《骨硬化蛋白研究进展.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《骨硬化蛋白研究进展.doc（5页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、骨硬化蛋白研究进展包幸福，胡敏*（吉林大学口腔医院正畸科，长春 130021）5摘要：硬化蛋白由 sost 基因编码，特异表达于骨细胞和牙骨质细胞等钙化组织包被的细胞中，可能通过 BMP、wnt 等通路发挥分解骨代谢的作用，分泌受机械压力、PTH 激素等局部和全身因素调节，相关抗体已成为治疗骨质疏松等骨代谢异常的有效靶点。关键词：口腔正畸；硬化蛋白；sost；骨代谢；牙骨质中图分类号：R780.210Research progress of sclerostinBAO Xingfu, HU Min(Department of Orthodontics, School of Stomatolog
2、y, Jilin University, ChangChun 130021)Abstract: Sclerostin which encoded by sost gene, is expressed by mineral tissue specific cells,1520253035such as osteocytes and cementocytes. Its catabolic effect on bone is acted through BMP and wntsignal. Mechanical loading and PTH regulate sclerostin expressi
3、on. Sclerostin antibody has beenproved as an useful target for bone metabolic disease.Keywords: orthodontics; Sclerostin; sost; bone metabolism; cementum1 硬化蛋白的发现和定位Sclerosteosis 和 van Buchem 病是两种独立但有相似骨骼异常的疾病，是由骨内膜成骨过度而导致渐进性骨硬化为特征。致病相关基因为位于常染色体 17q12-q21 的 Sost 基因，前者源于 sost 基因的突变1，后者是由 sost 下游的转录调控
4、元件缺失所致2。 在胚胎形成阶段，sost mRNA 表达于多种组织中，然而成熟的硬化蛋白仅见于几种矿化组织包埋的细胞中，如骨细胞3和牙骨质细胞4中，这与前述两种骨病患者无其他系统症状相符。尽管如此，在人类尚未开始矿化的类骨质中，并没有硬化蛋白的阳性表达，直到类骨质矿化开始5；类似的是在鼠初级生骨骨髓细胞培养中，sost mRNA 的表达也是在矿化开始之后变成阳性的3。这些时间和空间表达证据暗示硬化蛋白或许与矿化活动存在联系，结合两种疾病的临床表现，可以推测硬化蛋白对于骨量有负向调控作用。基因学技术的发展为研究 sost/硬化蛋白作用提供了新的证据：过表达硬化蛋白的转基因鼠表现出明显的骨量下降
5、和钙化沉积减少6；而对 sost 基因敲除鼠的成骨细胞活性增加，成骨速率更快，骨强度增强并能有效抵抗去负载造成的骨量减少 78；尽管同野生型相比， sost 敲 除鼠的钙、磷和抗酒石酸同工酶 5（tartrate-resistant acid phosphatase isoform 5b，TRACP-5b）都较为相似，但后者骨钙素（osteocalcin）含量增加了 40%。这些都直接证明了硬化蛋白对于成骨活动的负向调节作用。2 硬化蛋白作用和机制虽然关于硬化蛋白的效应已日渐清晰，但其作用的分子机制仍未完全明了。硬化蛋白能促进成骨细胞的凋亡而减少其存活时间9，此外在骨改建过程中能保持骨内膜细胞
6、处于静止功能状态6。同时硬化蛋白也被证实能减少间充质干细胞的增殖并增强其凋亡9。因为硬化蛋白的氨基酸结构与糖蛋白的 DAN 结构域相似，且硬化蛋白能同骨形态发生基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20110061110072)；吉林大学研究生创新基金资助项目（20121110）作者简介：包幸福，（1986-），男，博士，口腔正畸骨改建。通信联系人：胡敏，（1968-），女，教授，正畸牙周组织改建。E-mail: humin-1-404550蛋白（BMP）受体产生竞争，抑制骨形态发生蛋白通路，并对该通路介导的矿化作用产生下调作用10，因而早期认为其抑制成骨是经 BMP 通路得以实现
7、的，但是后来的研究部分否定了这一假设，认为两者间作用是微弱的，直到最近 Krause 等证实硬化蛋白与骨细胞中的BMP7 更为特异，或许提示硬化蛋白对自身的反馈是通过 BMP 通路进行的11。经典的 Wnt 通路对于成骨细胞的分化、增殖和存活有至关重要的意义。Wnt 配体与低密度脂蛋白受体相关蛋白 5 和 6（low density lipoprotein receptor related proteins 5/6）结合，促进细胞内蛋白 Disheveled (DVl)的活化，活化的 Dvl 抑制糖元合成激酶（glycogen synthasekinase 3，GSK-3），继而抑制-连环蛋白
