許多疾病與骨代謝關(guān)系密切，尤其是骨質(zhì)疏松癥，主要是骨吸收增加和/或骨形成減少，但涉及的機(jī)制較復(fù)雜。目前認(rèn)為，骨代謝主要涉及骨形成及骨吸收兩方面，受到多種因素的調(diào)控，其分子機(jī)制涉及遺傳基因、轉(zhuǎn)錄控制、信號(hào)通路、核蛋白、細(xì)胞分裂、激素及旁分泌因子等多方面，而信號(hào)通路與骨代謝密切相關(guān)，在骨代謝的調(diào)控中起主要作用，但分子機(jī)制復(fù)雜，部分尚未清楚，故本文對(duì)骨代謝的信號(hào)通路相關(guān)研究予以綜述。

　　一、BMP/Smads信號(hào)通路

　　在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)分化、增殖為成骨細(xì)胞的過(guò)程中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑起著中樞性作用。BMP是骨發(fā)育期成骨細(xì)胞生成的最初誘導(dǎo)者，它首先結(jié)合到Ⅱ型受體二聚體上，然后Ⅱ型受體磷酸化Ⅰ型受體的GS區(qū)，后者進(jìn)一步磷酸化BMP特異的Smads-1,5和8，使BMP活化，Smads蛋白再進(jìn)一步轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核內(nèi)充當(dāng)轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子,與相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子核心結(jié)合蛋白(Cbfα1/Runx2)和Osterix 相互作用,從而影響成骨相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，然后骨前體細(xì)胞進(jìn)一步分化并啟動(dòng)成骨細(xì)胞特異性因子(如堿性磷酸酶、Ⅰ型膠原和骨鈣蛋白)的表達(dá)，從而促進(jìn)骨的形成。

　　在此過(guò)程中，核心結(jié)合因子cbfα1是脊椎動(dòng)物成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,其作為核蛋白與成骨細(xì)胞上的特異順式作用元件結(jié)合，從而激活骨鈣素的表達(dá)，并調(diào)節(jié)所有關(guān)鍵成骨細(xì)胞基因的表達(dá)，控制成骨細(xì)胞的成骨速率及進(jìn)一步的成骨過(guò)程。Cbfα1在前脂肪細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，還能誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向轉(zhuǎn)變，形成礦化結(jié)節(jié)。一旦cbfαl基因缺失，將沒(méi)有其它平行通路可取代cbfαl的作用。

　　而Osterix是一種含有鋅指結(jié)構(gòu)的成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子，其作為cbfαl/RunX2的下游基因發(fā)揮作用，使成骨前體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞,并負(fù)向調(diào)控Sox9和Sox5表達(dá)，阻止骨祖細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化。Nakashima等認(rèn)為，Osterix基因啟動(dòng)使成骨前體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞,發(fā)揮骨形成的功能,分泌骨鈣素、骨唾液蛋白及骨連接蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)。此外，Zhang等還發(fā)現(xiàn)Osterix可通過(guò)兩條路徑負(fù)向調(diào)控β-catenin信號(hào)通路：一是促使Wnt抗體Dkk1表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞增殖；二是抑制β-catenin1/TCF信號(hào)通路，從而抑制Wnt信號(hào)通路，減少成骨細(xì)胞增殖。

　　二、Wnt/β-catenin信號(hào)通路

　　Wnt蛋白是一類分泌性的富含半胱氨酸的糖基化蛋白，可在多種細(xì)胞中表達(dá)。正常功能狀態(tài)下，大部分胞質(zhì)內(nèi)的β-catenin被束縛在由細(xì)胞膜向胞內(nèi)伸出的E-鈣粘著蛋白上，其余部分與大腸腺瘤樣蛋白和軸素多聚蛋白復(fù)合物結(jié)合，有利于胞漿中糖原合成酶激酶(GSK-3β)磷酸化上述復(fù)合物結(jié)合的β-catenin，被磷酸化后的β-catenin易被泛素一蛋白酶體系統(tǒng)降解，從而保持胞質(zhì)內(nèi)游離β-catenin濃度處于相對(duì)較低的狀態(tài)。

