骨质疏松机制和治疗药靶

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• 经典Smad依赖的TGF-β 信号, TGF-β首先结合 到II型受体 (R-II) 和I型受 体 (R-I), 然后转导到 Smads, 激活的Smads 2/3 与Smad4 形成复合 物,然后转入核,激活 转录,启动Runx2基因 表。Smad7 能破坏激活 的Smad2/3与 Smad4形 成复合物。 • 非Smad依赖性TAK1 信 号通路也调节骨形成。 • PTH 结合激活PTH1R,刺激几个下游效应子,驱动t PTH1R-TGFβRII 复合物 的内化,降低 TGF-β 和 PTH 信号,CREB介导成骨细胞中的PTH信号。
转换阶段,以骨头吸收到骨头形成为标志,通过偶合因子开启,这些因子可以是可扩 散的因子、膜结合分子,或骨基质内含有的因子 终止阶段,由于成骨细胞的骨形成活性,确保成骨细胞在吸收陷窝内填充,而且,成 骨细胞扁平化形成新骨头表面的骨衬细胞层
启始阶段 (a) 早期 的始发阶段,破骨细 胞前体的募集 (b) 在骨表面上骨衬细胞下, 破骨细胞分化
Wnt信号调节成骨细胞生成
• Wnt 3a、5a、7b 和10b 等 Wnt分子与 Ihh共同捉进成骨 细胞的分化 • DKK1 抑制成骨细胞生成, 使发育过程向脂肪生成方向 发展。 • β-catenin/TCF1通过诱导骨头 主要发育蛋白Runx2表达, 承担促进早期成骨细胞谱系 的义务,而DKK1 通过Wnt信 号通路抑制 Runx2 表达 • Runx2促进次级骨头发育主 要转录因子Osterix (Osx) 的转 录活性(旁边标注的是普系 特异性的表型标记物) • 激活Wnt信号通路,能上调 OPG表达,抑制RANKL表达
c-Src, TAB2 TAK1,TAB1
NFATc1, 在破骨细胞前体中表达,是破骨细胞生成的 重要调节者
TRAF:肿瘤坏死困子受体相关因子 NFATc1: T细胞激活核因子c1
NFATc1破骨细胞分化的 主要转录因子
成骨细胞分泌的RANKL和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF),在巨 噬细胞前体中,激活Fos的表达,后者又介导破骨细胞分化的 主要调节者-T细胞激活核因子C1 (NFATc1) 的表达,诱导破骨细 胞分化。 NFATc1可诱导破骨细胞表达的基因有: • 抗酒石酸酸性磷酸酶( TRAP ) • 组织蛋白酶K( cathepsin K ) • 氯离通道7( Clcn7 ) • MMP-9 • ephrinB2
破骨细胞的激活
RANKL结合到 RANK后,激活一 些关键的转录因 子和酶,促进破 骨细胞的分化、 增值、多核化、 激活和存活,深 入诱导骨吸收。
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破骨细胞在激活后,在整合素αvβ3 的帮助下,破骨细胞粘附在骨表面,形成一个封闭 区,质子泵和氯离子通道打开,产生高酸性的微环境,催化破骨细胞酶 cathepsin K 的 活性,降解胶原,分解骨头。 整合素结合到骨表面上,激活整合素依赖性蛋白激酶Src 激酶信号。
骨细胞能沿着树枝极化到骨表面,并与成骨细胞和骨衬细胞接触,感应 微裂缝、裂纹和机械负荷丧失,触发破骨细胞分化。凋亡的骨细胞可能 分泌一些因子达到骨表面诱导破骨细胞分化。
四、骨头重构的三个阶段
3周

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3月
在启始阶段,开始于造血前体细胞的募集,成骨细胞谱系表达RANKL,诱导破骨细胞分 化,形成多核破的骨细胞,吸收骨头
非经典 Wnt 通路与成骨细胞生成
非经典 Wnt 通路 通过Ca2+-CaMkII-TAK1- TAB2-NLK 信号抑抑制PPAR-γ 的转录活性,促进成骨细胞生成, Wnt5a 激活NLK,生成一个共抑制复合物,使PPAR-γ 失活,
TGF-β家族信号通路
TGF-β能调节Runx2 和 osterix 表达
RANKL/RANK/OPG系统
Wnt信号与骨吸收
