PPAR_在骨髓干细胞分化及骨质疏松发病机理中的作用

PPAR 在骨髓干细胞分化及骨质疏松
发病机理中的作用
朱亦 乔振华
摘要 过氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR) 是核受体超家族成员,参与调节细胞的分化、增殖及凋亡,PPAR 2亚型是脂肪分化的主要调控因子,对骨髓干细胞的分化方向起关键的调控作用。

由于PPAR 表达增高可减少骨髓腔中成骨细胞生成,许多学者对临床应用其人工合成配体噻唑烷二酮类药物可能引起骨质疏松症表示担忧。

也有报道骨髓造血干细胞膜上表达的PPAR 被配体激活后可在骨髓微环境中阻断破骨细胞生成,可能是骨质疏松症治疗的一个新思路。

关于PPAR 与骨质疏松症的研究尚需深入进行。

关键词 PPAR ;骨髓干细胞;破骨细胞;骨质疏松
Effects of PPAR on the differentiation of bone m arrow stem cell and the etiopathogenesis o f osteoporosis
Z H U Yi-kun,QIAO Zhen-hua.De p artment of En docrinology,T he Second H ospita l of Shan xi Medical Unive rsity, Taiyuan030001,China
Abstract Peroxisome proliferator-activated receptor gamma(PPAR )is a member of the nuclear hormone receptor superfamily,participati ng in the differentiation,proli feration and apoptosis of cell.The subtype PPAR 2is a key molecule of adipocytic differentiation modulator and affecting the differentiation of bone marrow stem cell. Since high expression of PPAR may reduce cytopoiesis of osteoblast in bone marrow,some scholars are worry about the clinical application of thiazolidinediones synthetic agonist of PPAR could induce osteoporosi s.On the other hand,some reports have shown that activation of PPAR by agonist can completely block the formation and activity of osteoclast,and may be a potential way for intervention in osteoporosis.Anyway,the relationship between PPAR and osteoporosis should be further studied.
Key w ords PPAR ;Bone marrow stem cell;Osteoclast;Osteoporosis
(I n tern J Endoc rinol Metab,2006,26:131_134)
过氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR )是PPARs的一个亚型,由配体激活后参与调节细胞的分化、增殖及凋亡。

近年来随着对PPAR 及其配体研究的不断深入,发现其亚型PPAR 2是脂肪分化的主要调控因子,对骨髓干细胞的分化方向起关键的调控作用。

骨髓腔中成骨细胞与脂肪细胞均来源于间充质干细胞(MSC)s,且数量存在此消彼长的关系,研究证实,PPAR 介导MSCs成脂分化因而可直接影响成骨细胞的分化;破骨细胞起源于骨髓中的造血干细胞,是引起骨吸收增强以致骨质疏松的主要原因,由于临床中发现各种骨质疏松均有骨髓腔中脂肪增多的现象,PPAR 是否会影响破骨细胞分化成为目前实验研究的焦点。

本文就PPAR 及配体在骨质疏松发病机理中的作用作一综述。

1 概述
人类PPARs基因定位于3号染色体短臂(3p25),基因组DNA全长约100kb,包括 、 (又称 )及 3个亚型,各含468,441,479个氨基酸残基,蛋白质结构包括4个功能域即N端、DNA结合区、连接区和配体结合区。

PPARs在组织中的表达具有差异性,其中PPAR 在肝脏、心肌、肠及肾近曲小管细胞呈高水平表达;PPAR 表达广泛但无特异性; PPAR 又分为 1、 2和 33种亚型,PPAR 1存在于多种组织中,PPAR 3在巨噬细胞、脂肪细胞和结肠上皮细胞高表达,而PPAR 2主要表达于脂肪细胞[1]。

PPARs配体包括激动剂及拮抗剂。

其激动剂分为天然配体和人工合成配体。

天然配体包括:(1)花生四烯酸代谢产物如15脱氧前列腺素J2(15d-PGJ2)、白三烯D4、8S羟基二十四碳四烯酸(8S-HE TE)等。

(2)多不饱和脂肪酸如亚油酸、二十碳五烯酸及二十二碳六烯酸。

(3)氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)的两种重要组分9羟十八碳二烯酸(9-HODE)和13羟十八碳二烯酸(13-HODE)。