8、（-catenin）的降解。随着-连环蛋白的聚集和浓度升高，其进入细胞核中与 T-cell facto r/lymphoid enhancer factor (TCF/LEF)结合，激活下游目标基因的转录。Wnt 通路的活化对于间充质细胞向骨骼系细胞和脂肪细胞分化、以及成骨细胞和软骨细胞的分化是不可或缺的 12-14。连环蛋白能增加骨保护素（osteoprotegerin，OPG）表达继而提高 OPG 与 RANKL（receptor activator of nuclear factor-B Ligand）的比值，达到相对减少破骨活动的作用。硬化蛋白能与成骨细胞系的低密度脂蛋白受体相关蛋白
9、5（Low density lipoprotein receptorrelated protein 5,LRP-5）及其密切相关的 LRP-6 细胞外结构域相结合，继而拮抗经典的 wnt 通路155560651617动还不清楚，可能是通过骨细胞的突起进行分泌，亦或是经其他通路而发挥作用。硬化蛋白也能对富胱氨酸蛋白 61（cysteine-rich protein 61，Cyr61）产生拮抗效应。Cyr61是一种具有调节间充质细胞增殖和分化功能的细胞外基质蛋白，也对成骨细胞、破骨细胞和血管生成具有调节功能。硬化蛋白能抑制 Cyr61 介导的成纤维细胞附着，但能增加血管内皮细胞的迁徙并增加成骨细胞
10、分裂18。Cristina 等发现硬化蛋白能快速激活细胞外信号调节激酶/丝裂原激活的蛋白激酶（ERK-1/2 MAPK）信号，提示或许有更为复杂的信号通路参与了硬化蛋白作用的发挥。以往的研究多集中于硬化蛋白对于成骨活动的影响，但是一些研究从侧面提示或许硬化蛋白也参与了破骨活动，例如以硬化蛋白抗体治疗卵巢摘除雌性鼠，发现其骨丢失量少于对照组，且破骨细胞表面组织形态特征参数明显减少19；另一项针对正常雌性鼠的实验发现，抗硬化蛋白治疗不但具有成骨作用，还能明显抑制破骨活动20；类似的人类期临床实21了硬化蛋白能通过骨细胞调节 wnt 通路，继而以 RANKL 模式促进破骨细胞形成发挥分解代谢作用22
11、。随着人们对不同来源的 RANKL 作用的认识，骨细胞被认为是影响松质骨破骨细7075胞生成的 RANKL 的主要来源23。3 硬化蛋白的调节因为硬化蛋白如此重要的双向调节作用，机体必然存在对其诸多的调节因素，分述如下：雌性激素能降低血液循环中的硬化蛋白水平24，妇女的硬化蛋白水平在绝经后较绝经前要更高，短期雌激素治疗能降低男性和女性血液中硬化蛋白含量25。甲状旁腺激素（PTH）是另一种重要的调节激素，当给予间隔或持续注射时，实验动物硬化蛋白水平会降低，在小鼠接受 PTH 注射后 2h，硬化蛋白水平下降约 50%，持续给药至4 天时，硬化蛋白水平下降约 80-90%26。人类中间断给予 PTH
12、 虽没有那么明显变化，但亦有 15%的下降27。其中的机制尚未完全清楚，但是可以肯定的是 PTH 相关受体（PTH-relatedpeptide receptor，PPR）在其中至关重要，随后经过 cAMP 通路，产生对包括 sost 在内的多-2-。最近的研究证据表明 LRP-4 或许是硬化蛋白的主要配体。但是硬化蛋白如何抑制 wnt 通路介导的成骨活。而 Wijenayaka 等更是证实验也发现了抗硬化蛋白单克隆抗体也具有类似的抗吸收效果80859095100105110种骨重建相关基因的调控28。力学负载也是影响硬化蛋白表达的因素。在小鼠尺骨骨干负载后硬化蛋白阳性细胞的数量和染色强度明显
13、下降29。小鼠尾骨悬吊后硬化蛋白表达上升并且骨丢失增加，而 Sost 敲除鼠能抵抗负载消失而产生的骨丢失7。Galea 等进一步证实在负载早期，多种信号通路被同时激活，而对于 sost 表达的调解是通过前列腺素 PGE2/EP4 通路进行的30，这也与另一项研究的结论相符，即前列腺素 E2 能通过 PTGER2 减少成骨细胞中硬化蛋白的表达31；这两项结论也从侧面证实了 wnt 通路与前列腺素通路之间存在着关联。直到最近，Tu 等通过转基因鼠证实 sost 基因和硬化蛋白的下调对于力学负载产生后续效应是必须的32。其他全身因素也能导致 sost 基因和硬化蛋白的变化，如治疗骨质疏松的药物雷尼酸
14、锶能抑制人成骨细胞中的硬化蛋白表达33；而骨折愈合患者较对照组血清中 sost 量显著升高，同时良好愈合者较愈合不佳者 sost 含量要高，尽管这一差别不甚明显34。4 硬化蛋白与牙骨质代谢牙骨质的主要作用是借助纤维组织与牙槽骨相连，稳定牙根位置，并在特殊情况下参与牙周组织的重建，比如牙周病预后和外源性牙根吸收等。牙骨质与骨组织结构上有一些不同，如没有板层结构，没有神经和血管等骨髓组织，牙骨质细胞也不如骨细胞那样整齐规则排列，小管密度也更为稀疏。结构差异导致其功能也与骨组织存在差别，如牙骨质在生理情况下不进行改建，对机械力抵抗更强。牙骨质根据其纤维成分和存在部位，被划分为四类，其中较为重要的有
15、两类是有细胞内源纤维牙骨质（Cellular intrinsic fiber cementum，CIFC）和无细胞外源性纤维牙骨质（acellularextrinsic fiber cementum，AEFC）。有观点认为形成两种牙骨质的成牙骨质细胞的来源是不同的，AEFC 是一种独特的组织，CIFC 与骨组织相似而又存在形态、功能和生物活性方面的不同35。AEFC 因为其与牙槽骨更为坚强的纤维连接对于牙周稳定意义更大，但是对于牙骨质的重建多是由 CIFC 完成的，目前多数促进牙周重建的技术和药物也多影响 CIFC，除了少数釉质来源的蛋白提取物36。牙骨质细胞表达硬化蛋白最早于 VBD 的病人
