运动中雌激素通过OPG-RANKL-RANK系统对骨代谢的影响

侯 颖 郑 陆 朱一力

(首都体育学院 研究生部，北京 100088)

运动中雌激素通过OPG-RANKL-RANK系统对骨代谢的影响

侯 颖 郑 陆 朱一力

(首都体育学院 研究生部，北京 100088)

OPG-RANKL-RANK系统是骨生物学史上的重要里程碑式发现。该系统作为调节破骨细胞和成骨细胞分化的关键轴，受到了越来越多人的关注。适量运动中雌激素可通过OPG-RANKL-RANK系统，维持并调控着骨形成与骨吸收动态平衡过程。过量运动可能因影响体内雌激素水平和骨的微结构，导致骨量及骨强度的降低。本文采用文献资料法，对该系统进行简要介绍，并通过总结归纳，来讨论适量运动和过量运动中，雌激素经OPG-RANKL-RANK系统对骨代谢的影响。

适量运动；过量运动；OPG；RANKL；骨代谢；雌激素

1 OPG-RANKL-RANK构成及其作用

1.1OPG—骨保护素

OPG是由Simonet[1]在1997年对大鼠小肠进行cDNA测试时所发现的一种分泌型蛋白，它可以明显抑制破骨细胞分化，引起骨密度增高，故名骨保护素。OPG含有七个结构域，N端有D1-D44个富含半胱氨酸的域。C端有2个D5-D6相互串联的“死亡域”,D7 参与结合肝素，形成同源二聚体[2]。OPG还是含有21个氨基酸的信号肽和380个氨基酸的成熟肽，它有单体和二聚体两种形式，单体存在于成骨细胞中，二聚体则可分泌入基质中，它的单体分子量为55-62kD，二聚体分子量为110-120kD[3]。OPG分布于骨髓基质细胞、成骨细胞、成纤维细胞、主动脉平滑肌细胞、成骨肉瘤MG63细胞、乳腺癌细胞MCF27以及单核细胞、树突状细胞及B淋巴细胞中[4]。

OPG具有抑制骨吸收的功能。通过阻断RANKL与RANK的结合，抑制成熟破骨细胞活化及骨吸收活性，导致破骨细胞凋亡。OPG转基因过量表达的小鼠表现为骨硬化症。而OPG基因敲除的小鼠则表现为严重的骨密度和骨强度降低[5]。OPG还在脉管系统疾病中起作用，在Bucay和Mizuno[6,7]的研究中，敲除新生4月龄鼠的OPG基因，不仅表现为破骨细胞生成增加导致严重的骨质疏松，而且表现为大动脉硬化、动脉内膜和中层增生，形成分割性主动脉瘤。

1.2RANKL—OPG的结合蛋白

RANKL是1998年Lacey等[8]人在研究破骨细胞分化时发现的，又叫做骨保护素配体，属于TNF受体家族成员，为Ⅱ型跨膜蛋白[9-13]，有两种存在形式：一种是膜结合型蛋白，分子量为40-45kD；另一种是游离型多肽，是膜结合型RANKL的膜外区部分被蛋白水解酶水解后释放的可溶性分子，分子量为31kD，以膜结合型RANKL生理功能为强。人和大鼠RANKL分子分别包含317、316个氨基酸残基，具有83%-87%同源性[14,15]。RANKL mRNA可在多种组织表达，在骨组织如骨骼、骨髓淋巴组织如淋巴结、胸腺、脾、肝、肠系膜下集合淋巴结中较高。

RANKL基因敲除的小鼠，表现为严重的全身骨硬化，破骨细胞缺乏。给予RANKL后症状改善，应用重组的RANKL，可使动物出现严重的骨质疏松和高钙血症。正常小鼠静脉中注射RANKL一天后血钙明显升高，三天后发生骨质疏松。RANKL在骨骼中的生物学作用是促进破骨细胞分化，增强成熟破骨细胞的活性，抑制破骨细胞凋亡，并完成破骨细胞从前体到成熟的分化过程，但可被OPG阻断。

1.3RANK—RANKLOPG的受体

RANK为Ⅰ型跨膜蛋白，含有616个氨基酸，属于肿瘤坏死因子家族成员。基因定位于18q22.1，人和鼠的同源性为70%。在骨组织(破骨细胞的前体细胞、成熟破骨细胞、软骨细胞)、胸腺、肝脏、直肠、小肠及肾上腺都有表达。激活RANK的编码序列1，可使核因子NF-κβ受体活化因子RANK增加，促使破骨细胞的生成，骨质溶解加强。骨吸收速度快，破坏矿化的基质，表现为Paget病。

