低密度脂蛋白受體相關蛋白5調節骨量的作用機制及其影響因素研究進展

牛娜，王麗，楊娓霞，趙乃倩

1山西醫科大學第二臨床醫學院內分泌科，太原 030001；2山西醫科大學第二臨床醫學院老年科

骨質疏松癥是以骨密度降低、骨組織微結構破壞和骨折風險增加為特征的一種多因素疾病。遺傳學研究表明，高達80%的骨密度群體變異是由遺傳因素決定的［1］。研究顯示，低密度脂蛋白受體相關蛋白5（LRP5）基因突變是骨質疏松—假性神經膠質瘤綜合征（OPPG）和常染色體顯性高骨量表型相關疾病的發病基礎［1-2］。LRP5是一種細胞表面信號轉導受體，由1 615個氨基酸組成，可分為胞外結構域、跨膜結構域和胞內結構域三部分［1］：氨基端胞外結構域依次由信號肽、四個YWTD型β螺旋槳結構域和三個LDLR配體結合基序組成；跨膜結構域是由23個氨基酸組成的一重跨膜結構域；羧基端胞內結構域含有207個氨基酸，含有16%的脯氨酸殘基、15%的絲氨酸殘基和5個重復的PPP（S/T）P基序［3-4］。有研究指出，LRP5基因突變可能是骨質疏松癥的重要原因［5-6］。在部分原發性骨質疏松癥而無眼部病變的兒童和成人患者中，存在LRP5基因雜合錯義突變。LRP5單核苷酸多態性與年輕人群的骨密度改變密切相關，并可能最終影響峰值骨量的獲得；在老年人群中，LRP5基因突變與骨質疏松性骨折密切相關［7］。因此，LRP5可能是一般人群骨質疏松癥的易感基因。了解LRP5調節骨量的機制及其影響因素，有助于開發評估骨質疏松癥、骨折風險的遺傳標志物，研發防治骨質疏松癥和其他低骨量疾病的新方法。現就LRP5調節骨量的作用機制及其影響因素相關研究進展綜述如下。

1 LRP5調節骨量的機制

1.1 LRP5激活經典的Wnt/β-catenin信號通路在細胞膜上，配體蛋白質Wnt與LRP5和Frizzled受體家族成員結合，誘導LRP5和Frizzled胞內結構域發生構象變化。變構的LRP5胞內結構域募集Frat1、Axin、結腸腺瘤樣息肉（APC）和糖原合成酶激酶（GSK）-3β等胞內蛋白，形成Frat1-Axin-APCGSK-3β蛋白復合體。其中，Axin充當支架結構，Frat1為GSK-3β結合蛋白，可抑制GSK-3β的活性。變構的Frizzled胞內結構域募集Dissheveled，后者也可抑制GSK-3β的活性。GSK-3β活性抑制可抑制β-catenin磷酸化，使得β-catenin不能與Axin、APC和GSK-3β形成Axin-APC-GSK-3β-β-catenin降解蛋白復合體，使β-catenin免于被蛋白酶體降解。β-catenin在細胞質中蓄積并轉位至細胞核，與轉錄因子T細胞因子/淋巴增強因子相互作用，調節堿性磷酸酶和間隙連接蛋白等靶基因的轉錄［3，8］。LRP5/Wnt/β-catenin信號通路組成及信號轉導模式見圖1。

圖1 LRP5/Wnt/β-catenin信號通路組成及信號轉導模式（改編自參考文獻［3］）

骨經典Wnt/β-catenin效應的靶細胞主要是成骨細胞，可調節骨內膜和骨髓基質內間充質始祖細胞向成骨細胞定型和分化，并影響成骨細胞的增殖和功能，進而調節骨形成和骨重塑［9］。此外，成骨細胞經典Wnt/β-catenin信號通路的靶基因骨保護素也是NF-κB受體活化因子（RANKL）的誘餌受體，通過與RANKL的相互作用阻斷破骨細胞的RANKL骨分解代謝通路，進而抑制破骨細胞的分化和功能。這表明成骨細胞經典Wnt/β-catenin信號通路對破骨細胞的分化和功能具有間接的調節作用［10］。