　　當(dāng)Wnt通路活化時(shí)，Wnt蛋白與細(xì)胞表面特異性受體卷曲蛋白(Fz)結(jié)合，并進(jìn)一步與輔助受體——低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6(LRP5/ LRP6)結(jié)合形成功能性連接受體復(fù)合體，F(xiàn)z可進(jìn)一步作用于胞質(zhì)蓬亂蛋白(Dvl)，使胞漿內(nèi)的 Dvl高度磷酸化從而被激活，活化后的Dvl蛋白抑制了GSK-3β活性，繼而拮抗GSK-3β對(duì)β-catenin的磷酸化、降解作用，使胞質(zhì)內(nèi)β-catenin含量積聚并移至核內(nèi)，與一種具有雙向調(diào)節(jié)功能的轉(zhuǎn)錄因子即T細(xì)胞因子(TCF/LEF)相互作用，T-Cell Factor被激活，從而介導(dǎo)canonical Wnt通路，調(diào)節(jié)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

　　Wnt/β-catenin信號(hào)通路在胚胎干細(xì)胞的發(fā)育分化、骨形成及胰島素的分泌中均起著重要作用。Wnt信號(hào)通路的感受器LRP6常染色體錯(cuò)譯變異，會(huì)減弱Wnt介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，這和早期骨質(zhì)疏松、冠心病及其它代謝綜合征如高血壓、糖尿病相關(guān)。而LRP5基因的不同突變類型可導(dǎo)致兩種截然相反的表型：一種是功能喪失性突變，可以導(dǎo)致骨量減少；另一種是功能獲得性突變，能夠使骨量增高并降低骨折的風(fēng)險(xiǎn)，顯示出LRP5在骨量積累過(guò)程中具有十分重要的作用。Wnt通路基因敲除和轉(zhuǎn)基因鼠模型表明，經(jīng)典Wnt通路能調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化、骨基質(zhì)的形成及礦化等環(huán)節(jié)，并影響破骨細(xì)胞的發(fā)生及骨吸收。

　　Stavros等發(fā)現(xiàn)年齡依賴的疾病如骨代謝、脂代謝以及糖代謝疾病都源于一個(gè)共同的Wnts通路：β-catenin、T-Cell Factor、FOXO和 Oxidative Stress。其中氧化應(yīng)激類似Wnt/β-catenin信號(hào)通路，影響到基本細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過(guò)程：包括干細(xì)胞的形成和分化，并與年齡相關(guān)，易發(fā)展年齡相關(guān)疾病。研究表明，Oxidative Stress是年齡相關(guān)骨丟失的主要因素，可導(dǎo)致成骨細(xì)胞數(shù)量和骨形成的下降。β-catenin作為FOXO的輔助因子，近來(lái)被用作防御Oxidative Stress的主要因子。

　　此外，Laudes研究發(fā)現(xiàn)，Wnt信號(hào)通路中幾個(gè)Wnt家族成員可以在脂肪形成的早期階段發(fā)生抑制作用，減少人類間充質(zhì)干細(xì)胞分化成前脂肪細(xì)胞。相反，Wnt通路的內(nèi)源性抑制物卻會(huì)提高脂肪細(xì)胞的形成。從病理生理角度看，在Wnt通路體系中，基因的多態(tài)性已被證明和肥胖、2型糖尿病相關(guān)，某種Wnt分子參與了脂肪組織中的炎癥反應(yīng)。Jennifer等研究發(fā)現(xiàn)在Wnt蛋白的信號(hào)途徑中，Wnt10b是骨形成中canonical WNT配合體表達(dá)物，對(duì)于BMSCs的活動(dòng)是獨(dú)特的。Wnt10b缺陷導(dǎo)致年齡相關(guān)的骨丟失及進(jìn)行性的間充質(zhì)干細(xì)胞減少，因此，在衰老與疾病相關(guān)環(huán)境中，研究WNT配合體和它們各自潛在的獨(dú)特作用是非常重要的。

　　三、OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路

　　核因子κB 受體活化因子配體(RANKL)與核因子κB受體活化因子(RANK) 結(jié)合對(duì)破骨細(xì)胞存活、分化和活化是非常關(guān)鍵的。RANK的激活導(dǎo)致下游信號(hào)通路NF-KB,P38kinase,C-Jun和N-terminal kinase JNK的激活。RANK通路是促進(jìn)骨吸收的重要途徑，可能成為主要的靶向抗骨吸收劑。

