晚期糖基化终末产物受体及其配体在骨代谢疾病中作用的研究进展

刘晓辉(综述)， 崔 舜(审校)

骨是一种矿化结缔组织，具有四种类型的细胞：骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。其中成骨细胞由骨髓间充质干细胞分化而来，负责新骨形成；破骨细胞来源于骨髓单核巨噬细胞，由单核细胞融合而成，参与骨吸收。在骨代谢过程中，成骨细胞和破骨细胞通过骨形成和骨吸收来维持骨骼矿化平衡及自身结构的完整[1]。骨形成与骨吸收之间的动态平衡也是损伤骨更新与修复的关键，一旦失衡，常导致某些代谢性骨病，如骨质疏松症和炎症性骨病。

1 晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products，RAGE)及其配体概述

RAGE是免疫球蛋白超家族跨膜蛋白中的一员,它是一种多配体受体，能够与多种内源性、外源性配体结合,并激活炎症反应[2]。目前发现可被RAGE识别的配体包括晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)、高迁移率族蛋白B1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)、β-淀粉样肽(amyloid β，Aβ)、S100钙粒蛋白家族、补体等[3,4]。现已发现RAGE及其配体在骨骼稳态和疾病进展中起重要作用：AGEs、HMGB1、Aβ、S100钙结合蛋白家族等均能影响成骨细胞活性[5]。RAGE在破骨细胞成熟和分化过程中也具有重要意义，研究[6]发现RAGE敲除小鼠表现出破骨细胞功能缺陷，骨吸收活性降低，显示出骨硬化样表型。本文综述了RAGE及其配体在骨代谢进程中的最新进展，并揭示了它们在骨代谢疾病(如骨质疏松症、骨关节炎)中的发病机制，为骨代谢疾病的靶向治疗提供新思路。

2 RAGE及其配体影响骨代谢的作用机制

2.1AGEs对骨代谢的影响 AGEs是蛋白质、脂类或核酸的游离氨基与还原糖的羰基之间通过非酶促糖基化反应生成的稳定共价加成物。AGEs与RAGE结合，激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路和核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)等信号通路，从而调控炎症细胞因子、生长因子和黏附分子的表达[7,8]。AGEs与RAGE结合，负性调控成骨细胞，与多种炎性疾病的骨丢失机制密切相关。AGEs可以通过抑制间充质干细胞的迁移和增殖，间接影响成骨细胞形成，导致骨小梁的损失[9]。此外，AGEs可以减少骨形成相关基因(如碱性磷酸酶和骨钙素)的表达，并减少骨基质蛋白(如胶原蛋白)的合成和分泌，干扰基质矿化和成熟骨结节形成，从而减弱成骨细胞活性[10]。AGEs与RAGE相互作用，可以通过以下途径诱导成骨细胞凋亡：一种是激活caspase-3信号通路诱导细胞凋亡[11]；另一种是通过增加细胞内活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，促进MAPK磷酸化，触发内在细胞凋亡途径，最终导致成骨细胞凋亡[12]。研究[13]发现，低剂量AGEs通过诱导成骨细胞自噬，对其增殖有促进作用，同时降低破骨细胞功能；反之，高剂量AGEs则诱导成骨细胞凋亡。AGEs对破骨细胞影响存在较大争议。研究[14,15]显示，AGEs在破骨细胞分化不同阶段所发挥的作用不同。在破骨细胞前体细胞融合阶段，AGEs显著降低了骨吸收；在破骨细胞分化成熟阶段，AGEs主要通过增加足小体的数量从而刺激骨吸收。AGEs还可以通过降低胶原更新和蛋白多糖合成速率，导致关节软骨细胞合成障碍，降低关节软骨细胞在损伤后维持软骨基质完整性的能力[16]。此外，细胞自噬能够通过下调金属蛋白酶减少AGEs对软骨基质的损伤[17]。