16、中发现4，随后 Jager 等人通过免疫组化方法也证实了 sost/硬化蛋白在人和鼠牙骨质细胞中的特异性表达，人源性牙周膜细胞在矿化开始后 sost mRNA 和硬化蛋白的表达均有增加37，说明了其在牙骨质，至少是细胞性牙骨质矿化过程中发挥作用；随后他们又对鼠牙根牙骨质形成活动中硬化蛋白的变化进行了研究，发现只有 4 周龄以上的鼠牙骨质中才能检测到硬化蛋白，而且只阳性表达于 CIFC 中38。这些证据说明牙骨质代谢中，硬化蛋白具有其独特的作用，有待于进一步研究。5 应用前景鉴于硬化蛋白在钙化组织代谢活动中特殊而关键的作用，已成为治疗骨质疏松等骨代谢相关疾病的有效靶点之一。其中硬化蛋白的单克隆抗
17、体已经进入临床实验，而且至今效果尚属乐观。但是正如同众多新型制剂一样，其长期疗效和毒副作用仍然需要后续的观察，而关于硬化蛋白作用机理的深入认识对于避免这些副作用至关重要。115参考文献 (References)1 Balemans W, Ebeling M, Patel N et al. Increased bone density in sclerosteosis is due to the deficiency of anovel secreted protein (SOST)J. Hum Mol Genet. 2001 Mar 1;10(5):537-43.2 Balemans W, P
18、atel N, Ebeling M et al. Identification of a 52 kb deletion downstream of the SOST gene in-3-120125130135140145150155160165170175180185patients with van Buchem diseaseJ. J Med Genet. 2002 Feb;39(2):91-73 van Bezooijen, Rutger L, Roelen et al. Sclerostin is an osteocyte-expressed negative regulator o
19、f boneformation, but not a classical BMP antagonistJ. J Exp Med. 2004 Mar 15;199(6):805-14.4 van Bezooijen RL, Bronckers AL, Gortzak RA et al. Sclerostin in Mineralized Matrices and van BuchemDiseasJ. J Dent Res. 2009 Jun;88(6):569-74.5 Poole KE, van Bezooijen RL, Loveridge N et al. Sclerostin is a
20、delayed secreted product of osteocytes thatinhibits bone formationJ. FASEB J. 2005 Nov;19(13):1842-4.6 Winkler DG, Sutherland MK, Geoghegan JC et al. Osteocyte control of bone formation via sclerostin, a novelBMP antagonistJ. EMBO J. 2003 Dec 1;22(23):6267-767 Lin C, Jiang X, Dai Z et al. Sclerostin
21、 Mediates Bone Response to Mechanical Unloading ThroughAntagonizing Wnt/b-Catenin SignalingJ. J Bone Miner Res. 2009 Oct;24(10):1651-61.8 Li X, Ominsky MS, Niu QT et al. Targeted del etion of the sclerostin gene in mice results in increased boneformation and bone strengthJ. J Bone Miner Res. 2008 Ju
22、n;23(6):860-9.9 Sutherland MK, Geoghegan JC, Yu C et al. Sclerostin promotes the apoptosis of human osteoblastic cells: anovel regulation of bone formationJ. Bone. 2004 Oct;35(4):828-35.10 Moester MJ, Papapoulos SE, L?wik CW et al. Sclerostin: current knowledge and future perspectivesJ. CalcifTissue
23、 Int. 2010 Aug;87(2):99-107.11 Krause C, Korchynskyi O, de Rooij K et al. Distinct modes of inhibition by sclerostin on bone morphogeneticprotein and Wnt signaling pathwaysJ. J Biol Chem. 2010 Dec 31;285(53):41614-26.12 Krishnan V, Bryant HU, Macdougald OA. Regulati on of bone mass by Wnt signalingJ
