信号素3A在骨自稳态与骨重塑中的作用

尹鹏滨，唐佩福，张里程，吕厚辰

解放军总医院 骨科，北京 100853

信号素3A在骨自稳态与骨重塑中的作用

尹鹏滨，唐佩福，张里程，吕厚辰

解放军总医院 骨科，北京 100853

信号素3A(semaphorin 3A，Sema3A)属于轴突导向因子超家族的成员。近来研究发现，该蛋白在骨自稳态和骨重塑过程中发挥重要调节作用。本文从Sema3A的生物学特性、细胞调控作用和对骨骼系统的神经分布影响等方面出发，对Sema3A在骨自稳态和骨重塑中的作用进行综述，为临床骨质疏松药物靶点研究提供参考。

信号素3A；骨自稳态；骨重塑

1.2 Sema3A受体 Sema3A受体是一类附着于细胞表面，能特异性识别结合Sema3A的蛋白分子。Kolodkin等[5]在对神经系统中的Sema3A进行研究时发现，其受体是由神经纤毛蛋白质1(Neuropilin1)跨膜糖蛋白和PlexnAs共刺激受体组成的复合体。其中Neuropilin1跨膜糖蛋白的胞外区补体结合蛋白同源结构域与b1/b2结构域共同构成与Sema3A相结合的区域，识别结合Sema3A；而PlexnAs共刺激受体则通过其胞内部分介导系列级联反应进行信号传递，发挥Sema3A的功能[6]。而Rohm等[6]通过对Nrp缺乏(Nrp-/-)、PlexnA缺乏(PlexnA-/-)以及缺乏Sema结合域的Nrp1sema-小鼠的研究发现，Sema3A在骨骼系统中，其受体与神经系统相同，同样为Neuropilin1/PlexnAs复合体。

2 骨自稳态与骨重塑

骨骼是动态变化的器官，在生长、发育过程中，骨骼系统持续存在旧骨吸收、新骨生成的生理活动，以维持骨骼在长度及质量上保持稳定，即称为骨自稳态。研究发现，骨骼自稳态的维持涉及多种细胞、细胞因子、生化刺激物质共同调节，以确保骨吸收与骨形成达到动态平衡，该过程被称为骨重塑[7]。

骨骼基本多细胞单位(basic multicellular units，BMU)由成骨细胞和破骨细胞、相应的血管神经以及细胞外成分共同组成，是骨组织新陈代谢的基本单元[8-9]。骨重塑即发生于BMU，由旧骨吸收阶段、转换阶段、新骨形成阶段组成[10-11]。也有学者如Teti[12]认为，骨重塑过程还应包括静止阶段和激活阶段。在旧骨吸收阶段，因受到机械应力改变或微损伤的刺激，破骨前体细胞被招募到特定骨表面，在以核因子κB受体活化因子配体(RANKL)为主等细胞因子作用下定向分化为破骨细胞，对该部位的骨骼进行吸收；而转换阶段，则是在大量的自分泌、旁分泌甚至内分泌因子的作用下，逐渐将骨祖细胞招募到骨破坏吸收区，定向分化为成骨细胞；同时破骨细胞分化及功能逐步受到抑制，以维持两种细胞功能的平衡。新骨形成阶段，大量成熟的成骨细胞构建新骨单元，并进行骨矿化，实现骨骼形态功能的恢复。同时，成骨细胞还通过相关调节机制，进一步抑制破骨作用，从而避免新生骨再次被破骨细胞破坏吸收[7]。

3 Sema3A在骨重塑过程中的调节作用

Hayashi等[13]通过对缺乏编码小鼠骨保护素(osteoprotegerin，OPG)转基因小鼠(Tnfrsf1b-/-)骨质疏松相关研究发现，除OPG外，Sema3A也具有抑制破骨细胞的效应。进一步研究发现，Sema3A也参与成骨细胞功能调控，并且在骨重塑过程以及维持骨自稳态的过程中占有重要地位[14]。

3.1 Sema3A抑制破骨细胞分化及功能 破骨细胞分化及功能成熟过程，必须依赖于RANKL-RANK通路的激活[15]。RANKL蛋白通过特异性结合破骨前体细胞薄膜上的RANK受体，从而促发级联反应，通过激活下游两条通路，即TRAF6-NF-κB和AP-1转录因子复合体(包括c-Fos)，从而激活活化T细胞核因子1蛋白(NFATc1)，促进破骨细胞特异性基因Ctsk、Acp5和Nfatc1表达，诱导前体细胞向成熟的有功能的破骨细胞分化[16-17]。然而，NFATc1同时需要依赖于髓系细胞触发受体2-自然杀伤激活受体相关蛋白12(TREM2-DAP12)激活后的钙信号作为共刺激分子才能被激活[16,18]。Takahashi等研究发现，与Sema3A密切相关的PlexnA1在激活TREM2-DAP12信号过程中起着重要作用，二者形成PlexnA1-TREM2-DAP12复合体，为破骨细胞分化提供共刺激信号。进一步研究证实，Sema3A正是通过与破骨前体细胞膜上Nrp1结合后，与上述复合体竞争PLxnA1，从而阻断复合体形成，抑制RANKL通路下游分子的激活，起到抑制破骨细胞分化及功能成熟的作用[13]。另外Hayashi等[13]还发现，Sema3A能抑制巨噬细胞集落刺激因子对骨髓源性单核/巨噬前体细胞的趋化作用，从而防止该细胞向骨吸收区迁移，减少对骨质破坏[19]。然而，该作用的机制目前尚不清楚。