2.2HMGB1对骨代谢的影响 HMGB1是一种进化上高度保守的染色质结合蛋白，可作为炎症介质在细胞活化、应激、损伤或死亡后释放到细胞外引起炎症反应。HMGB1能驱动成骨细胞迁移，并促进骨折部位的血管形成，也可以刺激软骨内骨形成[18]。体外研究[19]发现，HMGB1可以激活MAPK通路上重要的信号分子P38和ERK，促进骨髓间充质干细胞分泌各种细胞因子，以刺激成骨分化。对于破骨细胞，HMGB1直接作用于骨髓单核巨噬细胞(破骨细胞前体细胞)，通过激活Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4)来影响破骨细胞分化的早期阶段。在破骨细胞分化后期，HMGB1可以通过激活RAGE来刺激其分化。凋亡的骨细胞也可以释放HMGB1信号，通过增强破骨细胞迁移进而促进骨吸收[20]。这一现象是微损伤骨正常修复的基础，也是衰老和炎症条件下骨丢失的原因之一。

2.3S100家族对骨代谢的影响 S100家族是一个钙结合蛋白的独特亚家族，能够传导Ca2+信号，以自分泌或旁分泌的形式在细胞内外发挥重要生物学活性。其中S100蛋白家族成员S100A4直接抑制破骨细胞分化，其原因可能是通过诱导成骨细胞产生可溶性RAGE[21]。S100A4还可通过激活NF-κB途径抑制成骨细胞的矿化功能[22]，从而导致骨稳态失衡。研究发现S100蛋白家族重要成员S100A8能通过促进肌动蛋白环的形成来刺激破骨细胞活性，使骨吸收能力增强。但S100A8调控骨代谢的作用不由RAGE介导，而是通过结合TLR4影响破骨细胞增殖分化[23]。S100A16蛋白是S100蛋白家族的一个新成员，在不同的组织类型中均有表达[24]。研究[25]表明S100A16在间充质干细胞分化过程中可抑制成骨分化，促进成脂分化，降低成骨细胞转录因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)的表达。

2.4Aβ对骨代谢的影响 Aβ是由淀粉样蛋白前体(amyloid precursor protein，APP)水解产生，在阿尔茨海默病的发病机制中起着关键作用。Aβ在骨髓间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞中均有表达[26]。体内研究[27]显示，相较于野生鼠，幼年APP转基因小鼠骨皮质内矿物质沉积率显著降低，成年小鼠的血清骨钙素水平也较低，表明APP在小鼠骨形成中有负面作用。此外，Aβ可以通过结合RAGE刺激破骨细胞的增殖，增加破骨细胞活性。但Aβ对于破骨细胞的调控有双相作用，一定浓度的Aβ可以刺激破骨细胞的增殖分化，而高浓度的Aβ反而对其有抑制作用[28]。

2.5补体对骨代谢的影响 补体活性片段C3a是RAGE的高亲和配体[4]。补体对骨代谢的作用是由Sato团队首次证实的。Sato等[29]早期研究表明，将1,25(OH)2D3添加到小鼠骨髓基质细胞(ST2)和原代成骨细胞里，补体C3逐渐增加，并且C3能促进破骨细胞分化。补体对成骨细胞具有调节作用，研究[30]发现C5aR的mRNA在成骨分化过程中显著上调，且C3a、C5a与炎症因子IL-1β共同刺激可显著诱导成骨细胞炎症因子IL-6和IL-8的释放。C3a和C5a对破骨细胞生成也具有调节作用，它们可直接诱导破骨细胞形成，同时补体活性片段能通过调节炎症刺激因子IL-6的生成进而调控破骨细胞的分化[30,31]。但补体如何通过结合RAGE影响炎症状况下的骨代谢，目前尚无深入的研究。