人工合
作者单位:030001太原,山西医科大学第二医院内分泌科
成配体包括:(1)噻唑烷二酮类(TZDs)药物:环格列酮及其改造物吡格列酮和罗格列酮。

(2)纤维脂酸类降血脂药如fibrate。

(3)L-酪氨酸类化合物如GI262570。

(4) -取代苯丙酸类化合物如AZ242 (Phase )、Ragaglitazar(Phase )。

(5)其他化合物如GW0072、KRP-297等。

目前已知的PPARs拮抗剂种类较少,在体内由于有天然配基,因此即使存在拮抗剂依然能导致一定的转录活性,目前已知的拮抗剂有T0070907、前列腺素(PG)F2a。

PPARs首先与配体结合而被激活,然后与视黄酸X受体 (RXR )结合形成异源二聚体,再与所调节基因启动子上游特异的PPAR反应元件(PPRE)结合调控靶基因的转录;有的配体还可通过胞外信号调节激酶酪氨酸残基磷酸化来调节PPARs的活性。

近年来有研究发现PPAR 还与激活蛋白-1(AP-1)、信号转导与转录激活子1(STAT1)、Fos蛋白家族成员 FosB蛋白、细胞周期素D等因子及Wnt信号通路协同作用调控细胞的分化、生长和凋亡。

2 PPAR 及配体在骨髓干细胞分化中的作用
2.1 在MSCs向脂肪细胞分化中的作用 MSCs具有多向分化潜能,在不同诱导体系中可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、成肌细胞等多种细胞,而这种定向分化在诱导体系发生变化时可随之改变。

在向有成骨、成软骨诱导因子的MSCs培养体系中加入TZDs类药物可明显上调PPAR 的表达并使脂肪细胞生成增加[2]。

TZDs和15d-PGJ2作用于小鼠C2C12成肌细胞,研究显示在细胞分化过程中骨骼肌细胞的特异性基因myoD mRNA表达明显受抑制,而PPAR 表达却明显增强[3]。

也有研究证实PPAR 可竞争性与辅激活子p300结合,通过抑制成肌细胞分化的转录因子如肌细胞增强因子2 (MEF2C)、同源框转录因子编码基因(Nkx)2-5、转录因子GATA4的表达,抑制MSCs向心肌细胞分化而促进其向脂肪细胞分化[4,5]。

在脂肪细胞分化及成熟的过程中,PPAR 在许多基因转录激活前即在前脂肪细胞上低度表达并介导其分化。

调控PP AR 表达的经典途径为CCAAT/增强子结合蛋白(C/EBPs)途径,即C/EBP 与PPAR 启动子上的相应位点结合,激活PPAR 基因转录而促进脂肪细胞分化;C/EBPs转录子的胞外信号调节激酶(ERK)/糖原合成酶激酶3(GSK3)位点磷酸化也可刺激PPAR 天然配体的生成而促进其表达,通过与丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路的协同作用维持成熟脂肪细胞表型[6]。

此外,转录因子E2Fs家族在细胞分裂过程中也调节PPAR 的表达,其中E2F1在细胞克隆扩增时诱导其表达而E2F4在细胞分化后期起抑制作用[7]。

虽然PPAR 调控脂肪细胞分化已得到多项研究证明,但其具体作用机制仍在不断探讨中。

最近的研究侧重于如何抑制MSCs向成脂细胞分化,改善骨髓微环境因脂肪细胞过多所致的功能下降。

如核受体阻遏物和核受体辅助抑制因子可抑制PPAR 活性,抑制3T3-L1细胞表达脂肪特异基因及产生脂滴,另外,细胞因子如白细胞介素(IL)-1、肿瘤坏死因子- (TNF- )和表皮生长因子等可抑制PPAR 表达,从而阻断MSCs向成脂细胞分化[8,9]。

这些作用的结果可能减少骨髓组织中脂肪细胞的浸润,增强间充质干细胞向其他细胞分化,例如可提高成骨细胞分化从而增加骨形成。

2.2 在MSCs向成骨细胞分化中的作用 骨髓腔中成骨细胞与脂肪细胞均来源于MSCs,高表达PPAR 2的MSCs向脂肪细胞转化,同时抑制成骨细胞分化的关键转录因子核结合因子 1(Cbf 1)/ Runx2mRNA的表达而减少成骨细胞生成,提示转录因子PP AR 与Cbf 1之间存在交互作用,而这种作用影响着MSCs的分化方向 成骨或成脂,这可能是骨质疏松时骨髓中脂肪细胞与成骨细胞比例失衡的一个原因。

