Elk-1调节骨骼系统功能的研究进展

王艺璇 王可 张舒

空军军医大学航空航天生物动力学教研室/航空航天医学教育部重点实验室，陕西 西安 710032

Ets转录因子属于进化上保守的最大的转录调节因子家族之一，该家族由30多个成员组成，可参与细胞内稳态的调节，在人类生理和病理过程中发挥着重要的调节作用[1]。转录激活因子ETS样蛋白1(ETS-like 1 transcription factor, Elk-1)属于Ets结构域转录因子家族，具有调控细胞增殖、分化和凋亡等功能，在骨骼系统中也发挥着重要的作用[2]。本文将对近年来关于Elk-1的生理作用及其调节骨骼系统功能的研究进行综述。

1 Elk-1概述

根据Ets结构域的序列同源性，人类Ets因子可分为12个亚组：ETS、ERG、PEA3、ETV、TCF、GABP、ELF1、SPI1、TEL、ERF、SPDEF和ESE，Elk-1属于三元复合因子(ternary complex factor，TCF)亚家族[3]。TCF是因其与靶DNA序列的血清效应元件(serum response elements，SREs)、二级转录因子血清效应因子(serum response factor，SRF)结合形成三元复合物的能力而得名[4]。除了Elk-1，TCF亚家族还包括SAP-1和SAP-2/Net。每个TCF包含三个保守的结构域：结合DNA的N-末端Ets结构域、参与SRF相互作用的B-盒结构域(B-box region)和包含MAPK多个磷酸化位点的C-末端转录激活结构域。Elk-1还具有一个抑制性结构域，可被小泛素样修饰蛋白(small ubiquitin-related modifier, SUMO)结合，Elk-1的SUMO化修饰是通过大量募集组蛋白脱乙酰酶来抑制转录活性。ERK通路的激活可诱导Elk-1的磷酸化和去SUMO化，从而使Elk-1从转录抑制型转变成转录激活型[5]。ETS转录因子可与含有DNA核心序列的GGAA/T识别并结合，该富含嘌呤核心的侧翼序列两端决定了Ets结构域蛋白与这个前导序列的亲和力。Ets结构域的蛋白结合功能具有一定的冗余性。研究[6]发现，Elk-1基因缺陷小鼠和野生型小鼠在表型上无明显区别，组织学分析也未发现明显异常，表明其他的TCF具有代偿作用，在体内可补偿性替代Elk-1的作用。Elk-1的部分靶基因与SRF并不相关，而这些靶点在不同的条件下也可以与其他ET结构域蛋白结合[7]。此外，Elk-1还可以参与调控非编码RNA的表达[8-11]。

Elk-1主要经有丝分裂原或生长因子(包括EGF)刺激细胞而激活，由丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)所介导。EGF与其受体EGFR/HER1/c-erbB-1结合，激活固有激酶结构域和特异酪氨酸残基的磷酸化，Grb2/Sos复合物从细胞质重新定位到细胞膜，在细胞膜上Grb2被招募到EGFR的磷酸化残基。Grb2/Sos复合物的移位促进了膜相关Ras与Sos的相互作用，激活Ras和MAP3K，磷酸化细胞外信号调节激酶1和2(ERK1/2)，进而催化Elk-1等多种转录因子的磷酸化。EGFR激活PLCγ或缓激肽与细胞表面G蛋白偶联受体B2结合，也可通过蛋白激酶C(PKC)-ERK1/2通路活化Elk-1。同时，细胞经IL-1刺激后，Elk-1也可以发生磷酸化。IL-1与IL-1受体(IL-1RI)结合后，与IL-1受体辅助蛋白(IL-1RAcP)发生二聚反应，通过招募MyD88、磷酸化IL-1R相关激酶(IRAKs)、激活丝裂原激活的蛋白激酶激酶(MAP2Ks)，进而磷酸化c-jun 氨基末端激酶(JNKs)和p38丝裂原激活蛋白激酶(p38 MAPK)。在IL-1刺激的细胞中，除JNKs和MAPKs外，ERK1/2也可被激活。Elk-1是ERKs、JNKs和p38 MAPK这三种MAPK通路共同的下游靶分子[2]。一些短链非编码RNA(microRNAs)及长链非编码RNA(lncRNAs)也可直接参与调控Elk-1的表达[12-14]。

