OPG/RANKLlRANK信號通路在骨質(zhì)疏松癥患者骨重建中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

譚敏，楊顏瑜，熊琴，張全波

(1川北醫(yī)學(xué)院，四川南充637000；2川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院)

骨質(zhì)疏松癥(OP)是最常見的骨代謝性疾病，主要特征為骨密度降低、骨微結(jié)構(gòu)破壞、骨強(qiáng)度下降、骨折風(fēng)險增高。OP可分為原發(fā)性和繼發(fā)性兩型，絕經(jīng)后OP和老年性O(shè)P是常見的原發(fā)性O(shè)P，又被稱為退行性O(shè)P。研究[1]發(fā)現(xiàn)，OP的發(fā)病與年齡有關(guān)。中國人口老齡化日趨明顯[2],人口老齡化將導(dǎo)致OP發(fā)病病進(jìn)一步上升。骨的生長發(fā)育、成熟后骨的維持與修復(fù)以及骨組織中鈣離子的輸出均依賴于一個動態(tài)過程，即骨重建。正常生理環(huán)境下，破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收和成骨細(xì)胞街道的的骨形成保持在一個平衡狀態(tài)，以維持骨骼系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)[3]。骨吸收和骨形成之間的平衡紊亂將會導(dǎo)致疾病的發(fā)生，如骨吸收大于骨形成時將導(dǎo)致骨質(zhì)疏松或骨質(zhì)破壞。破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞間的活動受成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的直接作用、骨代謝的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)和骨細(xì)胞的局部相互作用三個途徑的調(diào)控。當(dāng)骨吸收和骨形成的平衡紊亂時可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的產(chǎn)生。成骨細(xì)胞、骨髓基質(zhì)細(xì)胞、激活的T淋巴細(xì)胞表達(dá)RANKL，與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞或成熟破骨細(xì)胞表面上的RANK結(jié)合后，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化及骨吸收活性。成骨細(xì)胞及骨髓基質(zhì)細(xì)胞分泌表達(dá)OPG，而TNF-TNFR超家族蛋白核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)和核因子-κB受體活化因子(RANK)是涉及破骨細(xì)胞發(fā)育和骨重建的關(guān)鍵因素，它們在介導(dǎo)骨穩(wěn)態(tài)以及骨破壞中具有重要作用[4]。RANKL與其受體RANK的結(jié)合促進(jìn)破骨細(xì)胞的生存、增殖、分化、活化。骨保護(hù)素(OPG)被認(rèn)為是防止骨流失的保護(hù)因子，其作為RANKL的誘餌受體，通過與RANKL結(jié)合并阻止RANK信號傳導(dǎo)而起到誘餌受體的作用。現(xiàn)將OPG/RANKL/RANK信號通路在調(diào)控骨重建三個途徑？的作用機(jī)制綜述如下。

1 OPG/RANKL/RANK信號通路的作用

OPG也被稱為破骨細(xì)胞生成抑制因子(OCIF),是一種可溶性腫瘤壞死因子受體超家族成員，其分別與RANKL和腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TRAIL)相結(jié)合，發(fā)揮生物學(xué)作用，并具有與CD40相似的結(jié)構(gòu)域，因此，它能夠與CD40配體結(jié)合，介導(dǎo)免疫相關(guān)作用。OPG在成骨細(xì)胞中的表達(dá)受激素、細(xì)胞因子和生長因子(如雌激素，1,25(OH)2D3和腫瘤壞死因子)的調(diào)節(jié)。骨轉(zhuǎn)換過程中OPG可作為RANKL的假受體，沒有受體活性，其與RANKL結(jié)合后，能阻斷RANKL/RANK信號通路，從而抑制破骨細(xì)胞分化與成熟。最新研究[5]表明，OPG可通過自噬相關(guān)基因和AMPK/mTOR/p70S6K信號傳導(dǎo)抑制破骨細(xì)胞分化和骨吸收。

RANKL是核因子腫瘤壞死因子超家族成員，其在包括骨、骨髓以及淋巴組織在內(nèi)的許多組織中表達(dá)，主要表達(dá)于巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞、活化的T淋巴細(xì)胞等。維生素D3、甲狀旁腺激素和炎性細(xì)胞因子等破骨細(xì)胞生成因子均可調(diào)節(jié)RANKL表達(dá)。當(dāng)成骨細(xì)胞活化時，RANKL表達(dá)上調(diào)，通過與RANK結(jié)合，刺激破骨細(xì)胞分化，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞功能，間接調(diào)節(jié)骨量。Tsukasaki等[6]通過體外及體外實驗表明，RANKL是目前誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的最重要的分子。