非经典的Wnt信号能提高RANKL的水平,能促 Wnt5a–Ror2 信号是 进骨吸收 破骨生成的重要信号, Wnt5a 从成骨谱系细 胞中分泌,结合成破 骨细胞前体细胞上的 Ror2t和其受体复受体 上,激活Jnk,以致 cJun 募集到RANK 启 动的SP1上,促进 RANK的表达,增强 RANK诱导的破骨细胞 的生成。而 GSTsRor2是抑制骨形成。
RANKL(receptor activator of NF-κB ligand ):TNF家族成员,起巨噬细胞集落刺激 因子作用, RANKL在成骨细胞、骨髓基质细胞,以及T和B淋巴细胞中表达 RANK :RANKL受体 OPG: RANKL的可溶性受体,起抑制信号作用
RANK 信号通路
RANK 有三个TRAF结合基序,可募集6 种TRAF蛋白 • 基序1募集TRAF6,激活6条主要的信 号通路(Akt, NFATc1, NF-κB, JNK, ERK and p38) ,涉及破骨细胞的分 化、功能和存活,其功能类似于 TNF 和 IL-1,与免疫应答有关 • 基序2和3与那个TRAF结合还不是 很清楚,都能激活NF-KB,基序2还 激活P38,这两个基序涉及破骨细 胞生成,是治疗骨质疏松的靶点 。 RANK 还含有一个IVVY基序,结合 与TRAF无关的信号蛋白(?), 介导Rac的激活,涉及破骨细胞骨 架构架和破骨细胞谱系的定型, 是治疗骨质疏松的靶点。
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三、骨细胞
骨细胞在所有的骨头细胞中占 90 %,分散 在矿化的基质中。是最终分化的成骨细胞
• 形态类似于神经细胞,有长的树枝状突出的管道,在骨细胞之 间连接成网络,形成感应网络 • 骨细胞能表达许多可以调节磷盐的因子,在基质的矿化过程中 起着重要的作用 • 骨细胞能分泌硬骨素(sclerostin),是Wnt信号通路的抑制剂, 可抑制成骨细胞分化和骨形成 • 骨细胞能通过TGF-B降低RANKL的表达抑制骨吸收
骨重构各阶段及涉及的因子
红色的是正在临床应用或还在临床研究的,绿色为可能的靶
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TRAP (Tartarate resistant acid phosphatase) Trph1 (Tryptophan hydroxylase 1 WIF (Wnt inhibitory factor) sFRP (Secreted frizzled related protein)
骨质疏松的机制 和治疗药靶
一、破骨细胞与骨头吸收
破骨细胞来源于 造血干细胞,与 单核细胞和巨噬 细胞相系密切。
M-CSF:巨噬细胞集落刺激因子 RANKL:破骨细胞分化因子
CTR:降钙素(calcitonin )受体 TRAP:抗酒石酸酸性磷酸酶
RANKL是破骨细胞生成的关键因子
破骨细胞的生成
从破骨细胞 前体分化成 多核的破骨 细胞主要依 赖于RANKL 结合到破骨 细胞中的受 体RANK上, 激活破骨细 胞
• • ephrinB2在分化中的和成熟的破骨细胞中表达,而ephrinA2在早期的分化中的破骨细胞中表达。 反向,ephrinB2通过含PDZ结构域的蛋白质(如Dvl2)介导反向信号,抑制Fos和Nfatc1的转录, 抑制破骨细胞的分化。LephrinA2通过激活PCγ2介导反向信号。 向前,dEphB4通过抑制RhoA的活性刺激成骨细胞分化,而通EphA2可能增强RhoA的活性,而 抑制成骨细胞的分化。 而RhoA是如何受体EphB4和EphA2不同调节还不清楚。
骨重构过程中的偶合刺激因子和抑制因子
其中 ephrins/Ephs 非常重要
ephrins/Ephs重要的偶合因子
Eph受体与蝶素 (ephrin)在细胞表面 结合,触化双相信号: 向前,通过Eph受体 (如:EphB2),激活 Eph激酶活性和激酶依 赖信号,反向,通过 ephrin,激活Src家族 激酶和其它效应因子。 从而,改变细胞粘附、 迁移、分化。
二、成骨细胞与骨形成
成骨细胞来源于 间质干细胞(MSCs)
Osteopontin:骨桥蛋白 Osteocalcin:骨钙素 Sclerostin:硬骨素