2 Elk-1调节骨组织细胞功能

成骨细胞由间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)分化而成，是骨组织中一类特殊的具有成骨潜能的细胞，可以增殖分化为骨细胞，促使新骨形成。研究表明，Elk-1可促进成骨细胞分化。Zhang等[15]研究发现，在成骨细胞中Elk-1可增强Runx2的启动子活性, 是内源性成骨分化关键因子Runx2的主要生理调节因子。Elk-1可与GC域结合蛋白SP1相互作用，Elk-1和SP1均可独立或联合激活Runx2转录。外源性增加MC3T3-E1小鼠成骨细胞中野生型Elk-1的表达，而不是Elk-1非磷酸化突变体，可诱导Runx2的表达，进一步证明Elk-1可能是通过转导MAPK级联信号来刺激Runx2表达。Wang等[12]研究发现，在MC3T3-E1中Elk-1作为microRNA-139-3p的靶基因，可参与成骨细胞的分化和凋亡。同时，Elk-1的表达也受到 lncRNA ODSM的调控[14]。过表达Elk-1可促进成骨细胞分化，抑制成骨细胞凋亡。另有研究发现，MAPK相关信号通路(包括Elk-1)在成骨细胞分化中起着重要的调节作用，诱导成骨细胞分化的诸多因子均可通过该通路发挥作用。在人MG-63成骨细胞中，胶原蛋白水解物(Collagen hydrolysates)和卵黄衍生肽(YPEP)均可呈剂量依赖性增加成骨细胞增殖，并通过MAPK/Elk-1通路促进成骨细胞分化，增加Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶和骨桥蛋白等成骨分化因子的表达[16-17]。鹿茸也可通过激活ERK1/2、JNK1/2和p38，促使Elk-1磷酸化，进而促进成骨细胞的碱性磷酸酶活性、胶原合成和钙沉积[18]。Hori等[19]研究发现，磷酸盐、过氧化氢均可增加大鼠UMR-106成骨细胞中Elk-1的表达，通过ROS产生和ERK通路促进成纤维细胞生长因子23(FGF23)的表达。此外，淫羊藿苷可通过MAPK通路促进Elk-1和c-Myc表达的上调，促进骨髓间充质干细胞增殖[20]。

同时Elk-1也参与破骨细胞的形成。Lee等[21]研究发现，抑制素-1(PHB)在破骨细胞中可抑制p38-Elk-1- SRE信号轴的活化，负向调控破骨细胞的形成。

3 Elk-1在骨性疾病中的作用

3.1 Elk-1在骨肿瘤中的作用

Elk-1与肿瘤侵袭、转移及预后不良等密切相关[22-24]。骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是骨组织最常见的原发性恶性肿瘤。Hou等[25]研究发现，用血管生成诱导因子61(Cyr61)处理MG-63细胞，将以时间依赖的方式增加ERK1/2和Elk-1的磷酸化和核转移，通过Raf-1、MEK、ERK、Elk-1信号转导途径调控EMT标志物，促进OS细胞侵袭及转移。研究发现，在人骨肉瘤细胞U2OS和SAOS中，p53激动剂nutlin-3激活的ERK1/2可能通过激活Elk-1，诱导抗凋亡BCL2蛋白家族的转录，而BCL2A1的表达可能有助于ERK1/2抑制nutlin-3诱导的细胞凋亡，从而构成p53诱导细胞凋亡的负反馈机制[26]。而油酸甘油酯与顺铂联合治疗则能激活p38 MAPK/Elk-1通路，诱导细胞凋亡，抑制肿瘤生长[27]。此外，最新研究表明Elk-1也可以通过影响长链非编码RNA(lncRNAs)的表达调控OS进展。Su等[10]研究发现，在MG-63和143B骨肉瘤细胞中，Elk-1可以直接与MIR100HG的启动子区结合，Elk-1诱导lncRNA MIR100HG的上调可以通过表观基因沉默LATS1、LATS2和失活Hippo途径促进OS的进展。骨尤文肉瘤是儿童和青少年常见的一种骨肿瘤。在骨尤文肉瘤[TC/siVEGF(7-1)]细胞中，基质细胞衍生因子1α(SDF-1α)可使Elk-1活化，而激活的Elk-1可与血小板源性生长因子B(PDGF-B)启动子区结合，上调PDGF-B的表达，诱导骨髓细胞向周细胞分化，挽救肿瘤的恶化[28]。