RANK是破骨细胞上RANKL的唯一受体，其主要功能是在破骨细胞及其祖细胞表面上与RANKL结合，直接促进破骨细胞的分化、活化、成熟，阻止破骨细胞凋亡。RANKL-RANK使破骨细胞完成由前体向多核破骨细胞的转化。RANK基因敲除的小鼠，表现为明显的骨质疏松，并且缺乏成熟的破骨细胞。Hsu等用RANK与IgGFc的融合蛋白阻止了RANK与RANKL的结合，从而阻止了破骨细胞的分化与成熟，进一步证明RANK对破骨细胞功能的重要性。

1.4OPG-RANKL-RANK系统的作用

人的骨骼是一个不断进行着骨吸收和骨重建的动态调节过程。破骨细胞是一个可以吸收骨质的多核巨噬细胞，OPG-RANKL-RANK系统则是调节破骨细胞分化、活化、成熟及凋亡的最终调节因子。成骨细胞、骨髓基质细胞表达、分泌RANKL，激活密切接触的破骨细胞前体细胞上的RANK，之后破骨细胞发生、成熟，骨吸收、启动骨重塑。与此同时，成骨细胞、骨髓基质细胞表达OPG，OPG一方面促进破骨细胞凋亡，另一方面与RANKL竞争性结合RANK，抑制破骨细胞生成、成熟、终止骨吸收，并通过临近接触的成骨细胞促进骨形成。因此，OPG-RANKL-RANK轴是骨吸收与骨形成保持动态平衡的关键，故又被称为“骨代谢调节轴”。

2 雌激素对骨代谢的效应

骨是雌激素的重要靶器官之一，雌激素受体(estrogen receptor,ER)存在于成骨细胞、破骨细胞和骨细胞中。雌激素，尤其是雌二醇(E2)可以作用于成骨和破骨细胞表面的受体直接影响骨的形成与吸收，也可以通过这些细胞分泌局部调节因子来影响骨代谢，雌激素通过刺激成骨细胞表达OPG来对抗骨吸收。

许多研究表明，OPG-RANKL-RANK与骨代谢疾病有关。许多因素可以通过该轴导致骨质疏松。贾少杰等人在绝经后女性骨质疏松与OPG、RANKL和ApoE(载脂蛋白)的研究中显示，当雌激素缺乏时，破骨细胞前体细胞数量和破骨细胞数量增加。由于成骨细胞上的OPG可以竞争性阻断RANKL与RANK结合，从而抑制了破骨细胞的成熟，所以当补充雌激素后OPG-RANKL结合表达明显上升。说明雌激素可通过增加股骨中OPG和RANKL的表达，抑制破骨性骨吸收，防止骨质疏松。体内调控破骨细胞的多种因子和激素几乎都是通过影响OPG和RANKL的分泌实现的。Seremak对高加索地区的绝经妇女基因型的研究表明，通过雌激素替代疗法对缓解绝经后骨质疏松非常必要。大量的体外实验也证明雌激素介导了对该系统的作用，苏欣等用酶消化法从正常人的松质骨中分离成骨细胞，进行体外培养和功能鉴定，观察用雌二醇(17β-E2 )和雌激素受体拮抗剂ICI182780处理后，成骨细胞中OPG表达上调。Saika等运用小鼠基质细胞ST-2探讨雌激素缺乏对OPG表达的影响，给予ST-2细胞17β-E2可使OPGmRNA 水平及蛋白表达增加，Bord S等在人类成骨细胞培养中，于24和48h内分别注入17β-E2，发现OPG蛋白表达在24h和48h有明显增加。RANKL在24h有所增加，但没有维持至48h。最新有研究显示，补充大剂量的雌激素会引发高泌乳激素血症，它会对OPG骨保护系统产生抵制。增加骨质疏松的危险，并且导致前庭失调。

3 适量运动雌激素经OPG-RANKL-RANK系统对骨的影响

3.1适量运动对骨量的作用

适宜运动可通过对骨的牵拉、扭转、剪切等不同的刺激，促进骨建构和骨重建，从而增加骨量和骨强度。运动产生的力学信号可通过力学耦联、生化耦联、信号转导和受体细胞应答的方式，使细胞因子和相关激素如雌激素含量变化，促进OPG mRNA表达，抑制RANKLmRNA表达，增加成骨细胞OPG合成，进而对骨产生积极影响。

适宜运动可使妇女绝经推迟，在更长时期内分泌E2，这样可以使骨丢失量减少，达到防治骨质疏松的目的。一般认为，以最大摄氧量为40%-80%的中等强度的运动，能使骨量增加，若运动强度超过80%的运动，反而使骨量减少。Aloia等对平均年龄为52岁且闭经4年的妇女进行了1年的研究。结果发现，每日平均做25min室内运动的实验组比不运动的对照组骨量增加约5%。Hatori等观察了不同运动强度对绝经女性骨质的影响，结果发现30min/天、3次/周、持续28周高于无氧阈值强度的运动可显著增加骨密度，而同样方案，低于这一强度的运动对骨密度则无明显影响。显然，过低和过高的运动强度都无法使骨维持正常的代谢平衡。