　　而在OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路中，骨保護(hù)素(OPG)屬于腫瘤壞死因子受體(TNFR)超家族，主要由成骨細(xì)胞前體和間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，具有抑制破骨細(xì)胞分化及吸收活性的一種分泌型糖蛋白，其作為誘餌受體與NF-KB受體活化因子配體RANKL發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，抑制RANKL與RANK的相互作用，從而封閉成骨細(xì)胞誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞前體分化與融合，調(diào)控破骨細(xì)胞的分化、增殖與凋亡，并影響其生理功能。

　　OPG水平降低或者RANKL/OPG比值升高導(dǎo)致破骨細(xì)胞活性增加，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化成熟。例如在風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎中，骨損部位的局部RANKL/OPG比值升高，重組OPG可以完全抑制骨損部位破骨細(xì)胞的吸收活性。相反，在骨肉瘤中OPG水平很高而RANKL/OPG比值降低，破骨細(xì)胞的活性受到抑制，使得成骨細(xì)胞快速增殖。OPG在骨質(zhì)疏松癥、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、Paget病以及惡性骨組織疾病如骨肉瘤、巨細(xì)胞瘤等的發(fā)病機(jī)制、預(yù)防和治療中具有重要作用，研究表明骨質(zhì)疏松性骨折與OPG基因多態(tài)性相關(guān)。

　　四、其他信號(hào)通路

　　1、低氧/低氧誘導(dǎo)因子(HIF)-la通路

　　低氧/低氧誘導(dǎo)因子HIF-la通路對(duì)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞耦聯(lián)作用及其發(fā)生機(jī)制日益受到關(guān)注。HIF-la是組織細(xì)胞在低氧狀態(tài)下由激活基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子，在常氧條件下其氧感應(yīng)元件HIF-1a上的氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(ODD)被活性脯氨酰羥化酶(PHD)羥化，然后結(jié)合VHL蛋白進(jìn)入蛋白酶體被降解，而在低氧或缺氧環(huán)境中PHD活性消失或降低，導(dǎo)致HIF-1a聚積并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞與β亞基結(jié)合，激活HIF敏感的靶基因如VEGF而發(fā)揮作用。在骨發(fā)育、代謝、骨折愈合及腫瘤等過(guò)程中均存在不同程度的低氧環(huán)境，從而激活HIF信號(hào)通路，VEGF作為HIF-1a最直接的靶基因之一通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)調(diào)控血管生成和骨形成。Wan等還發(fā)現(xiàn)HIF-la通路可調(diào)控成骨細(xì)胞OPG/RANKL的表達(dá)而影響破骨細(xì)胞的分化功能，當(dāng)?shù)脱?HIF-la通路被激活時(shí)，成骨細(xì)胞可抑制破骨細(xì)胞的分化功能，當(dāng)?shù)脱?HIF-la通路被阻斷時(shí)，則成骨細(xì)胞促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化功能。

　　2、PDGF、TGF-beta和FGF的信號(hào)通路

　　Ng等發(fā)現(xiàn)PDGF、TGF-beta和FGF的信號(hào)通路對(duì)于間充質(zhì)干細(xì)胞的分化非常關(guān)鍵，阻止任何一條路徑將減慢干細(xì)胞的生長(zhǎng)，而激活這三條路徑可大大提高其生長(zhǎng)與分化。其中TGF-β對(duì)骨有主要調(diào)節(jié)作用，它主要是通過(guò)ALK-5、SMAD3、PKA和PI3K路徑調(diào)節(jié)β-catenin信號(hào)通路及人類間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化，通過(guò)ALK5、PKA和JNK 路徑調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞生成。研究表明TGF-β對(duì)BMSCs的作用與細(xì)胞分化階段有關(guān)，它早期促進(jìn)增殖，而晚期促進(jìn)分化。且這種作用與TGF-B劑量有關(guān)，低濃度時(shí)主要促進(jìn)增殖，并有輕微的誘導(dǎo)分化能力，而高濃度時(shí)則抑制增殖、促進(jìn)分化，TGF-β不僅能抑制BMSCs向脂肪細(xì)胞分化，而且對(duì)糖皮質(zhì)激素和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子所誘導(dǎo)的BMSCs向脂肪細(xì)胞分化也有抑制作用。在FGF信號(hào)通路中，F(xiàn)GF和FGFR 可調(diào)節(jié)成軟骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨細(xì)胞增殖。