3 RAGE及其配体对骨代谢疾病的影响

3.1RAGE及其配体对骨关节炎的影响 骨关节炎是常见的骨代谢疾病，属于关节的退行性病变，其特征是关节软骨退化、软骨下骨硬化、骨赘形成、滑膜肥厚增生。骨关节炎中RAGE的配体AGEs在软骨细胞中大量聚集，软骨中AGEs的水平升高会显著减少软骨细胞数量，破坏软骨细胞外基质，并通过增加胶原分子之间的交联，增加软骨的硬度，导致软骨结构和功能破坏[17]。除了改变软骨细胞的活性外，研究[32]发现RAGE的激活还可以影响滑膜细胞的活性。AGEs通过激活滑膜细胞上的RAGE可以促进细胞产生基质金属蛋白酶1(matrix metalloproteinase 1，MMP1)，释放蛋白聚糖，增加软骨降解。除了AGEs，研究[33，34]发现HMGB1和S100蛋白家族S100A11、S100A4和S100B在软骨细胞中的表达水平同样上调，产生基质金属蛋白酶和多种炎症因子加速软骨组织退行性病变。此外，有证据[35]显示HMGB1从受损或坏死的细胞中释放出来，并与TLR4和RAGE相互作用以诱导炎症信号，激活先天免疫细胞，并以RAGE依赖性方式增加滑膜细胞的侵袭性。在骨关节炎中，骨赘形成也是其主要病理特征之一。关于骨赘形成原因一直具有争议，目前认为骨关节炎骨赘形成的主要原因有软骨降解、成骨细胞骨形成、破骨细胞骨吸收平衡被打破及炎症因子增加造成骨髓微环境破坏[36]。在骨关节炎中，AGEs大量积累，在破骨细胞分化的不同阶段影响其吸收[37]。因此，RAGE及其配体结合，上调多种炎症因子，打破骨内平衡可能会成为骨关节炎骨赘形成的重要机制。

3.2RAGE及其配体对骨质疏松的影响 骨质疏松是一种常见的全身性骨病，其特征为骨量低，骨组织微结构损坏，导致骨脆性增加，易骨折。RAGE及其配体结合能够通过增加促炎因子和免疫调节因子来促进破骨细胞骨吸收，在多种炎性疾病所造成的骨质疏松中扮演重要角色。AGEs对糖尿病并发骨质疏松的发病机制起重要作用。糖尿病背景下AGEs大量形成和积累，AGEs及其受体RAGE结合可诱导成骨细胞和破骨细胞产生氧化应激，继而引起炎症反应，从而参与糖尿病骨质疏松发病机制[38]。AGEs-RAGE的相互作用还能抑制成骨细胞的增殖和分化，从而导致糖尿病患者骨密度降低[10,11]。虽然AGEs对破骨细胞的作用争论较大，但是在体外分化的RAGE蛋白缺陷破骨细胞中，破骨细胞分化被抑制，骨吸收功能降低[6]。AGEs-RAGE系统还能抑制骨髓间充质干细胞迁移以及向成骨细胞的分化[9]，从而间接导致糖尿病患者的骨质疏松症。抑制骨基质中AGEs的产生，阻断成骨细胞、破骨细胞和骨髓间充质干细胞之间的AGEs-RAGE系统，可能成为治疗糖尿病骨质疏松的新策略。RAGE的另一配体Aβ能抑制成骨细胞的增殖及功能[27]，依龄性调控破骨细胞功能[28]，导致成骨-破骨细胞耦联失衡，这是造成阿尔茨海默病患者骨质疏松的重要原因。此外，HMGB1也被认为是一种骨活性细胞因子，凋亡骨细胞释放HMGB1信号促进破骨细胞迁移是炎症条件下骨质疏松的重要原因[20]。另外补体系统对骨代谢的研究在近年也取得一定进展。体内实验研究[39]表明，补体C3在卵巢切除术后参与小鼠骨内稳态调控，缺乏补体C3可减少骨质流失，改善骨小梁微结构及骨骼机械性能，这为女性绝经后骨质疏松提供了新的治疗思路。

4 结语

RAGE作为固有免疫的重要因子，在骨代谢疾病中发挥了重要作用。本文综述了RAGE及其配体在骨代谢进程研究的最新进展，并揭示了它们在骨代谢疾病(例如骨质疏松、骨关节炎)中的发病机制。目前，研究者已经针对RAGE及其配体在骨代谢中的作用开发出一些小分子抑制剂，如TTP488，它可以抑制RAGE结合多种配体的能力；FPS-ZM1能够防止成骨细胞和骨细胞中RAGE介导的线粒体功能障碍和细胞凋亡[3]。这些小分子抑制剂在骨代谢疾病的治疗应用中具有很大潜能。除此之外，研究者还发现血管紧张素受体阻滞剂厄贝沙坦，能通过抑制AGEs-RAGE介导的氧化应激造成的有害影响，在糖尿病相关的骨损伤中起保护作用[40]。目前对于RAGE及其多种配体在骨骼系统中所发挥的作用仍处在初步研究阶段，它们在骨代谢进程中涉及的不同受体，多种细胞类型，各种细胞因子之间的相互作用及信号通路等尚未完全被发现，相关骨代谢疾病的靶向治疗应用也有待进一步探索。