RANK是RANKL的信號受體，屬于腫瘤壞死因子受體家族，含有616個氨基酸同源跨膜蛋白。RANK主要表達(dá)于單核-巨噬細(xì)胞系。骨骼系統(tǒng)中RANK主要表達(dá)于破骨細(xì)胞前體細(xì)胞和成熟的破骨細(xì)胞表面表達(dá)，它是RANKL發(fā)揮促破骨細(xì)胞分化作用的唯一已知受體，RANKL與RANK結(jié)合，RANK信號通路活化，能維持破骨細(xì)胞活性，抑制破骨細(xì)胞凋亡，刺激成骨細(xì)胞生長[7]。

2 OPG/RANKL/RANK信號通路在成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞分化及活化中的調(diào)控作用機(jī)制

RANK通過激活其下游的信號傳導(dǎo)通路使破骨細(xì)胞表達(dá)相應(yīng)的特異性基因，以促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、活化，抑制破骨細(xì)胞的凋亡。由于RANK胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中沒有內(nèi)在酶活性,因此，RANK通過招募如腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(TRAFs)等對接蛋白來啟動轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號。TRAF2、TRAF5、TRAF6可與RANK的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中的特定位點(diǎn)結(jié)合并激活下游分子，其中TRAF6是破骨細(xì)胞分化最為關(guān)鍵的結(jié)合位點(diǎn)[8]，相反，TRAF3負(fù)向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化[9]。

在RANK信號傳導(dǎo)的起始階段，RANK與RANKL結(jié)合導(dǎo)致對接蛋白TRAFs募集至RNAK的三聚化細(xì)胞質(zhì)尾部(TRAFs依賴性基序1、2、3)并快速激活下游多條信號通路，其中最主要的是激活NF-κB通路,抗凋亡絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt/PKB通路及絲裂原活化蛋白激酶MAPK(MAPK)通路[10]。轉(zhuǎn)化生長因子β激活性激酶1(TAK1)通過介導(dǎo)NF-κB和MAPKs通路在RANK信號傳導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用。RANK在RANKL刺激下，其胞質(zhì)部分與TRAFs結(jié)合，并與TAK1結(jié)合蛋白(TABs)組成復(fù)合物，共同激活TAK1。在TAK1缺陷的巨噬細(xì)胞中，RANKL誘導(dǎo)的NF-κB和MAPK通路的JNK的活化均被抑制[11]。各種信號通路激活的精確信號機(jī)制尚未完全闡明，其主要參與的信號通路包括：NF-κB通路NF-κB家族的轉(zhuǎn)錄因子由五個成員組成(p50,p52,RelA,RelB和c-Rel)，其激活主要通過經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。在經(jīng)典途徑中，TAK1激活由IκB激酶(IKK)復(fù)合物，IKK復(fù)合物由IKKα、IKKβ和NEMO組成，激活的IKK復(fù)合物促進(jìn)NF-κB抑制物(IκB)磷酸化，使其從NF-κB上脫落，并被泛素化、降解，使NF-κB由抑制狀態(tài)被激活，導(dǎo)致NF-κB的P50/RelA二聚體入核，促進(jìn)靶基因的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄從而使前體細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞。非經(jīng)典途徑中，IKK復(fù)合物為IKKα/IKKα，其由NF-kB誘導(dǎo)激酶(NIK)激活，使NF-κB的P52/RelB二聚體入核并激活靶標(biāo)基因。MAPK通路主要包括c-Jun氨基末端激酶(JNK)、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)和p38三條通路。RANK/TRAF6/TABs/TAK1復(fù)合物通過活化不同的蛋白激酶，如MKK4/MKK7、MEK1/MEK2、MKK3/MKK6，而相應(yīng)激活JNK、ERK和p38，促進(jìn)細(xì)胞表達(dá)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子。JNK和ERK通路主要促進(jìn)活化蛋白(AP-1)的表達(dá)，AP-1由Fos蛋白家族(c-Fos,FosB,Fra-1,and Fra-2)，Jun蛋白家族(c-Jun, JunB, and JunD)、和ATF蛋白家族(ATFa, ATF2, ATF4, and B-ATF)組成。雖然在生理情況下AP-1二聚體的精確成分尚未確定，但c-Fos和c-Jun蛋白組成的AP-1二聚體在破骨細(xì)胞分化中具有關(guān)鍵作用。而p38通路則通過激活mi/Mitf轉(zhuǎn)錄因子以調(diào)控抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)和組蛋白酶K(CTSK)的基因。Akt/PKB通路TRAF6與原癌基因Src的表達(dá)產(chǎn)物Src蛋白結(jié)合,Src刺激磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K),后者使Akt活化，從而促進(jìn)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的活化來抑制破骨細(xì)胞凋亡，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞骨架重排，促進(jìn)其存活。

