Wnt信号传导途径与骨质疏松

时间：2024-07-28

徐轶尔孙贵才于雪峰孙冠男王萌影郑春雨白建海

1. 哈药集团药物研究院，黑龙江哈尔滨 150000 2. 南昌大学第四附属医院，江西南昌 330003 3. 哈尔滨市道外区人民医院，黑龙江哈尔滨 150020 4. 黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨 150040 5. 唐山市眼科医院，河北唐山 063000

1 骨质疏松症发病机理

在哺乳动物整个生命周期中骨骼的不断更新过程称为骨重塑，在这个过程中，既包括破骨细胞骨吸收过程也包括成骨细胞骨再生过程[1]。骨细胞(成骨细胞被自身分泌的骨基质包围)在骨重建过程中引导成骨细胞和破骨细胞粘附，通过产生和分泌关键调控因子来调节成骨细胞增殖和破骨细胞的分化[2,3]。生理条件下，骨的吸收和形成处于平衡状态，成骨细胞增殖和破骨细胞骨吸收达到动态平衡。随着年龄的增长，骨的吸收和形成之间的平衡被破坏，骨骼机械强度渐进性减弱，骨量下降，这主要是因为骨组织内微结构的恶化和基质无机盐的减少(机制目前不明确)以及成骨细胞凋亡的增加所引起骨细胞功能的丧失，增加了骨骼内部结构的空隙[4,5]。骨量及机械强度下降导致骨的脆性增加所致的症候群称之为骨质疏松症。

传统观念认为女性骨质疏松症主要是绝经后开始发病。如今研究发现骨质疏松症是多因素疾病。该病在30岁以后就开始隐匿的发生，年龄相关因素是骨质疏松症发生的内在因素，包括氧化应激Wnt/β-catenin信号下调，FoxO转录因子活性增强，脂质过氧化(通过激活PPARγ和增加骨髓肥胖)，骨细胞自噬下降，骨细胞老化增加[6]。身体某些组织或者器官随年龄增加相应发生改变，比如：绝经期卵巢功能的减退或者肾上腺糖皮质激素分泌增多，促进了年龄因素对骨质疏松症的影响作用。

2 Wnt信号的基本作用

Wnts是由高度保守的分泌信号糖蛋白组成的家族，控制细胞增殖、分化、凋亡、存活和迁移[7]。在胚胎发育的过程中和对出生后的健康和疾病(包括肿瘤和退化性改变)他们起着关键的调控作用。到目前为止，在人类和鼠组织细胞中发现了19种不同的Wnt蛋白。Wnt蛋白通过和细胞膜上受体结合传递信号。细胞膜上存在着各种类型的受体，他们包括Frizzled家族和低密度脂蛋白受体相关蛋白LRP5、LRP6、Ror2和Ryk。不同的Wnts识别不同的受体从而选择性激活细胞内信号通路。Wnt和相关受体结合后最少激活3种细胞内信号通路：Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)通路(标准的Wnt通路)、非标准的Wnt通路和Wnt-钙离子通路。

被Wnts激活的Frizzled/LRP5或者Frizzle/LRP6受体复合体，比如Wnt1和Wnt3α，能够导致Axin(一种支架蛋白)和Wnt受体复合体在细胞膜结合，引起糖原合酶激酶3β(GSK-3β)的失活(图1)。失活的GSK-3β反过来能够防止β-catenin被蛋白酶降解。这个步骤能够保证β-catenin在细胞质中稳定并进入细胞核内，进而使T-细胞因子(TCF)和淋巴细胞强化结合因子(LEF)家族转录因子调控Wnt目标基因表达[8]。

图1 Wnt/β-catenin信号通路在骨重建、RANKL再生和硬化蛋白中的作用Fig.1 The role of Wnt/β-catenin signaling pathway in bone reconstruction, RANKL regeneration, and sclerosis protein

3 Wnt/β-catenin信号在骨代谢中

成骨细胞和破骨细胞是完全不同的生命周期较短的细胞。因此，他们需要从间充质干细胞或者单核巨噬细胞中进行更新[9,10]。为了满足需求，补充分化的细胞系上升或者下调。这主要是通过各自干细胞后裔定型的谱系上升或者下降复制完成的[11,12]。成骨细胞或者破骨细胞由于填补或者寿命导致的数目的混乱引起骨代谢性疾病常见的就是骨质疏松症[1]。

通过对4名患者家族的基因谱系12年研究，发现3名患者骨量明显增高和一名患者骨量明显降低，揭示了Wnt信号的激活或者失活变异分别能够引起骨代谢异常。有两个家族变异发生在LRP5基因[13,14]。另外两个变异发生在SOST，它是一种骨硬化症解码基因，是骨形成的一个重要抑制剂，抑制Wnt信号和碱性磷酸(酯)酶分泌以及骨基质合成[15,16]。研究发现在骨中缺少硬骨素会引起骨硬化症或者Van Buchem疾病，LRP5基因表达异常能够引起骨质疏松症或者假神经胶质瘤症候群。通过对这些基因的研究，揭示了Wnt信号途径确实在骨健康和疾病发生发展过程中起到关键调控作用，因此，Wnt信号途径成了骨质疏松疾病研究的新靶点[17]。

Wnt/β-catenin信号刺激造骨细胞增殖，促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，促进Osterix1(Osx1)向成骨细胞表达，同时抑制软骨形成和脂肪形成[12]。另外，Wnts能够防止成熟的成骨细胞发生凋亡，从而通过核积累β-catenin依赖途径和解离途径延长他们的生命周期[18]。

