表观遗传调控与骨质疏松症的研究进展

郑 洁，郭海英，潘思京，张鹏飞

(1.南京中医药大学 第二临床医学院，江苏 南京 210023； 2.陕西中医学院 针灸推拿系，陕西 咸阳 712046)

短篇综述

表观遗传调控与骨质疏松症的研究进展

郑 洁1，2，郭海英1*，潘思京1，张鹏飞1

(1.南京中医药大学 第二临床医学院，江苏 南京 210023； 2.陕西中医学院 针灸推拿系，陕西 咸阳 712046)

表观遗传指所有不通过 DNA序列改变就能影响基因表达的、可遗传的调控方式，包括 DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和微小RNA(miRNA)等。骨质疏松的发生与环境和遗传因素的相互作用密不可分，其中涉及多种表观遗传调控机制。

表观遗传; 骨质疏松症; DNA甲基化; 组蛋白修饰; 微小RNA

骨不仅具有支持躯体、保护内脏器官的作用，还兼具多种代谢功能，尤其在维持机体矿物质平衡中发挥着重要作用。骨组织自发育阶段就始终处于骨吸收与骨形成不断循环的动态平衡，这一过程被称为骨重塑。当骨吸收大于骨形成时，就会引起骨量减少，进而导致骨质疏松症的发生。表观遗传(epigenetics)指所有不通过 DNA序列改变就能影响基因表达的、可遗传的调控方式，包括 DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和微小RNA(miRNA)等[1]。近年的研究发现，表观遗传机制在包括骨质疏松症在内的多种疾病的发生中起到了不可忽视的作用。本文将近年来表观遗传机制在骨代谢及骨质疏松症发病中的研究进展作一综述。

1 表观遗传调控与骨形成

骨形成是间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs) 通过迁移、增殖、分化，在骨吸收部位形成成骨细胞，并介导新骨组织形成的过程，其中MSCs 的成骨分化是骨形成的核心过程[2]。研究发现，MSCs 的成骨分化涉及多种复杂的表观遗传调控机制，包括DNA甲基化、miRNA和组蛋白修饰。

1.1 DNA甲基化与成骨分化

DNA甲基化主要发生在CpG双核酸位点。通常DNA甲基化会抑制所调控基因的表达而在组织特异性基因沉默、基因组印记及染色体稳定性维持等过程中发挥重要功能。碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)是由成骨细胞分泌并催化骨矿化的酶，其活性在成骨细胞保持较高水平而在骨细胞逐渐降低。研究发现，人成骨细胞和骨细胞的ALP启动子区具有相反的DNA甲基化谱，前者ALP启动子区呈低甲基化，后者ALP启动子区呈高甲基化，表明DNA甲基化途径可抑制ALP在骨细胞的表达[3]。成骨细胞骨转移中，硬化蛋白编码基因(SOST)在成骨细胞的低表达与SOST启动子区高甲基化密切相关[4]。骨髓MSCs中核心结合因子(Runx2)、骨钙蛋白(BGLAP)及骨桥蛋白的高表达常伴随过渡性CpG岛低甲基化，表明CpG岛的低甲基化参与了成骨分化的调控[5]。

1.2 miRNA与成骨分化

miRNA是一种普遍存在的内源性单链小分子非编码蛋白质的RNA，由21～25个核苷酸组成，miRNA通过与目的基因结合介导转录后基因调控。miRNA阵列分析显示，MSCs向成骨细胞分化过程中，一些miRNA表达水平的变化会影响目的基因的转录，进而调控MSCs成骨分化[6]。现已证实，Runx2和Smads等关键成骨转录因子的表达均受到miRNA的调控。miR-204和其同源物miR-211，以及miR-133、miR-135b等对Runx2的表达具有抑制作用[7-8]。反过来，Runx2也调控一些参与成骨过程的miRNA的表达[9]。此外，miR-23a ～ 27a ～ 24-2复合物可通过对人特异性富含AT序列结合蛋白2(SATB2)的负向调控抑制成骨过程[9]。miR-29a和miR-29c参与调节Wnt信号通路并抑制骨结合素的表达[10]。与以上miRNA对成骨分化的负向调控作用相反，还有一些miRNA对成骨过程具有促进作用。miR-335-5p抑制Dkk1(Wnt信号通路的抑制剂)，提高Wnt信号通路活性，促进成骨分化[11]。

此外，组蛋白修饰及染色质重塑在成骨分化进程中也发挥了不可忽视的调节作用。多种成骨相关的转录因子可在目标启动子区诱导染色质重塑[12]。组蛋白上的很多氨基酸可以通过各种翻译后的可逆的共价键修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等，形成理论上数目繁多的特定的“组蛋白密码”来形成“开放”或“关闭”的局部染色质结构，或是决定何种蛋白结合到特定 DNA 区域，从而调节多种 DNA 功能。研究发现，Runx2、AP-1、ATF4和Smads等成骨相关基因均受组蛋白修饰调控[13]。

