ERK5 信號通路與骨質疏松癥關聯性的研究進展＊

王 瑛，耿 彬

（1.蘭州大學第二醫院放射影像科，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州大學第二醫院骨一科，甘肅 蘭州 730030）

骨質疏松癥（Osteoporosis，OP）屬于代謝障礙性全身性骨病，其在老年群體中有較高發病率，常引發骨脆性升高并顯著增加骨折風險。OP 的病因主要是成骨細胞的分化及總量不斷減少而凋亡，最終抑制了骨形成，即成骨細胞的凋亡在OP 發生及發展過程中發揮著重要作用[1]。骨組織內的骨基質如果出現小幅度彎曲則會引發細胞外基質發生流動，這時在骨細胞的表面就生成由液體流動引發的復雜生理性反應，即流體剪切應力（Fluid Shear Stress，FSS），FSS 是機體維持正常骨量不可或缺的，其通過產生某些生物學信號通路抑制成骨細胞凋亡以影響OP 的發生[2]，其中ERK5 信號通路是目前研究熱點。Ding 等[3]研究結論提示，在FSS 對成骨細胞凋亡抑制機制中ERK5 信號通路被激活，其可抑制成骨細胞凋亡信號的傳導而發揮抑制OP 的作用。研究就ERK5 信號通路與OP 之間關聯性相關機制做一綜述。

1 ERK5 的生物學功能

ERK5 是于1995 年被Lee 等[4]團隊在人胎盤素c DNA 庫中發現，屬于MAPK 基因一員，即MAPK7并命名為ERK5 基因，共包含816 個氨基酸，其中激酶區域共有MEK5 結合區域、MEK5 磷酸化位點和共同對接區域（CD）3 個部分，在心臟、胎盤、骨骼肌、腎臟內大量表達；相比其他MAPK 激酶，ERK5羧基端結構巨大，這一特征決定ERK5 可通過自我磷酸化而直接對基因表達進行調節。當機體存在刺激因素時（如氧化應激、機械刺激、高滲環境以及各種炎性因子、細胞因子等）或者某些病理生理條件下（如局部缺血缺氧、FSS 等）ERK5 可被激活。有相關研究已證實，ERK5 在維持血管內皮細胞功能、血管再生、神經系統發育、腫瘤細胞侵襲及增殖、誘導疼痛等方面均密切相關[5-7]；且ERK5 在骨質的吸收與形成中乃至OP 的發生中亦發揮重要作用。

2 ERK5 與FSS 的促成骨細胞增殖關系

力學環境對骨組織維持正常功能具有極重要影響，臨床實踐中在適宜應力作用下能促使骨折痊愈并防止發生OP，而機械應變力中的FSS 與骨細胞有著最為緊密的關聯。有研究證實，MAPK 信號通路能夠被FSS 激活，且參與到FSS 對成骨細胞的調節機制中[8]。作為MAPK 信號通路中的一員ERK5 對力學信號也很敏感，亦能被FSS 激活，Zhang 等[9]研究也證實FSS 可通過激活ERK5 信號通路而發揮促成骨細胞增殖的作用，他們發現FSS 能使細胞骨架結構重組而激活FAK 信號通路，最終激活ERK5信號通路。Xia 等[10]發現當ERK5 磷酸化受到抑制而引發成骨細胞內Cyclin D1、AP-1 基因表達下調，而降低了成骨細胞增殖活性，FSS 具備可促進MC3T3-E1 細胞內的ERK5 發生磷酸化，即FSS 通過ERK5 信號通路上調Cyclin D1、AP-1 基因表達，共同加入到刺激成骨細胞增殖的機制中。另有研究結果提示，當ERK5 信號通路被FSS 激活之后，使骨組織中堿性磷酸酶活性進一步升高，同時促進骨橋蛋白、骨鈣素的表達，后兩者在骨重塑中具有重要的作用[11]。楊全增等[12]研究成骨細胞增殖相關機制時發現，FSS 通過激活ERK5 信號通路而誘導環氧合酶-2 基因表達，該基因在成骨細胞信號傳導、骨質吸收、骨骼重建等均發揮重要作用。