3.2 Sema3A促进成骨细胞分化及功能 研究发现Sema3A-/-小鼠脂肪细胞分化增殖增加，而成骨细胞数量减少，表明缺乏Sema3A有抑制成骨细胞作用，换言之，Sema3A在机体内有调控成骨细胞的功能[13]。既往研究证实，经典Wnt通路是促进成骨细胞分化，抑制脂肪细胞的重要信号通路，其主要通过激活Rac1表达，使β-catenin即β链蛋白在胞核内定位实现[20-23]。而Sema3A与成骨细胞中的受体结合后可借助FARP2(一种鸟嘌呤核苷酸交换因子)上调Rac1的表达，使β链蛋白在胞核内聚集，从而促进成骨细胞分化及功能成熟[13]。然而，Sema3A能否趋化成骨细胞移行至骨损伤区，目前尚未明确。

3.3 Sema3A改善骨骼感觉神经纤维分布 研究发现，中央及外周神经系统能够调节骨骼重塑、维持骨自稳态，尤其是多巴胺β羟化酶阳性的交感神经对骨骼有较强的抑制作用[24]。Fukuda等[14]研究发现，骨骼系统中，神经系统来源的Sema3A能够独立作用于骨骼，调节骨重塑。通过对敲除神经来源的Sema3A小鼠的研究发现，其神经系统的骨骼分布出现异常，即降钙素基因相关肽阳性的感觉神经纤维分布减少而交感神经分布正常，同时小鼠骨量亦有明显减少；而当恢复感觉纤维分布，或使用人工合成Sema3A进行静脉注射治疗时，小鼠骨量明显提升[14]。表明Sema3A可通过调控骨骼感觉神经分布影响骨自稳态。另一方面，由于胚胎时期Sema3A对于机体全身的神经分布(包括骨骼处)均有重要作用，缺少Sema3A会引起多处器官的神经分布异常[25-27]。因此有可能在胚胎期，Sema3A即能够通过神经纤维调控骨的形成与破坏。

4 展望

随着人口老龄化的加剧，人群中骨质疏松发病率日趋升高[28]。骨质疏松多数由于破骨细胞功能过度活跃，体内骨自稳态失衡，导致骨吸收大于骨生成。目前临床上广泛使用的双磷酸盐类药物主要作用为抑制破骨细胞功能，从而减少骨吸收，达到治疗目的[29]。然而，由于缺乏促成骨作用，该药尚无法恢复原有的骨骼质量及微结构，因此存在诸多不足[30-31]。而Sema3A具有抑制骨破坏、促进骨形成的双重作用，若能将Sema3A作为药物应用于临床，则有可能抑制骨破坏的同时，实现骨质量及微结构的恢复，改善骨质疏松的治疗效果。

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Role of semaphorin 3A in bone remodeling and homeostasis

YIN Peng-bin, TANG Pei-fu, ZHANG Li-cheng, LYU Hou-chen
Department of Orthopaedics, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

TANG Pei-fu. Email: pftang301@126.com

Semaphorin 3A belongs to semaphorin super family. Recent studies have demonstrated that semaphorin 3A plays a pivotal role in bone homeostasis and bone remodeling. This review highlights the bioactivity of semaphorin 3A as well as its impacts on bone cells and nerve innervation in bone tissue. The functional role of semaphorin 3A in bone homeostasis and bone remodeling are summarized in this article in order to provide a novel insight in treating osteoporosis.

semaphorin 3A; bone homeostasis; bone remodeling

R 68

A

2095-5227(2014)12-1272-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.12.027

时间：2014-09-03 15:10

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140903.1510.001.html

1993年Kolodkin等[1]发现一组具有相同结构域蛋白分子，并命名为信号素(Semaphorin)蛋白家族。该蛋白家族是一类分泌蛋白或跨膜蛋白家族，在神经元发育、损伤与修复等过程中发挥重要的化学趋化及导向作用，因而又被称为轴突导向因子家族。Semaphorin3A(简称Sema3A)属于该家族成员，在神经损伤后少突胶质细胞定向迁移及轴突再生中发挥重要作用。除此之外，近来Hayashi等[2]发现，Sema3A 在骨骼及软骨系统中也具有重要功能，尤其骨自稳态的维持过程中有重要调节作用。本文就Sema3A 对骨自稳态维持过程中细胞及神经的影响进行综述。

1 Sema3A的生物学特性

1.1 Sema3A的结构 Sema3A属于分泌型蛋白，同其他Sema家族成员一样，该蛋白分子的氨基末端含有Sema结构域，即一个长约500个氨基酸的细胞外基质结构域，该结构域内含17个高度保守的半胱氨酸基团[1]。此外，Sema3A蛋白的分子结构中还包含丛状蛋白-脑信号蛋白-整联蛋白(plexins，semaphorins and integrins，PSI)、免疫球蛋白样(immunoglobulin-like，Ig)以及羧基末端等氨基酸序列[3]。在对该蛋白分子空间构型的研究中，Gherardi等[4]利用隐马尔科夫模型，证实Sema3A分子中主要的Sema结构域，是由4个二硫键连接7个叶状的β螺旋拓扑结构连接围绕中心分布而成。该结构形成了Sema3A与受体特异结合的位点，能识别并结合特定受体，发挥调控功能[4]。

2014-04-18

国家自然科学基金面上项目(31271000)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(31271000)

尹鹏滨，男，硕士。Email:yinpengbin@gmail.com

唐佩福，博士，主任。Email:pftang301@126.com