在RANK信號傳導(dǎo)的中間階段，作為RANK的重要下游靶點(diǎn)之一的活化T細(xì)胞核因子c1(NFATc1)被誘導(dǎo)。在破骨細(xì)胞前體細(xì)胞中，NFATc1被Ca2+依賴性鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶去磷酸化，使其從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核以啟動轉(zhuǎn)錄，鈣螯合劑或鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶抑制劑如環(huán)孢素和他克莫司通過抑制NFATc1強(qiáng)烈抑制破骨細(xì)胞分化[12]。NFATc1缺陷型胚胎干細(xì)胞在RANKL刺激反應(yīng)中不能分化成破骨細(xì)胞，并且在沒有RANKL信號傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上，NFATc1的異位表達(dá)導(dǎo)致前體細(xì)胞產(chǎn)生有效分化。因此，NFATc1可能代表了調(diào)節(jié)RANKL下游信號通路的破骨細(xì)胞終末分化的主開關(guān)[13]。而最近有研究表明，在破骨細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)RANKL/RANK介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路中NFATc1不是唯一至關(guān)重要的，MYC通過依賴和獨(dú)立于NFATc1的機(jī)制而作為介導(dǎo)破骨細(xì)胞中RANKL/RANK信號傳導(dǎo)的重要分子[14]。

在RANK信號傳導(dǎo)的后期階段，誘導(dǎo)的NFATc1通過自我擴(kuò)增并與其它轉(zhuǎn)錄因子共同作用激活并誘導(dǎo)破骨細(xì)胞特異性基因，例如TRAP、CTSK和破骨細(xì)胞相關(guān)受體(OSCAR)的表達(dá)，使其編碼與破骨細(xì)胞分化、融合和功能相關(guān)的蛋白質(zhì)介導(dǎo)完成分化過程。

RANK還具有TRAF非依賴性基序IVVY(535-538)，IVVY基序?qū)τ赥NF/IL-1介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成具有關(guān)鍵作用，且與TRAF結(jié)合基序協(xié)同促進(jìn)破骨細(xì)胞生成[15]。。

3 OPG/RANKL/RANK信號通路對雌激素水平、骨代謝的調(diào)控作用機(jī)制

雌激素是一種重要的骨量調(diào)節(jié)劑，在維持骨骼完整性特別是女性骨量方面起著重要作用。雌激素缺乏是絕經(jīng)后OP的主要病因，同時血清雌激素生物利用度的降低也是老年男性骨質(zhì)量和骨質(zhì)流失的重要因素[16]。迄今為止，雌激素直接作用于抗骨吸收的作用靶點(diǎn)仍然未知[17]。雌激素通過與破骨細(xì)胞中的雌激素受體(,ERα)結(jié)合，降低RANKL/RANK下游信號通路中c-jun的活性，同時激活的ERα與支架蛋白BCAR1結(jié)合，形成ERα/BCAR1復(fù)合物抑制RANKL刺激的人單核/巨噬細(xì)胞的破骨細(xì)胞分化，并隔離TRAF6導(dǎo)致NF-κB激活減少和RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成受損[18，19]。在許多植物性雌激素治療OP的研究探討中也證實了這一點(diǎn)，如毛蕊異黃酮通過抑制NF-κB和MAPKs的活化來下調(diào)NFATc1和c-Fos的表達(dá)水平，從而抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化[20]。體內(nèi)和體外研究[21]還發(fā)現(xiàn)雌激素缺乏可導(dǎo)致T和B淋巴細(xì)胞增加，從而使RANKL的表達(dá)上升以激活破骨細(xì)胞、抑制破骨細(xì)胞的凋亡。研究[22]證實,骨細(xì)胞RANKL是雌激素缺乏引起骨吸收增加的所必需的因素，且骨髓上清液中可溶性RANKL蛋白的含量隨雌激素缺乏而增加。OPG的表達(dá)強(qiáng)烈地依賴于雌激素，雌激素可直接刺激人成骨細(xì)胞系中的OPG表達(dá)。在絕經(jīng)后婦女中，雌激素的缺失導(dǎo)致成骨細(xì)胞與骨髓基質(zhì)細(xì)胞表面的OPG表達(dá)降低，RANKL活性相對升高，最終導(dǎo)致骨轉(zhuǎn)換和骨吸收增加[23]。同時，應(yīng)用植物性雌激素治療后OPG mRNA表達(dá)升高，RANKL mRNA表達(dá)降低也證實了這一點(diǎn)[24]。此外，雌激素可經(jīng)雌激素受體信號途徑抑制炎癥因子的表達(dá)，雌激素缺乏可上調(diào)促炎性細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素-1(IL-1)、(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等間接發(fā)揮對破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收作用[25]。因此，無論是雌激素與破骨細(xì)胞表面上雌激素受體結(jié)合發(fā)揮對破骨細(xì)胞的直接調(diào)控，還是與成骨細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞相互作用發(fā)揮對破骨細(xì)胞的間接調(diào)控，OPG/RANKL/RANK信號通路均發(fā)揮了重要作用。