Wnt/β-catenin信号除了作用于成骨细胞以外，还能够通过刺激生成和分泌骨保护素(OPG)减少破骨细胞的分化[19]。骨保护素是一种天然的核因子κ B受体活化因子配体(RANKL)的拮抗剂[20]。RANKL对于破骨细胞的分化、生存和发挥功能是必不可少的，因此对于骨的吸收起到关键性的调控作用[21]。在破骨细胞增殖过程中，骨髓源巨噬细胞(BMMs)分化成为前体破骨细胞，随后相互融合形成成熟的破骨细胞。RANKL和巨噬细胞族激化因子为破骨细胞分化提供两种必须和足够的信号[22]，他们可以通过间接控制OPG的表达而作用于破骨细胞和成骨细胞，还能够直接作用于破骨细胞。然而，直接作用的生物学意义目前尚不完全清楚。任何情况下，破骨细胞中β-catenin的失活都能够增加破骨细胞数量和骨吸收从而减少骨量[23]。

迄今为止，已经证明Wnt蛋白在人类和大鼠骨骼发育和骨稳态以及关节形成过程中起到重要调控作用，包括Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5、Wnt5a、Wnt7a、Wnt10b和Wnt14。在些因子当中，Wnt10b可能是最关键的正性调节成人骨骼形成的因子[24,25]。除Wnt蛋白以外，哺乳动物还能够产生Wnt/β-catenin信号增强片段。最近有研究报道应用Wnt1基因突变鉴定常染色体显性遗传早发型骨质疏松症和严重的骨发育不全[26]。

4 Wnt信号对骨骼机械力学的影响

骨骼中Wnt信号微调是由若干个糖蛋白完成的，他们的功能也可以称之为Wnt信号途径的拮抗剂[27]，目前公认的最有效的有硬化蛋白，DKK蛋白1和2。硬化蛋白通过阻断Wnt蛋白和细胞外区域的LRP5和LRP6结合能够阻断经典的Wnt途径，其中干扰Wnt和LRP6结合的作用比较明显。总之，硬化蛋白缺失，释放Wnt信号可显著引起人类和大鼠骨量的积聚。

骨骼支架为了满足机械力的要求不断的进行骨重塑。解释这种观点最好的例子就是在太空飞行过程中或者失重状态下发生的骨量的快速和剧烈的损失。在骨骼中负责传感机械应变和编排骨架适应变化的是骨细胞[3]。骨的机械刺激能够减少硬化蛋白 (Sclerostin，SOST)表达[28]，相反，骨固定化过程中能够使SOST表达增加[29]。

5 Wnt/β-catenin信号通路在骨质疏松症发病中的作用

年龄相关的骨质疏松症的特点是骨形成的减少和骨髓肥胖的增加[6]。最近通过小鼠动物模型研究发现Wnt/β-catenin信号衰减可能会引起上述病理改变[30]。随着年龄增加骨量的减少和骨髓肥胖的增加是和氧化应激(OS)逐步增加相关的[31]。最近几年，叉形头转录因子家族的子类转录因子称为FoxO，已经成为防止氧化应激重要防御机制。体内氧化应激一旦发生时，FoxOs从细胞浆异位到细胞核，从而刺激抗氧化酶的转录，以及参与细胞周期和基因DNA修复过程[32,33]。重要的是，β-catenin除了参与TCF/LEF转录以外还是FoxOs必须的共同活化体[34]。在氧化应激或者养分耗尽的环境中，成骨细胞中小部分β-catenin被转移到Wnt/TCF-FoxO介导的转录中[35]。通过这种机制减弱Wnt/β-catenin信号，减少Osx1的表达，减少生成成骨细胞，从而减少骨量，同时增加脂肪生成[30]。β-catenin通过TCF-FoxO介导的转录类似于抗衰老的防御反应，可能会与一些年龄相关性疾病有关[34]。但是，FoxO激活最终加重了对骨骼衰老的作用，并且有可能成为更年期骨质疏松的元凶[36]

6 靶向Wnt信号干预治疗骨质疏松症的进展

SOST基因突变的杂合子携带者具有降低细胞因子的分泌水平，促进释放Wnt信号，从而增加骨形成作用，并且没有副作用[37]。重要的是，甲状旁腺素(PTH)通过骨细胞减少了骨硬化蛋白的产生[38]。PTH是目前最有前途的骨形成促进剂，可以显著增加骨量。以上理论为试图中和骨硬化素抗体治疗骨质疏松症药物开辟了道路。在大鼠和猴子身上的临床前期研究表明，硬化蛋白中和抗体能够增加骨强度，促进骨形成，提高骨质量[39,40]。此外，一个多中心、随机、安慰剂对照研究表明，应用Romosozumab(单克隆硬化蛋白中和抗体)药物治疗绝经后妇女低骨密度能够增加骨密度和骨形成以及减少骨吸收，在1年内，相对于双膦酸阿伦膦酸钠(4.1%)或者PTH(特立帕肽)(7.1%)其骨量增加的程度更明显(11.3%)[41]。Romosozumab对骨转换指标效果显著，短时间应用能够温和的促进骨形成，长时间持续应用能够减少骨的吸收。但是目前对于这种不可确定的骨转换指标的变化原因尚不清楚。有研究表明，Denosumab(RANKL的中和抗体)是治疗骨质疏松症的有效药物[42]。