3 ERK5 與FSS 的抑制成骨細胞凋亡關系

（1）FSS 通過ERK5-Bad-Caspase-3 信號通路抑制成骨細胞的凋亡。董冰子等[13]研究認為，由TNF-α 所誘導的成骨細胞凋亡可被FSS 所抑制，而在FSS 發揮抗凋亡機制中ERK5 信號通路是必須的，ERK5 有很多的下游信號，其中Bad 是其中重要的下游靶分子。FSS、磷酸化的ERK5 所產生的抗細胞凋亡機制與Bad 磷酸化關聯密切，加載FSS之后明顯增加ERK5 的磷酸化，進一步刺激Bad 被磷酸化而發揮抑制成骨細胞凋亡（由TNF-α 誘導）的作用；但當ERK5 活性被抑制以后，Bad 磷酸化程度隨之被減弱，反而促使了成骨細胞出現凋亡（由TNF-α 誘導）[14]。Ma 等[15]報道證實FSS 經過促使ERK5 磷酸化而繼續促使Bad 磷酸化，接下來就啟動了成骨細胞內線粒體的抑制凋亡途徑，該途徑又抑制Caspase-3 活性，最終完成抗成骨細胞凋亡的效應。

（2）FSS 通過ERK5-AKT-FoxO3a-FasL/Bim 信號通路抑制成骨細胞凋亡。Ye 等[16]研究證實，在FSS 的刺激下，能連續激活MEKK2/3、MEK5、ERK5信號通路，在ERK5 激活后可被轉移細胞核之內，繼續激活AKT、FoxO3a，使其磷酸化，FoxO3a 在被磷酸化后就在細胞漿內處于隔離狀態，進而降低其下游的前凋亡相關蛋白（如FasL、Bim）的表達水平，最終因降低了Caspase-3 水平而誘導成骨細胞凋亡效應下降。可見FSS 在激活ERK5 磷酸化后增加AKT、FoxO3a 活性，如AKT、FoxO3a 信號通路被ERK5 阻斷則能抵消掉FSS 的抗成骨細胞凋亡效應。

4 ERK5 在OP 中作用

在維持骨組織量中ERK5 活性是否必須，Min 等[17]進行研究加以證實，通過對ERK5 抑制劑(XMD8-92)的檢測驗證ERK5 與OP 之間的聯系，結果提示在ERK5 磷酸化被XMD8-92 抑制后發現就一個輕度OP 的發生，同時在ERK5 失活后能明顯加速形成。耿彬等[18]動物實驗結果提示，實驗小鼠股骨的成骨細胞內ERK5 信號通路被XMD8-92 抑制后，小鼠骨組織量明顯下降同時地塞米松誘導的OP 也明顯加快。究其原因是XMD8-92 顯著影響小鼠經地塞米松干預后骨組織內破骨細胞前體細胞膜受體配體與骨保素間的比例，使破骨細胞前體細胞膜受體配體/骨保素比值升高，由此激發破骨細胞功能病使得骨吸收顯著加快，而最終導致OP 發生。另外XMD8-92 還能通過抑制ERK5 磷酸化而上調FasL表達水平、下調Cyclin B1、CDK1 表達水平，而促使成骨細胞發生凋亡；同時XMD8-92 和/或地塞米松干預后顯著提高小鼠骨組織中脂肪細胞含量，而成骨細胞的分化則顯著降低；這些機制綜合作用降低小鼠骨細胞量最終導致OP 發生及發展。

5 小結

ERK5 信號通路在OP 發生及發展中發揮極其重要的作用，尤其在成骨細胞的增殖、凋亡機制中更是不可或缺。ERK5 信號通路參與了成骨細胞增殖機制，如ERK5-Cyclin B1-CDK1 信號通路受到抑制則降低成骨細胞的增殖活性，能促進OP 發生；ERK5 信號通路也參與了成骨細胞凋亡機制，如ERK5-Bad-Caspase-3 信號通路及ERK5-AKTFoxO3a-FasL/Bim 信號通路被抑制后則能顯著促進成骨細胞凋亡，就加重OP 發展。