4 OPG/RANKL/RANK信號通路在骨代謝免疫調(diào)節(jié)中的作用機(jī)制

表達(dá)于T、B淋巴細(xì)胞表面的RNAKL，介導(dǎo)二者的分化、調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)穩(wěn)態(tài)而參與中樞免疫耐受的建立、結(jié)合樹突狀細(xì)胞(DC)表面的RNAK促進(jìn)其存活，并參與胸腺髓質(zhì)和淋巴結(jié)免疫器官的發(fā)生，缺乏RANKL的小鼠表現(xiàn)出淋巴結(jié)器官發(fā)生缺陷[26]。同時，在許多自身免疫性和炎癥性疾病、HIV感染、多發(fā)性骨髓瘤、骨轉(zhuǎn)移性腫瘤等疾病的全身性反應(yīng)中，普遍存在骨質(zhì)丟失的現(xiàn)象。因此人們開始推測免疫系統(tǒng)與骨之間的關(guān)系，并提出了"骨免疫學(xué)"概念，認(rèn)為RNAKL是連接兩系統(tǒng)的重要分子之一。在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、牙周炎等自身免疫性和炎癥性疾病中，活化的T淋巴細(xì)胞表達(dá)RANKL直接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成導(dǎo)致骨破壞，同時產(chǎn)生TNF-α、IL-l、IL-6和IL-ll等促炎性細(xì)胞因子，促進(jìn)成骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞RANKL的表達(dá)間接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成介導(dǎo)骨丟失。因此T細(xì)胞通過直接表達(dá)RANKL或間接地通過促炎細(xì)胞因子介導(dǎo)非T細(xì)胞中RANKL的表達(dá)在關(guān)節(jié)炎和炎性骨溶解的疾病中介導(dǎo)骨損失和關(guān)節(jié)破壞[27]。在活化的T細(xì)胞亞群中，Th17細(xì)胞是唯一的破骨細(xì)胞生成性Th亞群,已成為包括OP在內(nèi)的各種骨病發(fā)生的主要參與者之一[28]。Th17細(xì)胞通過分泌IL-17誘導(dǎo)成骨細(xì)胞上RANKL表達(dá)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，同時刺激免疫細(xì)胞產(chǎn)生包括TNF-α、IL-1和IL-6在內(nèi)的多種炎性細(xì)胞因子激活RANK信號進(jìn)一步促進(jìn)破骨細(xì)胞生成。相對于Th17細(xì)胞，CD4+T細(xì)胞亞群的Treg細(xì)胞已被證明是能夠抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成，其作用機(jī)制目前尚不明確。因此，Treg細(xì)胞和Th17細(xì)胞之間的平衡可能在調(diào)節(jié)骨質(zhì)破壞中起關(guān)鍵作用。除了T細(xì)胞外，B細(xì)胞通過表達(dá)OPG、RANKL參與骨調(diào)節(jié)。B細(xì)胞表達(dá)OPG降低、RANKL增加，導(dǎo)致RANKL/OPG比例失衡，是HIV感染的動物模型和人類體內(nèi)骨質(zhì)流失和骨折風(fēng)險增加的主要原因[29]。

慢性低度炎癥水平是生物衰老的主要特征[30]。IL-1、IL-6、TNF-α等促炎性細(xì)胞因子可能在絕經(jīng)后OP與老年性O(shè)P中發(fā)揮重要作用。這些促炎性細(xì)胞因子介導(dǎo)的骨吸收與RNAKL密切相關(guān)。IL-1、IL-6和TNF-α不僅通過在骨炎癥部位釋放刺激成骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)而間接誘導(dǎo)破細(xì)胞形成，而且可直接通過錨定它們在骨髓破骨前體細(xì)胞上的受體誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化[26]。

綜上所述，骨重建受破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞間的活動受成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的直接作用、骨代謝的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)和骨細(xì)胞的局部相互作用調(diào)控。OPG/RANKL/RANK信號通路可通過調(diào)控骨重建三個途徑參與OP的發(fā)生、發(fā)展。