Notch信号通路与地方性氟中毒骨损害

万 雯(综述)，于燕妮(审校)

(贵阳医学院病理学教研室，贵阳550004)

地方性氟中毒(简称地氟病)是由于环境，包括水土和食物中氟元素含量过多，导致生活在该地区的人群长期摄入过量氟而引起的慢性全身性疾病。地氟病涉及人口众多，几乎遍及五大洲50多个国家和地区，尤其以亚洲、非洲的发展中国家为重［1］。我国是地氟病流行最为严重的国家之一，由于其发病机制尚未完全阐明，部分病区人群仍处于高氟的危害中。地氟病导致骨再建过程紊乱形成氟骨症，病理改变以骨转换加速为其重要特征，表现为骨吸收与骨形成的动态平衡破坏。成骨细胞引起的骨形成与破骨细胞引起的骨吸收是维持骨完整的关键，在骨形成与重建中扮演着重要角色。过量氟可造成成骨与破骨活动均增强的骨转换增高状态［2-3］。随着大量氟中毒实验的进行，越来越多的证据表明，Notch信号通路在成骨细胞和破骨细胞的增殖、分化过程中有重要作用。现就目前对Notch信号通路和骨代谢以及地氟病骨组织中Notch信号通路的研究进行阐述。

1 Notch信号通路

Notch基因早在1917年由Wharton等［4］在果蝇中研究发现，随后大量的研究证明Notch信号转导通路广泛存在于脊椎和非脊椎动物中，是一条影响细胞命运的、保守而重要的细胞间信号转导通路，几乎涉及所有细胞的增殖、分化和凋亡及一系列生理、病理过程。

Notch信号通路由受体、配体和DNA结合蛋白三部分组成，果蝇中存在Notch受体和两个配体(Delta、Serrate)，哺乳动物中有 4个同源受体和5个同源配体，其中同源受体是Notch1-4。所有的同源Notch受体都是Ⅰ型跨膜蛋白，均由胞内区、跨膜区和胞外区组成。同源配体有两类，与Delta高度相似的配体称为Delta或Delta样，有 Delta1、Delta3、Delta4与Serrate相似的称为 Serrate或 Jagged，包括 Jagged1、Jagged2，同源配体也是Ⅰ型跨膜蛋白［5］。Notch信号途径从无脊椎动物到脊椎动物都是高度保守的，其信号转导无需第二信使和蛋白激酶的参与，可直接接收邻近细胞的信号并传到细胞核，激活相关转录因子的表达［6］。配体与受体的结合触发了发生在受体上的两次蛋白水解事件，第1次裂解发生在胞外，被解联蛋白与金属蛋白酶家族的金属蛋白酶催化，释放部分胞外片段，剩下部分粘连在细胞膜上，称为“Notch-intro TM”。第2次裂解由复合酶体γ-分泌酶催化发生，这次裂解释放了Notch受体的胞内区(Notch intracellular domain，NICD)，NICD 直接转位到核内，同DNA结合蛋白CSL和CSL的辅激活物协同激活因子一起开启下游基因的转录［CSL是CBF1、Su(H)、Lag-1 首写字母的缩写，CBF1、Su(H)、Lag-1分别是这个蛋白在哺乳动物、果蝇、线虫的不同名称［7］］。

Notch的胞内区不存在时，CSL是一个转录抑制因子，当Notch信号激活后，NICD进入胞核与CSL蛋白结合，将原来的“协同抑制复合物”转换为“协同活化复合物”。在经典的Notch信号转导通路中，被转录的基因有 HES(hairy enhancer of Split)1、HES5、HES6、HES7、HEY(HES-related with YRPF motif)1、HEY2 及HEYL，其中HES1和HES5在Notch信号通路中发挥重要作用。除了CSL依赖型的经典途径外，Notch信号通路还存在不需CSL调控的非经典途径或通过与其他信号途径发挥作用，但具体机制尚不清楚［8］。