不同的运动方式对骨的影响也是不一样的。有实验显示，同一负荷中，跑台运动和游泳运动均能增加骨的矿物含量，但是对骨的抗变形能力跑台运动要优于游泳运动。而游泳运动对骨的抗断裂能力要强于跑台。Bass等研究8至17岁的女子网球运动员的负重上肢，和不负重上肢的骨外膜横截面积、皮质骨面积，结果显示负重上肢的骨密度要显著高于不负重上肢的骨密度。这说明足够的负荷刺激，是维持骨密度的必要前提。

3.2适量运动雌激素对骨代谢的调节

代毅的研究发现，适宜健身运动植物雌激素复合作用可以抑制破骨细胞的代谢，减少破骨细胞分泌和阻止骨丢失。张林等实验发现，运动和钙补充半年后，绝经后妇女雌激素水平略升高。徐红等研究结果显示，15到16岁艺术体操运动员的血中E2高于柔道运动员。以上研究表明，适宜运动可以使与骨代谢相关的激素发生正性变化，影响某些局部调节因子，从而影响骨的重建过程。研究表明，适量运动一方面可以促进血液循环，促进神经体液的调节，改善激素的调控过程，而雌激素可直接作用于成骨细胞和破骨细胞上的雌激素受体，对骨代谢进行调节；另一方面，骨骼机械负荷促进骨细胞将基质所承受的机械压力转换为化学信号再传给成骨和破骨细胞，以调节骨的建造和改建过程；而雌激素等主要影响骨代谢的激素又通过OPG-RANKL-RANK系统而实现对骨代谢的调节。

3.3雌激素对OPG-RANKL-RANK系统的影响

Shevde等通过实验发现，雌激素可通过雌激素受体抑制RANKL和破骨细胞形成。陈一冰等人对去卵巢大鼠OPG表达的研究发现，去卵巢大鼠给予雌激素后，腰椎OPGmRNA表达升高。雌激素对人成骨细胞OPG表达有升调节作用，对RANKL表达有降调节作用。贾少杰等对去卵巢小鼠股骨的OPG、RANKL进行观察发现，去卵巢组OPG表达明显升高，破骨细胞的生成减少，骨吸收受抑。说明，雌激素通过OPG-RANKL-RANK系统对骨代谢予以调节。West SL等人的实验证明，绝经前锻炼组妇女的OPG水平明显高于非锻炼组绝经前妇女，但是绝经锻炼组妇女骨密度比绝经前锻炼组低，说明雌激素分泌减少，影响OPG表达。

4 过量运动雌激素经OPG-RANKL-RANK系统对骨的影响

4.1过量运动中雌激素的变化

对雌性大鼠进行递增式负荷训练至过度训练过程中，随着运动负荷的加大及加强，垂体、下丘脑和性腺轴抑制，雌激素水平下降。王人卫等对大强度运动训练中雌性大鼠性激素和BMD的研究结果表明，中长期的大强度运动可导致大鼠骨量减少且BMD的改变与运动引起雌激素的变化分不开。人体实验也发现，女性进行剧烈运动月经失调发生率很高，特别是长跑运动员、三项全能女运动性闭经最为常见，高强度的运动训练还可推迟青春期的发育。上述研究结果均证实，过量运动至少部分地通过对性腺轴的抑制，降低整体雌激素水平，进而干扰骨代谢。

4.2过量运动雌激素对OPG-RANKL-RANK轴骨代谢的变化

Kerschan-Schindl K等让训练者连续跑步246km，测试发现，血清中RANKL含量明显增加，表明出现暂时性的骨吸收强于骨形成的现象。Bourrin用5月龄雄性大鼠进行了大强度跑台运动(80%VO2max)11周，通过组织计量学方法，证实所测骨骼发生了明显的骨丢失。表明高强度运动不能改善骨代谢，反而由于骨组织微损伤加剧，超微结构改变，加快了骨丢失。高丽等的实验证明，长期大强度跑台运动，导致运动性动情周期抑制大鼠骨组织OPGmRNA下降，RANKLmRNA升高。究其原因可能由于雌激素水平降低，改变了骨组织局部因子水平，进而改变了骨组织OPG及RANKL的表达，使骨小梁数目明显变少、纤细、排列稀疏、骨髓腔增大。证明长期的大强度耐力运动会造成动情周期抑制，骨组织结构破坏加剧，自我更新缺损的能力降低。

5 小结

综上所述，雌激素在骨量维持中具有很重要的作用，适量运动在骨量维持中同样具有积极作用。适量运动至少部分地通过改善体内雌激素状况而发挥健骨效应，而雌激素对骨代谢的影响效应，则是通过OPG-RANKL-RANK系统，调控骨形成与骨吸收动态平衡过程得以实现。健骨运动的负荷需适度，过量运动可能因影响体内雌激素水平和骨的微结构，导致骨量及骨强度的降低。

[1] Simonet WS,Lacey DL,Dunstan CR,et al.Osteoprotegerin:a novel secreted protein involved in the regulation of bone density[J].Cell,1997,89(2):309-319.