24、. J Clin Invest. 2006May;116(5):1202-9.13 Bennett CN, Longo KA, Wright WS et al. Regulation of osteo-blastogenesis and bone mass by Wnt10bJ.Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Mar 1;102(9):3324-9.14 Day TF, Guo X, Garrett-Beal L et al. Wnt/beta-catenin signaling in mesenchymal progenitors controlsosteobl
25、ast and chondrocyte differentiation during vertebrate skeletogenesisJ. Dev Cell. 2005 May;8(5):739-50.15 Li X, Zhang Y, Kang H et al. Sclerostin binds to LRP5/6 and antagonizes canonical Wnt signalingJ. J BiolChem. 2005 May 20;280(20):19883-7.16 Choi HY, Dieckmann M, Herz J et al. Lrp4, a novel rece
26、ptor for Dickkopf 1 and sclerostin, is expressed byosteoblasts and regulates bone growth and turnover in vivoJ. PLoS One. 2009 Nov 20;4(11):e7930.17 Leupin O, Piters E, Halleux C et al. Bone overgrowth-associated mutations in the LRP4 gene impair sclerostinfacilitator functionJ. J Biol Chem. 2011 Ju
27、n 3;286(22):19489-500.18 Craig TA, Bhattacharya R, Mukhopadhyay D et al. Sclerostin binds and regulates the activity of cysteine-richprotein 61. Biochem Biophys Res CommunJ. 2010 Jan 29;392(1):36-40.19 Li X, Ominsky MS, Warmington KS et al. Sclerostin antibody treatment increases bone formation, bon
28、e mass,and bone strength in a rat model of postmenopausal osteoporosisJ. J Bone Miner Res. 2009 Apr;24(4):578-8820 Tian X, Setterberg RB, Li X et al. Treatment with a sclerostin antibody increases cancellous bone formationand bone mass regardless of marrow composition in adult female ratsJ. Bone. 20
29、10 Sep;47(3):529-33.21 Padhi D, Jang G, Stouch B et al. Single-dose, placebo-controlled, randomized study of AMG 785, a sclerostinmonoclonal antibodyJ. J Bone Miner Res. 2011 Jan;26(1):19-26.22 Wijenayaka AR, Kogawa M, Lim HP et al. Sclerostin Stimulates Osteocyte Support of Osteoclast Activity bya
30、RANKL-Dependent PathwayJ. PLoS One. 2011;6(10):e25900.23 OBrien CA, Nakashima T, Takayanagi H. Osteocyte control of osteoclastogenesisJ. Bone. 2012 Aug 23.24 Modder UI, Clowes JA, Hoey K et al. Regulation of circulating sclerostin levels by sex steroids in women andin menJ. J Bone Miner Res. 2011 Ja