2 Notch经典通路与成骨

以往对Notch信号转导通路的研究主要集中在免疫和肿瘤方面，近来有许多证据表明Notch信号参与了成骨细胞的分化和骨形成，并可能对成骨细胞的分化和骨质形成有抑制作用。Baron等［9］检测Kusa-A1(属于成骨前体细胞)成骨分化过程中Notch相关基因 Delta1、Jagged1、CBF1、HES1的表达及变化，发现4种分子在Kusa-A1细胞均有表达，说明Notch信号参与成骨细胞分化。Wang等［10］实验表明，Notch的主要核调节者——主要在成骨细胞中表达的Rbpj(即CSL)参与成骨过程，并可能在成骨细胞分化中发挥重要作用。Rbpj的过度表达促进了鼠Kusa-A1细胞的成骨分化。瞬时转染Rbpj表达载体至Kusa-A1细胞，上调成骨细胞特异转录因子和作用元件的活性。在建立稳定过表达Rbpj的Kusa-A1(Kusa-A1/Rbpj)细胞株中检测到增强的成骨潜力，包括高碱性磷酸酶活性，快速的钙沉积以及增加的钙化结节形成。与Kusa-A1细胞相比，转染的Kusa-A1/Rbpj细胞矿化程度提高。另外，Notch信号转导通路并不是通过影响成熟成骨细胞的功能来发挥其调节作用，而是通过调节其前体的分化来发挥作用的。Engin 等［11］和 Zanotti等［12］将 NICD 的表达分别置于2.3 kb和3.6 kb胶原Ⅰ型启动子控制之下的转基因小鼠时，出现了不同的表型，前者抑制了成骨细胞分化的终末阶段致使形成了较多未成熟或功能紊乱的成骨细胞，导致骨量增加及生长迟缓，而后者则在成骨细胞分化的早期发挥抑制作用，从而致使成熟成骨细胞的数量减少，导致骨量下降。除了体外研究，许多体内研究报道亦有利于Notch信号转导通路的认识。Hilton等［13］运用条件等位基因从基因水平上去除骨骼发育过程中Notch信号系统的组成部分，发现Notch信号通路的受阻显著增加了未成年小鼠体内骨小梁的骨量。然而，在高骨量小鼠的骨髓中间充质祖细胞几乎消耗殆尽，随着年龄的增长，这些小鼠会出现严重的骨质疏松。此外，Notch似乎是通过HES或HEY蛋白与成骨分化特异性转录因子之间的相互作用，降低Runx2的转录活性而抑制成骨细胞分化的，表明骨髓中的Notch信号通路通过降低成骨细胞的分化起到了维持间充质祖细胞池的作用。另外，Tao等［14］研究发现，激活成骨细胞的Notch信号促进细胞增殖，抑制细胞分化，从而导致转基因小鼠出现骨质硬化表型。随后预先条件性地激活Notch1胞内结构域，在体内向成骨细胞的特异性表达使其出现同样的表型，再选择性删除一个Notch核受体——成骨细胞中的Rbpj，发现骨硬化和生长发育迟缓的表型完全受到抑制。同时，从获救小鼠的细胞和分子分析证实成骨细胞中NICD依赖的分子转化完全被Rbpj去除途径所逆转。可见，成骨取决于成骨细胞Notch信号的激活本质上是经典的，因为它完全依赖于Rbpj信号，标志着Rbpj作为一个特异的目标在Notch失调的成骨细胞自主经典的骨疾病中操纵着Notch信号通路。

3 Notch经典通路与氟中毒

氟是人体必须的微量元素之一，其化学性质活泼，能直接与多种元素化合，并以各种形式分布于水、土壤、空气和动植物体中，对人类的健康有着直接的影响。然而，氟的安全范围很窄，缺氟或摄氟过量均会引起机体代谢发生紊乱从而引起地氟病。我国地氟病病区范围广、病情重、受威胁人口多，目，全国地氟病病区人口已达1.1亿，其中氟斑牙患者2102万人，氟骨症患者136万人，受威胁人口8395.6万多人，而尚无有效的预防控制和治疗措施，进一步研究氟病的发生机制、发展规律显得尤为重要［15］。

氟中毒对机体的损伤多样，主要表现为氟斑牙和氟骨症，而氟骨症的一系列(如骨硬化、骨质疏松、骨变形和骨折等)骨骼病变伴发的氟性关节病，引起关节疼痛、行走和运动困难又是对人体最为严重的危害［16］。近年来，随着大量动物实验和体外细胞培养的进行，已有充分依据证明成骨细胞功能活跃是一个发生较早并起主导作用的环节，在此基础上的骨转换加速是氟骨症的特征性病变，是形成骨病变多样性的病理基础［1，17］。结合目前已知氟骨症的发病机制可以看出，骨骼损伤的环节是氟中毒骨骼病变的关键，而Notch信号通路在成骨过程中的重要作用推测其在氟骨症的研究中有着不可忽视的重要价值。然而，Notch信号的激活或抑制并非以该通路中单一上下游分子的线性作用进行，还有很多其他信号途径的成员或分子参与其中，从而形成了复杂的网络效应。已有大量文献报道了Notch与核因子κB的相互作用，这两大信号途径的聚焦点在NICD与核因子κB的表达水平，而在与Wnt通路的串话中，则既有一些直接的交叉，如Wnt蛋白可通过与一些亚型的Notch受体结合调控其下游，CBF1可促进一些编码Fz(Wnt信号通路的受体——卷曲蛋白)基因的表达，又有诸多间接的关联，如两个通路中的一些途径都参与对共同基因的表达调节等［18-21］。以往研究p38通路、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路、核因子κB通路等信号通路与氟骨症关系密切，但氟中毒对骨组织损伤的网络调控机制仍不清楚［22-24］。因此，结合氟中毒骨骼损伤的多种病理变化类型，深入研究Notch信号通路，并联系各通路间的网络信号调控非常必要。

4 结语

Notch信号通路在细胞增殖分化及凋亡中起着重要作用，是许多重要细胞信号通路的交汇点，研究已经表明Notch信号通路参与了成骨细胞的分化和骨形成，与地方性氟中毒骨损害关系密切，深入探讨该信号通路及其相关信号分子在氟中毒骨组织中的变化规律，对进一步研究地方性氟中毒的发病机制及其预防、治疗措施具有重要意义。

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