DMP-1:牙本质基质蛋白 I COll I :胶原蛋白 I TNAP:组织非特异性碱性磷酸酶
成骨细胞生成涉及核心转录因子Runx2
Runx2 是成骨形成必需的转录因子
BMPs 属于TGFβ超级家族
• Smad依赖的BMP信号, BMP结合到R-II 和 R-I, 然后信号转导至Smads, 激活的Smads1/5/8与 Smad4 形成复合物, 转移到核,启动靶基 因表达。 Neogenin 调 节BMP受体的联系和 Smad1/5/8 信号。激 活的 Smads 调节成骨 细胞中转录因子和转 录共活化因子(Dlx5, Runx2 and Osx) 的表 达。Smad6 结合 I型 BMP受体,抑制 Smad1/5/8 的激活。 非Smad依赖的TAK1 信 BMPs 和 Wnt 信号相互作用影响骨的形成,BMPRIA 信号上调Sost 表达,主要通过Smad依赖的 号通路也调节骨形成。 信号,而它又通过Smad依赖和非Smad依赖的信号上调DKK1,Sost 和 DKK1都能抑制经典 的 Wnt 信号,导致骨质降低。
• RANKL等介导破骨细胞分化,然后,破骨细胞通过整合素avb3与骨基质上 的玻连蛋白、粘连蛋白和骨桥蛋白相互作用。
过渡阶段
• 在过渡阶段,骨吸收的破骨细胞刺激成骨细胞前体分化, 在骨吸收陷窝处激活骨的形成。随着骨形成的激活,破骨 细胞的骨吸收停止,破骨细胞通过Bim/caspase-3依赖途经过 雌激素诱导的Fas配体,经受凋亡。 • 在骨吸收过程中,破骨细胞分泌盐酸分解羟基磷灰石,以 及组织蛋白酶K分解胶原和其它基质蛋白。 • 破骨细胞的骨吸收会从基质中释放出生长因子如:TGF-b、 BMPs和IGF-II等,这些反过来又激活成骨细胞的形成。 • 破骨细胞产生分泌的或膜结合的分子能作用于成骨细胞前 体刺激骨的形成。 • 为什么成骨细胞会在骨吸收陷窝处成骨,在没有破骨细胞 的骨吸收陷窝内,V型抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)和TGFb受体相互作用蛋白(TRIP-1)可能起了重要作用。 • 骨头吸收会刺激对等的骨形成(偶联),有多少骨吸收就 能诱导多少骨形成。
转换阶段 (c) 多核的破骨细胞进行骨吸 收,诱导成骨细胞分化。 (d)破骨细胞在骨吸收陷窝内 凋亡
终止阶段 (e) 成骨细胞生成和骨细胞的 产生 (f) 进入静态
启始阶段
• 骨重构发生于对不 同剌激的响应:骨 微裂、失去机械负 荷、低血钙、激素 和细胞因子变化等 • 骨细胞定位并响应刺激,刺激表 面的骨髓基质细胞、骨血管内皮 细胞、成骨细胞分泌RANKL和一 些趋化因子,募集破骨细胞前体, 触发破骨细胞分化。
Runx2是骨形成过程中成骨细胞分化、基质产生和矿化必需的转录因子
Col1A1:胶原1型蛋白α1 ALP:碱性磷酸酶 OPN:骨桥蛋白 BSP:骨唾液酸MP1:牙本质基质酸性磷蛋白
在I型胶原蛋白弱表达的前成骨细胞中,可以检测到Runx2的表达,然而在表达 骨钙素 (OC) 的成熟成骨细胞中, Runx2 的表达下降 。随着成骨细胞转化成能 表达CD44, DMP1 和 MEPE的骨细胞,硷性磷酸酶降低,而OC升高。 Runx2的表 达和转录活性受成骨细胞分化过程中的多种蛋白质严格调节。
剌激成骨细胞分化的生长因子
两个生长因子家族刺激成骨细胞从MSCs分化,它们 都能调节Runx2的表达
Wnt TGF家族
Wnt信号通路
PCP:平面细胞极性
β-catenin 依赖性经典通路
β-catenin 非依赖性非经典通路
DDK1抑制Wnt信号
• β-catenin 稳定化后, 转移到核,与TCF结合, 促进基因表达,这些 基因包括:cyclin D1, cmyc, c-jun, VEGF、 Runx2、 Osx,以及一 些与细胞生长相关的 生长因子,如:TGF-β 等 • DKK1能竞争性结合到 LRP5/6,使后者与 Kremen 结合而失活, 导致形成 β-catenin 降 解复合物, CKIα和 GSK3β 磷酸化β-catenin, 使β-catenin通过泛素途 经被解降。
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