31、n;26(1):27-34.25 Modder UI, Hoey KA, Amin S et al. Relation of age, gender, and bone mass to circulating sclerostin levels inwomen and menJ. J Bone Miner Res. 2011 Feb;26(2):373-9.26 Bellido T, Ali AA, Gubrij I et al. Chronic elevation of parathyroid hormone in mice reduces expression ofsclerostin b
32、y osteocytes: a novel mechanism for hormonal control of osteoblastogenesisJ. Endocrinology. 2005Nov;146(11):4577-83.27 Drake MT, Srinivasan B, M?dder UI et al. Effects of parathyroid hormone treatment on circulating sclerostinlevels in postmeno-pausal womenJ. J Clin Endocrinol Metab. 2010 Nov;95(11)
33、:5056-6228 Bellido T, Saini V, Pajevic PD. Effects of PTH on osteocyte functionJ. Bone. 2012 Sep 24. pii:S8756-3282(12)01245-829 Robling AG, Bellido T, Turner CH. Mechanical stimulation in vivo reduces osteocyte expression ofsclerostinJ. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2006 Oct-Dec;6(4):354.30 Ga
34、lea GL, Sunters A, Meakin LB et al. Sost down-regulation by mechanical strain in human osteoblastic cellsinvolves PGE2 signaling via EP4J. FEBS Lett. 2011 Aug 4;585(15):2450-431 Genetos DC, Yellowley CE, Loots GG. Prostaglandin E2 Signals Through PTGER2 to Regulate SclerostinExpressionJ. PLoS One. 2
35、011 Mar 16;6(3):e1777232 Tu X, Rhee Y, Condon KW et al. Sost downregulation and local Wnt signaling are required for the osteogenicresponse to mechanical loadingJ. Bone. 2012 Jan;50(1):209-1733 Rybchyn MS, Slater M, Conigrave AD et al. An Akt-dependent Increase in Canonical Wnt Signaling and aDecrea
36、se in Sclerostin Protein Levels Are Involved in Strontium Ranelate-induced Osteogenic Effects in HumanOsteoblastsJ. J Biol Chem. 2011 Jul 8;286(27):23771-934 Sarahrudi K, Thomas A, Albrecht C et al. Strongly Enhanced Levels of Sclerostin during Human FractureHealingJ. J Orthop Res. 2012 Oct;30(10):1
37、549-5535 Bosshardt. Are Cementoblasts a Subpopulation of Osteoblasts or a Unique PhenotypeJ. JDR May 2005 vol.-4-84 no. 5 390-406.36 Bosshardt DD, Sculean A. Does periodontal tissue regeneration really workJ. Periodontol 2000.2009;51:208-19.19037 Jager A, G?tz W, Lossd?rfer S et al. Localization of SOST/sclerostin in cementocytes in vivo and inmineralizing periodontal ligament cells in vitroJ. J Periodontal Res. 2010 Apr;45(2):246-54.38 Lehnen SD, Gotz W, Baxmann M et al. Immunohistochemical evidence for sclerostin during cementogenesisin miceJ. Ann Anat. 2012 Sep;194(5):415-21-5-
