Wnt/β-連環蛋白信號通路負調節蛋白SOST在類風濕關節炎中的研究進展

王穎旎，武平，余澤蕓，羅云

(成都中醫藥大學 針灸推拿學院，成都 610075)

類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種慢性全身性的自身免疫性疾病，以持續性關節滑膜炎、血管翳形成為典型特征，主要累及小關節，表現為關節疼痛、僵硬、畸形及功能喪失等，可顯著降低患者的生活質量和預期壽命[1-2]。RA的確切病因及發病機制目前尚不完全清楚，主要認為與免疫功能異常、關節滑膜增厚、關節軟骨和骨破壞等因素有關，婦女、吸煙者和有該病家族史的人最易受影響[3]。近年來，與RA有關的骨代謝機制成為研究的熱點。骨代謝的過程主要由骨形成和骨吸收構成，骨代謝動態平衡是維持骨組織正常功能的重要因素之一，若骨代謝失衡，易造成骨損傷。Wnt信號通路主要分為依賴β-連環蛋白(β-catenin)的經典信號通路和不依賴β-連環蛋白的非經典信號通路，2種通路相互協調，調節成骨細胞與破骨細胞的動態平衡，均被認為在骨代謝中發揮重要的作用[4-5]。當成骨細胞和破骨細胞平衡被打破時，則易誘發骨侵蝕和骨破壞，成為RA發病因素之一。經典Wnt信號通路可誘導成骨細胞生成，促進受損骨關節修復，緩解軟骨損傷和骨侵蝕。在RA骨代謝方面，激活經典Wnt信號通路可誘導成骨細胞分化成熟，抑制破骨細胞活動，從而減少骨質破壞[6]。硬化蛋白(sclerostin，SOST)是一種由SOST基因編碼的糖蛋白，主要由礦化基質內的3種終末分化細胞(骨細胞、軟骨細胞及膠質細胞)表達和分泌[7]。SOST作為Wnt信號通路的內源性負調節蛋白日益受到關注，其可作為調控經典Wnt信號通路的潛在治療靶點。本文將探討Wnt/β-連環蛋白/SOST在RA發病機制中的調節作用。

1 Wnt/β-連環蛋白信號通路

Wnt信號通路由Wnt基因調控，Wnt基因源于果蠅胚胎中的無翅基因與鼠類乳腺癌病毒的Int-1原癌基因，因兩者具有同源性，故共同命名為Wnt[8-10]。該通路是由10個G蛋白偶聯受體(G protein coupled receptor，GPCR)同源卷曲蛋白(frizzled，FZD)受體、3個跨膜酪氨酸激酶(酪氨酸激酶受體、酪氨酸激酶樣孤核受體和酪氨酸激酶7)、肌肉骨骼酪氨酸激酶、共同受體低密度脂蛋白相關受體蛋白(low density lipoprotein receptor related protein，LRP)5/6和19個糖基蛋白Wnt配體組成的復雜網絡[11]。Wnt信號通路目前包括3種途徑：Wnt/β-連環蛋白信號通路、Wnt/PCP(JNK)信號通路以及Wnt/Ca2+信號通路[4]。其中，Wnt/PCP(JNK)信號通路和Wnt/Ca2+信號通路為非經典通路，分別由Wnt1和Wnt5介導。Wnt/PCP(JNK)信號通路主要參與細胞骨架組織和上皮細胞的協調極化。Wnt/Ca2+信號通路則參與癌癥、炎癥和神經變性，也可促進骨形成過程中成骨相關轉錄因子的表達[12]。目前研究最多的是經典Wnt信號通路即Wnt/β-連環蛋白信號通路(圖1)，當該通路被激活時，Wnt蛋白與質膜上的FZD在胞外區結合，再與LRP5/6結合形成二聚體來啟動Wnt信號通路，激活胞內的Dvl，使Axin、APC、CK1、GSK3β的蛋白復合物聚集，導致β-連環蛋白去磷酸化，進而誘發其核易位，并激活基因轉錄[4]。研究表明，Wnt蛋白能夠與相應的細胞蛋白受體結合，激活該受體復合物引發一系列細胞內信號的轉導，從而調控癌基因、細胞周期素D1等靶基因的轉錄，影響成骨細胞的分化與成熟[13-14]。目前，研究證據顯示，經典Wnt信號通路在調控骨形成過程中發揮重要作用，激活該通路不僅可以誘導成骨細胞生成，增加骨量，而且也影響破骨細胞的生成[15]。

注：Dvl為蓬亂蛋白(dishevelled)；Axin為使軸抑制蛋白(axis inhibitor)；APC為結腸腺瘤息肉蛋白(adenomatous polyposis coli)；CK1為酪蛋白激酶1(casein kinase 1)；GSK3β為糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β)；TCF為轉錄因子(transcription factor)；LEF為淋巴增強因子(lymphoid enhancer factor)。圖1 Wnt/β-連環蛋白信號通路示意圖