[2] Yamaguchi K,Kinosaki M,Goto M et al.Characterization of structural domains of human osteoclastogenesis inhibitory factor[J].J Biol Chem,1998,273 (9):5117-5123.

[3] Tomoyasu A,Goto M,Fujise N et al.Characterization of monomeric and homodimeric forms of osteoclastogenesis inhibitory factors[J].Bio-chem Biophys Res Com,1998(245):382-387.

[4] Tsuda E,Goto M,Mochizuki S I et al.Isolation of a novel cytokine from human fibroblasts that specifically inhibits osteoclastogenesis[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,1997(234):137-142.

[5] XuYong,Yanghua,et al High-bone-turnover Osteoporosis and Aortic Calcification in Opg Knockout Mice[J].Progress in Biochemistry and Biophysics,2007,34(3):260-266.

[6] Bucay N,Sarosi I,Dunstan CR,et al.Genes Dev[J].1998(12):1260-1268.

[7] Mizune A,Amizuka N,Irie K,et al.Biochem Ciophys Res Commun[J],1998(247):610-615.

[8] Lacey DL,Timms E,Tan HL,et al.Osteoprotegerin Ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation[J].Cell,1998(93):3597-3620.

[9] Lum L,Wong BR,Josien R,Becherer JD,Erdjument-Bromage H,Schlondorff J,et al.Evidence for a role of a tumor necrosis factor-alpha(TNF-alpha)-converting enzyme-like protease in shedding of TRANCE,a TNF family member involved in osteoclastogenesis and dendritic cellsurvival[J].J Biol Chem 1999(274):13613-13618.

[10] Kong YY,Yoshida H,et al.OPGL is a key regulator of osteoclastogenesis,lymphocyte development and lymph-node organogenesis[J].Nature,1999(397):315-323.

[11] Miyamoto N,Higuchi Y,Mori K,Ito M,Tsurudome M,Nishio M,et al.Human osteosarcoma-derived cell lines produce soluble factor(s) that induces differentiation of blood monocytes to osteoclast-like cells[J].IntImmunopharmacol，2002(2):25-38.

[12] Lam J,Nelson CA,Ross FP,Teitelbaum SL,Fremont DH.Crystal structure of the TRANCE/RANKL cytokine reveals determinants of receptor-ligand specificity[J].J Clin Invest,2001(108):971.

[13] Nagai M,Kyakumoto S,Sato N.Cancer cells responsible for humoral hypercalcemia express mRNA encoding a secreted form of ODF/TRANCE that induces osteoclast formation[J].Biochem Biophys Res Commun,2000(269):532.

[14] Lacey DL,Timms E,et al.Osteoprotegerin (OPG) ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation [J].Cell,1998(93):165-176.

[15] Yasuda H,Shima N et al.Osteoclast differentiation factor is a ligand for osteoprotegerinPosteoclastogenesis2inhibitory factor and is identical to TRANCEPRANKL[J].Proc Natl Acad Sci,1998(95):3597-3602.

EffectoftheExerciseofEstrogenthroughOPG-RANKL-RANKSystemonBoneMetabolism

Hou Ying，Zheng Lu，Zhu Yili

(Postgraduate School,Capital Institute of Physical Education，Beijing，100088,China)

OPG-RANKL-RANK signal pathway is a milestone in the history of bone biological.OPG-RANKL-RANK system regulates the differentiation osteoclasts and osteoblast,which has recently been identified as important mediators in the pathogenesis of osteoporosis.In appropriate exercise through OPG-RANKL-RANK the estrogen can maintain and control the dynamic balance of bone formation and bone resorption process.Excessive exercise may affect estrogen levels and bone micro-architecture,resulting in bone mass and bone strength decrease.In this essay,by means of literatures,a brief description of this system is introduced and summarized to discuss about the influence of estrogen by OPG-RANKL-RANK signal pathway in bone metabolism of the appropriate amount of exercise and excessive movement.

appropriate exercise;excessive exercise;OPG;RANKL;bone metabolism;estrogen

2009-11-23；

2010-01-27

北京市人才强教“学术创新团队”项目——运动与女性骨健康资助(2007)。

侯颖(1983-)，女，北京人,在读硕士研究生,研究方向：运动生理病理学。

G804.21

A

1672-1365(2010)03-0073-03