　　3、AKt2選擇通路

　　Akt2調(diào)節(jié)RUNK2基因表達(dá)，成為骨形成分化的決定因子。該通路促使BMP-2介導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化，而BMPS通過(guò)與骨形成轉(zhuǎn)錄因子DLX3、DLX5和RUNX2相互作用，同時(shí)與胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)結(jié)合，促使骨祖細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。

　　4、G蛋白信號(hào)通路

　　異源三聚體G蛋白亞基體α(Gsα)激活G蛋白耦合受體的下游CAMP依賴通路，其調(diào)節(jié)骨形成機(jī)制主要是提高Wnt信號(hào)通路，促使間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，同時(shí)抑制定型成骨細(xì)胞分化，使骨形成最佳質(zhì)量和強(qiáng)度。

　　5、硫酸乙酰肝素和硫酸軟骨素通路

　　硫酸乙酰肝素(HS)和硫酸軟骨素(CS)蛋白多糖通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子活性及形態(tài)發(fā)生梯度影響許多生化過(guò)程，包括干細(xì)胞移植、組織形態(tài)發(fā)生、創(chuàng)傷修復(fù)和新血管形成。實(shí)驗(yàn)表明用肝素酶及軟骨素酶水解HS和CS鏈，破壞HS和 CS通路，可減少HS和CS的表達(dá)，從而增加成骨基因的表達(dá)，提高PSMAD1/5/8表達(dá)，增加BMP通路，活化LEF1，增加canonical Wnt信號(hào)通路。

　　6、黏著斑激酶及胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶通路

　　黏著斑激酶(FAK)及胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞形成骨表型。FAK是一種絡(luò)氨酸激酶，其依賴中心粘附部位整合到胞外的基體而被活化，可組合幾類復(fù)雜的信號(hào)分子，以啟動(dòng)下游信號(hào)通路包括：有絲分裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路，從而促進(jìn)中胚層組織發(fā)育及干細(xì)胞分化。研究表明，MAPK通路可刺激成骨基因和功能的表達(dá)；持續(xù)激活ERK2，促成骨細(xì)胞分化；磷酸化Smad-1,激活P38，促Alp表達(dá)及成骨細(xì)胞活化；磷酸化及活化Runx2。

　　小  結(jié)

　　實(shí)際上骨代謝非常復(fù)雜，涉及到多種信號(hào)通路，并且各條通路間還會(huì)相互協(xié)調(diào)和影響。從目前已知的研究結(jié)果來(lái)看，BMP/Smads及Wnt通路影響著骨形成的一系列過(guò)程，包括BMSCs的形成、分化及增殖為成骨細(xì)胞；而OPG/RANKL/RANK通路則抑制RANK骨吸收通路，從而促進(jìn)骨形成。雖然BMP/Smads和Wnt信號(hào)通路足以調(diào)節(jié)骨細(xì)胞生長(zhǎng)與分化，但是在骨形成中BMP/Smads還與其它信號(hào)通路如AKt2選擇通路或MAPK cascade 路徑之間存在相互調(diào)節(jié)，Wnt信號(hào)通路也和PDGF、TGF-beta、FGF或G蛋白信號(hào)等通路之間存在相互調(diào)節(jié)作用。

　　展望未來(lái)，Wnt信號(hào)通路調(diào)節(jié)骨代謝是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，仍需大量的研究來(lái)明確。未來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)可能是LRP5/6的結(jié)構(gòu)、功能、活性的調(diào)節(jié)過(guò)程及其在成骨發(fā)育與重建中的作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在Wnt通路中，存在胞外拮抗LRP5 /6的核內(nèi)蛋白DKK家族，Kremem家族，sFRP以及硬化蛋白等，DKKl蛋白與細(xì)胞膜上的LRP5/6結(jié)合，再結(jié)合Kremen2，促使胞膜LRP6內(nèi)陷，使其從Wnt受體復(fù)合物脫離，阻止經(jīng)典Wnt信號(hào)下傳，抑制了Wnt通路效應(yīng)。此外，BMP或FGF通路等調(diào)節(jié)骨祖細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化作用，這為骨代謝疾病提供了可能潛在的以細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療新途徑。