因此，經典Wnt信號通路作為維持關節完整性、調節骨及軟骨代謝的重要途徑之一，在骨骼和關節發育中起著關鍵作用。

2 SOST生物學特性

SOST是位于人類17q12-q21號染色體上的SOST基因編碼的骨細胞分泌蛋白，具有190個氨基酸，屬于糖蛋白家族DAN成員。SOST最早是在硬化性骨化病和范布凱綜合征這2種罕見的常染色體隱性遺傳病中被發現。研究發現，硬化性骨化病與SOST基因突變相關，因其過早終止密碼子及剪接位點突變，從而導致SOST水平降低，表現為進行性骨過度生長[16]。而所有的范布凱綜合征患者都存在52 kb的非編碼區域的缺失，該區域位于SOST基因下游35 kb處，使SOST轉錄和蛋白缺失，從而導致硬骨素生成障礙[17-18]。有研究表明，SOST是一種來源于骨細胞的成骨細胞抑制因子，在新形成的骨細胞的初級礦化時或礦化后產生，以限制成骨細胞的骨形成[19]。因此，SOST作為內源性負調節蛋白，在限制成骨細胞的骨形成方面起著重要作用。

3 SOST對Wnt/β-連環蛋白信號通路的調節機制

Wnt/β-連環蛋白信號通路通過調節成骨細胞活性來控制骨形成，SOST作為該通路的天然抑制因子，對骨形成有重要的調節作用[20]。SOST能夠與LRP5/6結合，阻止Wnt蛋白達到LRP5/6，從而抑制經典Wnt信號通路[21]。此外，SOST也與LRP4結合，LRP4作為低密度脂蛋白受體家族成員之一，是一種位于神經肌肉接點的Agrin受體。與LRP5/6不同的是，SOST與LRP4結合，能增強其對經典Wnt信號通路的抑制作用[22-23]。越來越多的證據表明，SOST已經成為骨骼質量的關鍵負調節因子。通過實驗研究發現，SOST敲除小鼠具有高骨質量表型，其特征是骨密度、骨體積、骨形成和骨強度均顯著增加[24]。目前，針對SOST調節非經典Wnt信號通路的研究甚少，大多是SOST調節經典Wnt信號通路的研究。因此，把SOST作為治療的靶點，減少SOST的過度表達，有助于Wnt蛋白與LRP5/6的結合，進而調控經典Wnt信號的傳遞，改善骨骼質量。

4 Wnt/SOST對RA的調控

Wnt/SOST對RA的調控主要表現在RA骨代謝方面。RA作為一種全身性自身免疫性疾病，其慢性炎癥和骨侵蝕最為常見[25]。在RA關節發炎的微環境中，成骨細胞功能受損，破骨細胞形成導致關節骨侵蝕的發展。炎癥會擾亂骨合成代謝信號的平衡，并對經典Wnt信號通路產生影響。在炎癥消退的情況下，會發生骨形成，導致局灶性關節骨丟失的修復，并伴有經典Wnt信號通路的改變[26]。Wnt/β-連環蛋白通路的下游靶因子——骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是非常強大的生長因子，可通過刺激成骨細胞分化和軟骨細胞分化來誘導骨和軟骨形成。SOST通過結合BMP，阻斷BMP蛋白與其Ⅰ型和Ⅱ型受體結合， 從而阻斷BMP信號通路，抑制骨形成。也有研究發現，SOST通過旁分泌和自分泌途徑拮抗Wnt信號，并選擇性拮抗BMP信號，從而發揮其強大的骨分解代謝作用[27]。故BMP和經典Wnt信號通路是調節成骨細胞分化和功能的重要途徑[28]。但由于SOST與成熟的BMP結合微弱，所以目前認為，SOST可通過直接阻斷經典Wnt信號通路介導對骨形成的抑制作用。當該通路被激活時，Wnt信號通路負調節蛋白SOST不僅可以抑制該途徑，而且可以調節RA的侵蝕過程[26]。

因此，經典Wnt信號通路是RA骨質代謝環節中的關鍵通路之一，尤其是在骨形成和骨吸收中發揮重要作用。

4.1 Wnt/SOST對RA成骨細胞的調控在RA中，骨丟失不僅以局部為表現，而且會出現相應的全身癥狀。在骨丟失過程中滑膜產生促炎因子，既可促進骨吸收，也可刺激經典Wnt信號通路產生可溶性負調節蛋白SOST，抑制成骨細胞增殖、成熟和分化[29]。成骨細胞被激活后，形成一個由Wnt蛋白與FZD及LRP5/6結合的復合物(Wnt-FZD-LRP5/6)，而SOST能夠阻止此復合物的形成，使其分解成碎片[30]。當經典Wnt信號通路負調節蛋白SOST的表達增強時，可與LRP5/6結合，抑制該通路轉導，從而抑制成骨細胞活性，促進成骨細胞凋亡。由此可見，RA中骨代謝的失衡可能是由于SOST與LRP5/6結合，對Wnt信號通路產生拮抗作用而造成的。