值得注意的是，成骨細胞經典Wnt/β-catenin效應主導的骨形成和骨重塑過程離不開能量代謝的支持。成骨細胞經典Wnt/β-catenin信號通路的活化可誘導脂肪酸β氧化所需關鍵酶的表達，通過增強成骨細胞的脂肪酸β氧化促進骨形成和骨重塑，同時伴有全身脂肪酸β氧化增強引起的機體脂肪減少、能量消耗增加及血甘油三酯和游離脂肪酸水平下降等表現［11-12］。LRP5和Wnt也可以β-catenin非依賴的方式激活成骨細胞內重要的信號轉導分子Rac1，進而激活其下游的mTORC2/AKT信號轉導通路，誘導糖酵解關鍵酶的表達，通過增強有氧糖酵解促進骨形成和骨重塑，上調血清乳酸水平［11，13］。

1.2 LRP5抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路5-羥色胺（5-HT）是一種單胺類神經遞質，不能通過血腦屏障，其對骨量的調節作用因合成部位不同而異，中樞部位的5-HT可促進骨形成，而外周部位的5-HT可抑制骨形成［14］。中樞部位的5-HT是由腦干中縫核的突觸前神經元合成的，其對骨量的調節作用不依賴于LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路。大部分外周5-HT是由十二指腸內特化的神經內分泌細胞腸嗜鉻細胞合成的［14］。LRP5可抑制腸嗜鉻細胞中催化5-HT合成的限速酶色氨酸羥化酶1（TPH1）表達，抑制5-HT的合成，使外周5-HT水平降低。而外周5-HT可與成骨細胞前體細胞上的5-HT受體1B（5-HTR1B）結合，通過調節轉錄因子叉頭框蛋白O1（FOXO1）與cAMP反應元件結合蛋白（CREB）結合及FOXO1與激活轉錄因子4（ATF4）結合之間的平衡，調節FOXO1的轉錄活性。FOXO1與CREB結合可促進骨形成，FOXO1與ATF4結合則抑制骨形成。外周5-HT的增加通過抑制FOXO1與CREB的結合，增強FOXO1與ATF4的結合，抑制細胞周期蛋白D1、D2、E3等靶基因表達，從而抑制成骨細胞增殖和骨形成［14-18］。LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路組成及信號轉導模式見圖2。

圖2 LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路組成及信號轉導模式

2 LRP5調節骨量作用的影響因素

2.1 LRP5/Wnt/β-catenin信號通路的影響因素LRP5是經典Wnt/β-catenin信號通路調節骨量的關鍵因子，LRP5表達水平會對其骨量調節功能產生影響。LRP5在人結直腸癌組織中的表達受LRP5基因啟動子甲基化的調控。腫瘤壞死因子受體相關蛋白1可通過降低LRP5基因啟動子甲基化水平從而誘導LRP5表達［19］，但這一調控機制在成骨細胞中的作用尚不明確。在LRP5 TSS下游的+19 kb區域有維生素D受體的反應元件（VDRE），VDRE與VDR和維甲酸X受體（RXR）形成的異源二聚體結合后具有基因轉錄功能。1，25-二羥維生素D3［1，25-（OH）2D3］可通過誘導VDR/RXR異源二聚體的形成，促進成骨細胞LRP5表達［20-21］。

LRP5的不同結構域具有結合不同調節蛋白的特性，這些調節蛋白是調節LRP5/Wnt/β-catenin信號通路的重要因素［1，3，8，22］。Wnt是LRP5的配體，與LRP5的第二β螺旋槳結構域結合以啟動信號轉導。中胚層發育蛋白（MESD）可能是一種主要與LRP5第一β螺旋槳結構域相互作用的伴侶蛋白，可促進LRP5由細胞質向細胞膜轉運，是LRP5定位至細胞膜所必需的。Dickkopf1（DKK1）和骨硬化蛋白（Sclerostin）是兩種糖蛋白，DKK1可與LRP5第三β螺旋槳結構域結合，同時與Kremen受體結合形成三聚體，誘導LRP5快速內吞并從質膜上去除，減少細胞膜上的LRP5，抑制Wnt信號向胞內傳遞。Sclerostin可與LRP5的第一和第二β螺旋槳結構域結合，使Wnt配體與LRP5結合受阻，進而抑制Wnt/βcatenin信號轉導。LRP5胞內結構域可結合Axin和Frat1以促進Wnt信號在胞內傳遞［23］。LRP5胞內結構域中的PPP（S/T）P基序是Axin的結合位點。LRP5羧基末端47個氨基酸構成的區域包含三個重復的PPP（S/T）P基序，但這些PPP（S/T）P基序并不參與LRP5與Frat1的結合，這一區域中1 569～1 588氨基酸殘基構成的亞區域是Frat1的結合位點。Frat1可通過使Axin與GSK-3β解離，抑制GSK-3β的活性，進而減少β-catenin的降解。