2 表观遗传调控与骨吸收

2.1 DNA甲基化、组蛋白修饰与破骨细胞分化

破骨细胞是唯一的骨吸收细胞，破骨细胞激活构成了骨重塑的重要环节。破骨细胞分化是由成骨细胞系统启动，后者通过释放细胞因子及其他一些因子调控破骨细胞功能及其分化[14]。其中，骨保护蛋白(OPG)、NF-кB受体激活剂(RANK)和NF-кB受体激活剂配体(RANKL)构成了成骨细胞调节破骨细胞生成及功能发挥的重要系统，多种细胞因子或激素最终通过RANKL-RANK-OPG系统完成对破骨细胞的分化、成熟的调控。研究发现，DNA甲基化依赖机制通过影响人骨组织中RANKL和OPG的基因转录参与调控破骨细胞分化[15-16]。

组蛋白去乙酰化酶抑制剂的体外实验证实，组蛋白乙酰化也参与了破骨细胞的活性的调节[17]。 RANKL与其受体RANK(位于破骨细胞前体的细胞膜上)结合后，可诱导激活性T细胞细胞核因子(NFATc1)的活化及核转移，通过诱导多种目的基因的表达促进破骨细胞的分化[18]，而NFATc1活性可能受到Jmjd3(一种组蛋白去甲基化酶)及miR-146a的调控[19-20]。

2.2 miRNA与破骨细胞分化

除了DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰，miRNA在破骨细胞发生中也发挥了正性或负性的调控作用。miRNA的生成必须通过Dicer酶(双链RNA专一的RNA内切酶)对初始miRNA(pri-miRNA)的切割。体外实验发现，破骨细胞特异性Dicer酶的缺失可抑制破骨细胞介导的骨吸收过程，提示miRNA在破骨细胞生成及骨吸收过程中发挥了正性调控作用[21]。还有研究发现，miR-21 和 miR-155可下调一些破骨细胞分化抑制性基因的表达而促进破骨细胞的分化[22-23]。此外，不仅成骨细胞可调节破骨细胞的活性，破骨细胞也能影响成骨分化，其机制可能涉及miRNA调控[24]。

3 表观遗传调控与骨质疏松症

以上研究表明，表观遗传机制在很大程度上决定着细胞分化的方向，在骨重塑中发挥着重要作用。骨质疏松症的发生与遗传因素和环境因素的相互作用密不可分，其中涉及多种表观遗传学变化。大鼠孕产期饮食限制会引起编码糖皮质激素受体和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARα)基因的甲基化水平改变，这一变化会持续到母鼠断奶后并可遗传给下一代[25-26]。有人报道，3种DNA多态性可以改变调控人成纤维细胞生长因子2(FGF2)基因水平的特异性miRNA的结合亲和力，这有助于判断骨质疏松症的易感性[27]。局部黏着激酶(FAK)信号途径是成骨分化中骨力学信号传导的一个关键环节，miR-138可抑制FAK的表达，阻碍成骨过程，与骨质疏松的发生密切相关[28]。

4 展望

以上研究证实，表观遗传机制影响着骨骼发育及骨质疏松症发病的风险。

但DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA表达参与骨质疏松症发病的具体机制还有待阐明。表观遗传微阵列、高通量测序等新技术的广泛应用将有助于在全基因组基础上建立一套完整的关于正常骨和骨疾病的表观遗传谱。疾病特异性表观遗传标志物的识别将有助于临床诊断与预防。DNA甲基化/去甲基化和miRNA比RNA更加稳定，可尝试被应用于骨质疏松症的临床治疗。同时，现有调控骨代谢的治疗手段也同样值得深入研究，以揭示其可能存在的表观遗传调节机制。

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Progress of epigenetic regulation in osteoporosis

ZHENG Jie1，2, GUO Hai-ying1*, PAN Si-jing1, ZHANG Peng-fei1

(1.the Second Institute of Clinical Medicine, Nanjing Universtiy of Chinese Medicine, Nanjing 210023;2.Dept. of Acupuncture and Moxibustion, Shanxi Universtiy of Chinese Medicine, Xianyang 712046, China)

Epigenetics is involved in heritable modifications such as DNA methylation, histone modification, chromatin remodeling, as well as miRNA, without changes in DNA sequence. It has been shown that occurence of osteoporosis is closely related to the interactions between the genome and enviroment, in which epigenetic regulation plays an important role.

epigenetics; osteoporosis; DNA methylation; histone modification; miRNA

2013-03-18

2013-05-07

*通信作者(correspondingauthor)： ghying63@126.com

1001-6325(2014)03-0406-04

R 683

A