另外，在范布凱綜合征患者中未發現SOST基因突變，但在SOST下游35 kb處發現了一個52 kb的缺失，這導致了SOST表達的缺失[17-18]，進一步說明SOST在調節骨形成中具有關鍵作用。研究發現，在小鼠模型中，過度表達SOST可導致骨密度降低[31]，與人類的SOST失活類似，定向敲除SOST基因的小鼠可以增加整個骨骼的骨密度[32]，降低并指的發生率。有研究通過Micro CT分析得出，雄性和雌性SOST敲除小鼠的骨小梁體積和股骨遠端骨小梁厚度均增加了近1倍，SOST敲除小鼠具有高骨質量表型，其特征是骨密度、骨體積、骨形成和骨強度均顯著增加[24]。這些來自SOST敲除小鼠的數據也證實了SOST作為骨形成抑制劑在骨形成中發揮了重要作用。

因此，SOST作為Wnt信號通路內源性負調節蛋白，決定了骨形成的正常程度，從而保護骨骼免受失控生長的不良影響。其表達增加可促使成骨細胞凋亡，抑制骨形成，這可能是RA成骨細胞活性受抑制的主要機制。

4.2 Wnt/SOST對RA破骨細胞的調控破骨細胞是來自單核細胞譜系的巨大多核細胞，是體內唯一具有骨吸收活性的細胞[33]。在RA中，骨細胞數量和活性的增加會導致骨侵蝕，從而使關節功能喪失并產生疼痛。Stolina等[34]在動物研究和人體試驗中發現，作為SOST抗體的硬化素單克隆抗體(sclerostin antibody，Scl-Ab)增加了骨形成，減少了骨吸收標志物，表明骨獲得是增強骨形成和減少骨吸收共同作用的結果，這可能與降低SOST的過度表達有關。相關研究發現，與幼齡小鼠相比，從老齡小鼠骨髓中提取的破骨細胞培養物可產生更高水平的SOST，表明破骨細胞衍生的SOST可能有助于減少隨年齡增長而產生的骨形成[35]。而經典Wnt信號通路是通過直接作用于破骨細胞前體抑制破骨細胞形成的，隨著細胞中β-連環蛋白的減少，破骨細胞數量增加和吸收增強，表明SOST可直接作用于破骨細胞的分化[36]。同時，在骨細胞中SOST的過表達加劇了DMP1-8 kb-caPTHR1小鼠的皮質內重構和破骨細胞的增加[37]，這種增強的骨吸收在雙轉基因DMP1-8 kb-caPTHR1/DMP1-SOST小鼠中伴隨著骨保護素(osteoprotegerin，OPG)表達的顯著下降。OPG是一種分泌型細胞因子，可通過競爭性結合核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)抑制破骨細胞的分化、成熟及骨吸收，最終加速骨質破壞。Spencer等[38]也發現，Wnt信號通路可促進OPG分泌，抑制成骨細胞中RANKL的表達，從而抑制骨吸收。

因此，SOST作為一種關鍵的內源性負調節蛋白，可直接作用于破骨細胞的分化、成熟及骨吸收，影響Wnt信號通路。

Wnt/SOST對RA調控的研究表明，SOST是骨骼內環境穩定的關鍵因子，是骨骼在機械載荷作用下合成代謝反應的必需物質，在成熟的成骨細胞中，失活的Wnt信號通路會降低OPG，并增加破骨細胞分化和骨吸收。相反，激活Wnt信號通路會增加OPG的表達，減少骨吸收[39-40]。SOST主要通過作用于破骨細胞及成骨細胞來解偶聯骨形成和骨吸收。目前研究表明，Scl-Ab可增加骨密度并降低骨質疏松患者的骨折發生率，增加骨膜和骨內膜的面積，逆轉系統性和局部的骨質丟失，促進骨折愈合[41-42]。Chen等[43]在人腫瘤壞死因子轉基因(hTNFtg)小鼠中發現，Scl-Ab雖然不能阻斷關節炎進展，但可阻斷關節炎周圍的骨量丟失，誘導全身骨和軟骨修復。此外，在hTNFtg小鼠中，Scl-Ab完全阻止了骨侵蝕的進展，并且聯合TNF抑制劑可使皮質骨侵蝕顯著消退。由此可以得出，Scl-Ab可以增加骨量和骨修復，是促進炎癥性關節炎骨修復的有力工具。因SOST主要在骨骼中表達，從而使Scl-Ab這種特殊的藥物制劑具有很高的骨細胞靶向性，Scl-Ab的應用可能會通過降低SOST的過度表達，調節SOST對Wnt/β-連環蛋白信號通路的抑制作用，減少RA患者關節的骨質破壞，延緩病情進展。

綜上所述，在RA病程進展中，骨形成和骨吸收需保持相應的動態平衡才能延緩關節損傷。而SOST作為Wnt/β-連環蛋白信號通路的內源性負調節蛋白，通過抑制成骨細胞活性，使骨形成減少，并通過誘導破骨細胞分化，使骨吸收加強。其表達的下調，對延緩骨代謝疾病的發生、發展有著積極作用。因此，對內源性負調節蛋白SOST的研究有助于為臨床治療RA提供新的思路。