迄今為止，OPPG相關LRP5功能缺失型突變分布于LRP5蛋白的各個結構域，但超過90%的突變位于胞外結構域［24］。LRP5有害突變可導致體內無法合成LRP5蛋白或合成截短的LRP5蛋白，使Wnt信號無法向胞內傳遞，進而引起低骨量改變。LRP5有害突變也可損傷LRP5的結構與功能。LRP5結構改變可能影響LRP5與MESD的結合，LRP5不能有效向細胞膜轉運，使細胞膜上的LRP5不能達到應有的數量，導致Wnt信號活性減弱。LRP5結構改變還可能影響LRP5與Wnt配體的結合，導致Wnt信號活性減弱。LRP5功能獲得型突變均位于第一β螺旋槳結構域，可能通過減少LRP5與Sclerostin或DKK1的結合，削弱Sclerostin或DKK1對Wnt信號的拮抗作用，導致骨形成增加［24］。

2.2 LRP5/5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的影響因素誘導LRP5表達的因素可抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路，促進成骨細胞增殖和骨形成。TPH1抑制劑LP533401不易通過血腦屏障，主要作用于腸嗜鉻細胞，通過減少外周5-HT的合成促進成骨細胞增殖，從而治療卵巢切除小鼠和LRP5缺乏小鼠的骨質疏松癥［25］。選擇性5-HT再攝取抑制劑（SSRIs）通過抑制5-HT轉運體、增加5-HT的利用率，導致進入循環的5-HT增加，這可能是使用SSRIs治療的患者骨折風險增高的原因［26］。除此之外，影響5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的因素還有低色氨酸飲食、5-HT受體拮抗劑和5-HT受體激動劑［16，27］，這些因素或通過降低5-HT水平、阻斷5-HT的作用，或通過增強5-HT的作用來調節成骨細胞增殖和骨形成，但上述調節作用都不是通過改變LRP5表達或改變LRP5對TPH1表達的調節功能實現的。

研究顯示，LRP5純合功能缺失型突變、復合雜合功能缺失型突變及雜合功能缺失型突變患者在罹患早發性骨質疏松癥的同時，血清5-HT水平明顯升高［27-30］；而LRP5功能獲得型突變患者在骨量顯著增加的同時，血清5-HT水平明顯降低［27，29，31］。這表明LRP5基因突變可能通過改變5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路的活性調節骨形成，但LRP5基因突變對5-HT表達的調控機制尚不清楚。

綜上所述，LRP5是骨質疏松癥的易感基因，能夠激活經典Wnt/β-catenin信號通路，抑制5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路，從而促進骨形成、增加骨量。人群中存在著復雜的LRP5基因突變［32］，這些基因突變可通過多種機制調節經典Wnt/β-catenin信號通路和5-HT/5-HTR1B/CREB信號通路功能［33-34］。然而，每位因LRP5基因突變而發生骨量改變的個體，其背后的發病機制可能都是不一樣的，需要在基因型確定后進一步明確其功能和具體的致病機制，開展個體化治療。隨著Sclerostin、DKK1等調節蛋白作用機制的闡明，針對Sclerostin和DKK1的單克隆抗體相繼問世，有望為骨質疏松癥的治療提供更多選擇［18，35］。此外，LRP5單核苷酸多態性與年輕人群峰值骨量的獲得和老年人群骨質疏松性骨折風險密切相關，而1，25-（OH）2D3可誘導LRP5表達，提示對于LRP5功能未完全受損的人群盡早使用維生素D治療，可能會通過增加LRP5表達進行代償，從而有效預防和延緩LRP5相關骨質疏松癥的發生和發展。