesenchymal stem cells differentiation: involvement of estrogen receptor signaling[J]. Ann Biomed Eng, 2016,44(10):1-13.

[15] He G, Guo W, Lou Z, et al. Achyranthes bidentata saponins promote osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells through the ERK MAPK signaling pathway[J]. Cell Biochem Biophys, 2014,70(1):467-473.

[16] Zhang W, Xue D, Hu D, et al. Secreted klotho protein attenuates osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells in vitro via inactivation of the FGFR1/ERK signaling pathway[J]. Growth Factors, 2015,33(5-6):356-365.

[17] Wang CL, Xiao F, Wang CD, et al. Gremlin2 suppression increases the BMP-2-induced osteogenesis of human bone-marrow-derived mesenchymal stem cells via the BMP-2/Smad/Runx2 signaling pathway[J]. J Cell Biochem, 2016,118(2):286-297.

[18] Gu Y, Zhou J, Qin W, et al. Ginsenoside Rg1 promotes osteogenic differentiation of rBMSCs and healing of rat tibial fractures through regulation of GR-dependent BMP-2/SMAD signaling[J]. Sci Rep, 2016,6(4):25282.

[19] Aquino-Martínez R, Artigas N, Gámez B, et al. Extracellular calcium promotes bone formation from bone marrow mesenchymal stem cells by amplifying the effects of BMP-2 on SMAD signalling[J]. PloS One, 2017,12(5):e0178158.

[20] Mohr OL. Character changes caused by mutation of an entireregion of a chromosome in Drosophila[J]. Genetics, 1919,4(3):275-282.

[21] Kang H, Chen H, Huang P, et al. Glucocorticoids impair bone formation of bone marrow stromal stem cells by reciprocally regulating microRNA-34a-5p[J]. Osteoporos Int, 2016,27(4):1493-1505.

[22] Shu B, Zhao Y, Wang Y, et al. Oleanolic acid enhances mesenchymal stromal cell osteogenic potential by inhibition of notch signaling[J]. Sci Rep, 2017,7(1):7002.

[23] Nguyen V, Meyers CA, Yan N, et al. BMP-2-induced bone formation and neural inflammation[J]. J Orthop, 2017,14(2):252-256.

[24] Bae SJ, Kim HJ, Won HY, et al. Acceleration of osteoblast differentiation by a novel osteogenic compound, DMP-PYT, through activation of both the BMP and Wnt pathways[J]. Sci Rep, 2017,7(1):8455.

[25] Mitsui Y, Yasumoto H, Hiraki M, et al. Coordination of bone morphogenetic protein 2 (BMP2) and aberrant canonical Wnt/β-catenin signaling for heterotopic bone formation in adrenal myelolipoma: a case report[J]. Can Urol Assoc J, 2014,8(1-2):104-107.

[26] Wang JY, Chen WM, Wen CS, et al. Du-Huo-Ji-Sheng-Tang and its active component Ligusticum chuanxiong promote osteogenic differentiation and decrease the aging process of human mesenchymal stem cells[J]. J Ethnopharmacol, 2017,198:64-72.

[27] Zuo WH, Zeng P, Chen X, et al. Promotive effects of bone morphogenetic protein 2 on angiogenesis in hepatocarcinoma via multiple signal pathways[J]. Sci Rep, 2016,6:37499.

[28] Xie Z, Wang P, Li Y, et al. Imbalance between bone morphogenetic protein 2 and noggin induces abnormal osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in ankylosing Spondylitis[J]. Arthritis Rheumatol, 2016,68(2):430.

[29] Mouillesseaux KP, Wiley DS, Saunders LM, et al. Notch regulates BMP responsiveness and lateral branching in vessel networks via SMAD6[J]. Nat Commun, 2016,11(7):13247.

[30] Hadji F, Boulanger MC, Guay SP, et al. Altered DNA Methylation of long noncoding RNA H19 in calcific aortic valve disease promotes mineralization by silencing NOTCH1[J]. Circulation, 2016,134(23):1848.

江蘇省自然科學基金面上項目(BK20131417)。

詹秀琴(E-mail: 1543641179@qq.com )

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.48.034

R329.2

A

1002-266X(2017)48-0097-03

2017-09-24)