破骨细胞骨吸收的分子机制_张兵兵

破骨细胞骨吸收的分子机制*

张兵兵　潘　君Δ　邓小燕　赵建华综述　王远亮审校

(重庆大学生物工程学院生物力学与组织工程教育部重点实验室,重庆　400044)

摘要　破骨细胞性骨吸收是在骨的微环境内进行的复杂分子生物学反应过程,涉及到众多蛋白质和调控因子的参与。有关破骨细胞的活化,骨基质的吸收,骨吸收的调控等方面,现有的数据还不够充分。本文综述了金属基质蛋白酶(Ma trix metallo pro teinases,M M Ps)在破骨细胞移行和骨基质吸收方面的重要作用,以及破骨细胞分化因

子(Recepto r ac tiv a to r of N F-κB-ligand,RAN K L)和护骨素(Osteo pr oteg erin,O P G)在骨吸收调控网络中的地位。

关键词　骨吸收　破骨细胞　金属基质蛋白酶　破骨细胞分化因子　护骨素

Molecular Mechanism of Bone Absorption in Osteoclast

Zhang Bingbing　Pan JunΔ　Deng Xiaoyan　Zhao Jianhua　Wang Yuanliang (Key Laboratory of Biomechanics&Tissue Eng ineering(Chon gqing University),Ministry of Ed ucati on,Bioeng ineer ing

C ollege of Chon gqing University,Chong qin g　400044,China)

Abstract　Th e phy siological reco nstr uc tio n o f bone is strictly dependent on bone r eso r ption.Bo ne resor ption is believ ed to be a complicated mo lecula r reactio n pro cess that occurs in the micro circumstance o f bo ne tissue.A lo t of enzym es a nd facto rs take par t in this pro cess,yet th ere a re not eno ug h da ta with r eference to the activ atio n of osteo clast,resor ption of bo ne ma trix,reg ulatio n o f bo ne r eso rptio n.In this pape r we r eview th e im po rta nce of mat rix metallo pro teinases(M M Ps)in transfer of osteo clast and deg radation o f bo ne matrix,and the func tio n of r ecepto r activ ato r o f N F-κB-lig and(RAN K L)and o steopro teg erin(O PG)in reg ula tion o f bo ne reso rptio n.

Key words　Bo ne reso rptio n O steoclast Ma trix metallo pro teinases(M M Ps) Recepto r activ ato r of N FkB-liga nd(R AN K L) O steopr oteg erin(O P G)

在众多骨生理活动中骨吸收都是必需的,破骨细胞是负责骨吸收的功能细胞。破骨细胞在进行骨吸收以前必须穿过类骨质移动到矿化骨表面,在这个过程中金属基质蛋白酶的胶原降解作用起到了重要作用,同时M M Ps也是一种主要的骨基质降解蛋白水解酶。在骨重建过程中骨的吸收和骨的形成都要受到多种因素的调控以保持二者的平衡,如激素调节,局部因子调节等,这些因素可能通过引起RAN KL、O PG水平的变化来调节骨吸收,因此认为在骨吸收复杂的调控网络中这两种因子处于中心地位。

1　破骨细胞的形成与活化

破骨细胞(Osteoclast,O C)来源于骨髓生血干

*国家自然科学基金资助(3030084)

Δ通讯作者。E-mail:panjuncqu@ 细胞,到目前为止还不能确定它真正的祖代细胞,但OC的前驱细胞是来自与单核吞噬细胞系统不同的骨髓干细胞,有研究表明破骨细胞来自CD34+的骨髓干细胞[1]。

在破骨细胞前体细胞到成熟破骨细胞的分化过程中有一系列标志性蛋白质产生,可作为破骨细胞的识别及其分化阶段的标识。最初的破骨前体细胞(prefusio n o steoclasts)表达Mac-1和Mac-2抗原及非特异性酯酶(NSE),但对于巨噬细胞所特有的抗原F4/80表现阴性。Mac-1识别C3bl,Mac-2识别一种32KDa的糖蛋白。破骨细胞前体细胞进一步分化后表现出碱性磷酸酶(TRAP)阳性,同时表达降钙素受体。当分化为单核前破骨细胞(mo nonuclear preosteoclasts)后,N SE和Mac-1抗原消失,Mac-2抗原残余。成熟的多核破骨细胞表达碳酸脱水酶II(ca rbo nic anhydrase II),c-Src, v acuola r H+-A TPase,M M P-9,组织蛋白酶K,整合

生物医学工程学杂志

J Biomed Eng　2005;22(6)∶1283～1286

素αvβ3,以及大量的降钙素受体。这些蛋白是破骨细胞分化过程中的特征蛋白,但也能被巨噬细胞所表达。破骨细胞所特有的标记是能够与降钙素结合,并在降钙素的刺激作用下产生cAM P。