骨骼也是肺癌、乳腺癌等其他系统肿瘤常见的转移部位。Hsu等[29]研究发现，乳腺肿瘤相关成骨细胞(TAOBs)是促进肿瘤进展的重要因子，在成骨细胞中抑制CXCL5可以减少TAOBs介导的癌症进展。而TAOBs分泌的CXCL5诱导肿瘤进展与Raf/MEK/ERK激活、Elk-1磷酸化相关。Elk-1在锌指结构转录抑制因子Snail的启动子区有结合位点，激活Elk-1有助于促进Snail启动子区组蛋白H3的乙酰化和磷酸化，上调Snail表达，诱导乳腺癌上皮-间质转化、迁移和侵袭。

3.2 Elk-1在骨质疏松症等骨性疾病中的作用

目前研究认为Elk-1在骨质疏松症等其他骨性疾病中也发挥着一定的作用。在骨质疏松症研究中，Liu等[30]通过筛选分析骨质疏松症患者和正常对照骨髓间充质干细胞中差异表达基因，发现包括Elk-1、REL相关蛋白(RELA)和上游刺激因子1(USF1)等9个转录因子表达明显升高。Cheung 等[31]在女性低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5)的基因单核苷酸多态性与骨密度的相关性研究中发现，LRP5启动子的常见变异与女性的骨密度有关，最具预测性的rs682429位于5’UTR区，与Elk-1结合元件的共识别位点相邻，可能影响Elk-1的转录活性，进而影响骨密度。Peng等[32]在自发性骨折的研究中发现，过量维生素A处理的皮质骨髓样本中E2F转录因子1(E2F1)、GA结合蛋白转录因子(GABP)、核转录因子NRF2和Elk-1等转录因子明显表达增加，这些转录因子以及它们的靶基因Ube2d3、Uba1、Phb2和Tomm22可能在过量维生素A诱导的自发性骨折中起着重要作用。在骨关节炎的研究中发现，人关节软骨细胞中Elk-1是MAPK、NFκB的直接下游靶点，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)可激活MAPK和NFκB信号通路的Elk-1，诱导产生基质金属蛋白酶-13(MMP-13)，导致软骨基质过度降解[33]。在胶原诱导关节炎小鼠模型中，敲除JNK相互作用蛋白3可抑制JNK/ELK-1通路激活，减轻关节组织病理学改变[34]。此外，髓核细胞减少是椎间盘退变主要病理表现，而低氧诱导下大鼠髓核细胞中ERK通路活化，Elk-1磷酸化增加，有利于髓核细胞在缺氧环境存活[35]。

4 结语与展望

转录因子Elk-1可由ERKs、JNKs和p38 MAPK等通路激活，从转录抑制型转变成转录激活型，在基因表达调控中发挥着重要作用。研究已证实，Elk-1可以调节骨组织细胞功能，主要可促进成骨细胞分化及增殖，并抑制成骨细胞凋亡。Elk-1在骨骼系统相关疾病中也发挥着一定的作用，其与骨肉瘤、骨尤文肉瘤、骨转移癌等多种骨肿瘤的侵袭、转移及预后不良密切相关，且在骨质疏松症、自发性骨折及骨关节炎等骨性疾病中也可观测到Elk-1转录活性异常，但Elk-1在其中的具体作用机制尚需进一步明确。当前，Elk-1在骨骼系统中作用的研究尚不完善，成骨细胞中Elk-1的作用机制，以及在体干预其在成骨细胞中的表达后，能否影响成骨细胞功能，进而促进骨质生成，改善骨质疏松症状等骨性疾病尚待进一步深入研究。同时，Elk-1在破骨细胞、骨细胞中的作用尚不明确，其在骨骼系统中与Ets家族其他成员的相互作用也有待进一步研究。因此对Elk-1的深入研究有助于从分子水平探寻其影响骨骼系统功能的具体机制，从而为辅助诊断、治疗骨骼系统疾病提供新的思路。