PPAR 的各种配体因调节通路不同可差异调节MSCs的成脂或成骨分化。

天然配体9,10-二羟十八碳烯酸可促进成脂分化并抑制成骨细胞分化,9羟十八碳烯酸促进成脂分化但并不影响成骨细胞的分化,而9,10-环氧十八碳烯酸和噻唑烷乙酰胺配体GW0072可抑制成骨细胞分化却并不刺激成脂分化[10]。

以罗格列酮20mg/(kg d)喂养C57BL/6小鼠7周后发现,Cbf 1/Runx2、成骨转录基因DIx5及 型胶原均明显下降,而脂肪细胞标志ap2明显增高;低剂量3mg/(kg d)喂养小鼠即会导致成骨细胞/骨细胞凋亡增加;15d-PGJ2还可迅速激活PPAR ,对抗 -磷酸甘油活化的Cbf 1与核因子(NF)- B的结合,抑制前成骨细胞的分化增殖[11~13]。

因此许多学者对临床应用TZDs可能引起或加重糖尿病患者的骨质疏松表示担忧,同时也提出了选择性应用PPARs调节剂可能是干预骨质疏松的一条新的途径。

2.3 在造血干细胞向破骨细胞分化中的作用 破骨细胞来源于骨髓造血干细胞(HSCs),其分化过程涉及NF- B活化受体(RANK)、骨保护素(OPG)及骨保护素配体(OPGL)/RANK配体(RANKL)系统的调节。

在骨髓微环境中,成骨细胞/MSCs对破骨细胞
发育具有正向调节作用,成骨细胞/MSCs膜表面RANKL和破骨细胞前体细胞膜表面RANK结合,与巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)一起启动破骨细胞的活化过程,而OPG竞争性的与RANK结合,强烈抑制破骨细胞形成和骨吸收过程。

近年来关于PPAR 活化与破骨细胞分化的相关性研究结论不一。

有研究发现HSCs表达PPAR ,而MSCs在分化前并不表达PPAR ,向体外单独培养的HSCs中加入PPAR 配体并不能引起破骨细胞前体细胞PPAR 表达的增加,而在HSCs和MSCs共培养体系中则可激活PPAR ,通过阻断OPGL活化的NF- B通路可降低由1,25(OH)2D3或甲状旁腺激素诱导的抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAC P)阳性的多核破骨细胞数目并降低骨吸收标志物,研究指出这种作用可能对服用此药的患者有潜在的益处[14,15]。

因此,结合PPAR 配体对成骨细胞分化的影响可以看出临床应用TZDs对骨质疏松的利弊仍存在争议。

调控破骨细胞分化的激素和细胞因子许多都是通过影响OPG/RANKL比值起作用,如IL-1和TNF- 可通过激活NF- B通路上调M-CSF和RANKL的表达,促进破骨细胞分化和成熟,同时抑制PPAR 2表达阻断脂肪细胞的生成。

其次,一些细胞因子如IL-4抑制破骨细胞前体细胞分化的作用是由PPAR 1基因介导的,通过抑制NF- B通路下调RANKL的表达而发挥作用[9,16]。

成骨细胞在分化、增殖、成熟及矿化的各个阶段均可产生多种细胞因子调节破骨细胞的分化与凋亡,因而PPAR 基因及其配体对成骨细胞的作用可能改变骨髓微环境中细胞因子的水平,直接或间接地对破骨细胞的分化及功能产生影响。

3 PPAR 及配体与骨质疏松
骨质疏松症是一种多基因疾病,对其遗传基因的研究是为了发现和确定影响并决定骨量峰值和骨折危险性的特异性基因,从分子水平对其进行干预。

多项研究显示PPAR 在骨质疏松的发生中起一定作用,其具体机制仍在进一步研究。

目前认为增龄引起的骨量减少、骨髓中脂肪增多的原因包括:(1)MSCs分化过程中PPAR 2表达及活性增强的同时抑制Runx2/Cbf 1、DIx5mRNA的表达。