O C的活化是骨吸收启动的前提,OC活化是指成熟OC由静息状态向激活状态转变时形态、功能的改变,包括向矿化骨表面移行黏附、吸收功能区的形成、多种酶的合成分泌等。长骨发育阶段破骨细胞前体细胞通过软骨基质的移动是一个适合研究破骨细胞移动的模型,在这个模型中破骨细胞前体细胞从围绕软骨的骨领(bo re colla r)通过类骨质和非矿化软骨移动到接近钙化软骨的地方。有研究显示这种移动依赖于一些金属基质蛋白酶(M M Ps)的活性,Blavier等[2]发现M M P抑制剂能够完全抑制长骨骨髓腔的形成,因此认为M M Ps是破骨细胞移动到骨吸收表面的关键因素。Delaisse等[3]将破骨细胞种植在胶原包被的膜上,模拟破骨细胞通过骨领类骨质的移动,试验过程中考察不同的蛋白水解酶抑制剂对破骨细胞通过胶原移动的影响,结果发现MM P抑制剂具有抑制破骨细胞通过胶原移动的能力。这一结果显示破骨细胞在没有其他细胞但有MM Ps存在的情况下具有通过胶原移动的能力。

进一步的研究发现,M M P-9和MM P-14的缺失阻碍了破骨细胞的移动[4,5]。并且,缺失M M P-9和M M P-14的破骨细胞表现出不同的移动行为,前者会聚集在类骨质和软骨界面处,后者聚集在类骨质和围绕它的骨膜细胞层之间。这种聚集在不同部位的现象显示破骨细胞通过类骨质的移动不需要MM P-9但需要MM P-14。但也有观点认为,M M P -9对破骨细胞聚集到初级长骨骨干中心(co re of the diaphysis of primitiv e long bones)起作用。在体外试验中M M P-9只能微弱的降解来自矿化软骨的II型胶原,但是和M M P-13结合后降解作用显著提高,MM P-13在骨干中轴的肥大软骨细胞中有很高的表达量,并且它能结合到软骨中隔(car tilage septae)。因此认为M M P-9的胶原溶解增强作用能够提高细胞通过中隔的移动。另外有报道,M M P-9作用的软骨基质释放有趋化作用的血管内皮细胞生长因子(V EGF),它可诱导破骨细胞入侵矿化软骨[4]。

破骨细胞移动到骨吸收区域以后,发生极化形成特殊的功能区域。封闭区(sealing zo ne)在细胞和骨表面间形成独特的微环境,在这个区域质膜紧密的黏附在骨基质上,从细胞外液中封闭形成吸收陷窝。皱缘区(ruffled bo rder)由供酸小囊泡融合而成,是真正负责骨吸收的部位。这种融合的过程发生在封闭区内,在这个过程中有大量内膜被转移用于形成长的指状折叠。在骨吸收的过程中皱缘区通过胞吞作用由基底侧不断提供的膜材料维持。通过特殊的胞吞转运作用(transcytosis)在皱缘区和功能分泌区(functional secreto ry dom ain)之间这种膜的循环是稳定的[6,7]。一个吸收周期结束以后破骨细胞能够经历下一个吸收周期,或者程序化死亡。对于骨吸收停止的信号知道的还很少,有可能是质膜受体感受到吸收腔内的高钙水平,促使骨表面的破骨细胞退缩并停止骨吸收,另外一些抑制骨吸收的因子能够诱导破骨细胞的凋亡,如雌激素,二膦酸盐等。

2　破骨细胞性骨吸收

骨基质的降解首先是羟基磷灰石的溶解,它是骨主要的无机成分。目前公认的无机质的溶解是由从皱缘区分泌到封闭区的酸所致。在皱缘区膜上的大量的质子泵使得吸收腔内保持低p H。皱缘区的质子泵属于vacuo lar-ATPases家族。与骨吸收相对的一面有Cl-/HCO3-交换器,电中性由褶皱膜上与H+-A TPase电耦合的Cl-通道维持,这些运输共同作用的结果是HCl运输到吸收微环境中,提供的p H大约为4.5。提供给质子泵的质子至少部分的由细胞质内的碳酸脱水酶产生,破骨细胞能够表达大量的碳酸脱水酶II。

关于骨有机质降解的酶及其作用,现有的数据还不是很充分。近几年有关金属基质蛋白酶(M M Ps)在骨有机质降解中的作用已受到重视。

金属基质蛋白酶(M M Ps)属于锌结合肽链内切酶家族,是包括骨组织在内的多种组织胞外基质降解所必须的,目前已经在哺乳动物中发现20多种M M Ps成员。已知成骨细胞产生M M P-1,M M P-2,M M P-13和MM P-14破骨细胞产生M M P-9[8]。一些MM Ps在骨吸收区域被检验到,包括间质胶原酶M M P-13和MM P-14,白明胶酶M M P-2、M M P-9、M M P-12等,因此成骨细胞产生的M M Ps (MM P-2、-13)的诱导作用对于骨的吸收是必须的。在肿瘤转移的骨中MM P-2,MM P-13和M M P-14的表达显著提高,并且在癌诱导的骨质溶解鼠模型中,M M P抑制剂减少了骨质的溶解和ICT P的量[9,10],提示M M Ps是肿瘤转移引起的骨质溶解所必须的,MM Ps分解产生的血清胶原碎片ICTP是检验一些肿瘤转移骨质溶解的典型指标。通过基因

1284 生物医学工程学杂志 第22卷