(2)骨髓中骨祖细胞减少导致MSCs成骨的可塑性下降。

(3)随增龄机体内ox-LDL水平增加。

Ox-LDL的两种重要组分作为PPAR 的天然配体可通过MAPK通路激活PPAR ,介导MSCs成脂分化,减少骨髓中成骨细胞的分化,这即是增龄引起骨质疏松的 脂质学说 [17]。

近期Moerman等[18]在实验中发现,转化生长因子(TGF)- 是调节骨形成和骨吸收的重要细胞因子,可刺激成骨细胞早期的分化和增殖,但却抑制成骨细胞的成熟;而骨形态形成蛋白(B MP)是成骨细胞成熟必需的因子,随增龄TGF- 的功能下降,调控此过程的TGF- /B MP信号通路改变也是引起老年骨质疏松的原因之一。

雌激素水平下降是绝经后妇女发生骨质疏松的主要原因。

雌激素可通过与MSCs、成骨细胞和破骨细胞前体细胞表面的雌激素受体(ER)s相结合直接发挥调节细胞分化及增殖的作用,也可调节NF- B/ Rel、C/EB P、fos/jun、核转录因子早期生长反应基因(Egr-1)等与细胞因子结合而发挥作用。

目前关于PPAR 与雌激素的研究刚刚起步,许多实验结果存在分歧。

Akune等[19]在体内及体外观察了PPAR 基因缺失小鼠成骨及成脂的过程,发现通过提高骨祖细胞成骨分化可致小鼠体内骨形成及骨量增加,但并不改善去卵巢小鼠的骨丢失,提示PPAR 介导的成脂作用与雌激素缺乏引起骨量减少无明显相关。

也有实验发现对正常小鼠给予罗格列酮10 mg/(kg d),12周后未见骨丢失和脂骨形成,而去卵巢小鼠给药后出现明显骨丢失及脂骨增加,破骨细胞数(+27%)与骨侵蚀面(+30%)增多,此机制虽未明了但提示雌激素缺乏时应用TZDs可能加重骨质疏松[20]。

袁成良等[21]发现雌二醇能明显促进成骨细胞培养基中MSCs的PPAR mRNA及蛋白的表达,诱导MSCs向脂肪细胞分化,同时成骨细胞分化受抑制,研究者认为成骨细胞/MSCs作为支持细胞,其数目减少可能导致破骨细胞分化的减少,从而降低因雌激素减少而致的高转换骨代谢。

此外,Weze man等[22]观察到向加入成骨诱导剂 甘油磷酸钠及地塞米松的人MSCs培养基中加入不同浓度的酒精可明显增加PPAR mRNA的表达,使ap2蛋白生成增多,促进成脂分化,提示PPAR 基因可能也介导了酒精致骨质疏松的发生。

综上所述,PPAR 基因是影响骨髓微环境中干细胞向脂肪细胞、成骨细胞和破骨细胞分化的重要转录因子,PPAR 及配体对骨质疏松的发生及防治也具有重要意义。

国内、外实验提出的诸多问题,如缺乏PPAR 引起成骨分化增强的分子机制、哪些转录子与PPAR 协同作用拮抗成骨分化、PPAR 配体是否能安全地用于临床糖尿病的治疗以及干预PPAR 通路阻断脂肪生成能否对骨质疏松有益等有待进一步研究。

因此,进一步研究PPAR 基因与骨质疏松的关系将为其干预和治疗提供新的思路。

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(收稿日期:2005-03-27)
消息
全国中西医结合内分泌代谢疾病学术会议征文通知
为了进一步提高我国中西医结合内分泌学临床诊治水平,交流该领域的研究成果,介绍国内外关于内分泌学的研究动态和新观点,总结近年来我国中西医结合内分泌学的临床和研究经验,定于2006年9月在大连召开 全国中西医结合内分泌代谢疾病学术会议 ,同时成立中国中西医结合学会第一届内分泌专业委员会。

本次会议为国家级一类学术会议,届时将邀请国内外知名专家学者做最新进展的专题报告。

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6.录取论文的第一作者将发给出席会议通知;未录取者不再另行通知。

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