结缔组织生长因子与骨形成蛋白-9在骨代谢中的研究进展

刘彩云 郭 影

(河北医科大学第三医院，河北 石家庄 050051)

结缔组织生长因子(CTGF)是一种细胞外基质分泌蛋白，生理状态下，在心、脑、肝、肾等组织器官中呈基础量表达，病理状态下，如在某些增生性或纤维性疾病中，CTGF过度表达与疾病的发生发展紧密相关。CTGF调节细胞功能多样化，参与体内多种病理生理过程，如胚胎发育、雌性生殖系统、恶性肿瘤、纤维化疾病等。CTGF是骨形态发生蛋白(BMPs)信号通路的靶基因，可作用于BMPs信号通路〔1〕，而BMP-9是已知BMPs中成骨活性最强的成员之一〔2〕。本文重点就CTGF与BMP-9在骨代谢疾病中的相关研究作一综述。

1 CTGF的来源、结构及生物学功能

CTGF来源于多种细胞，如成纤维细胞、内皮细胞、癌细胞、平滑肌细胞、成骨细胞和软骨细胞等，属于即刻早期基因(CCN)家族的成员之一。到目前为止，CCN家族共有6个成员，包括最初的 Cyr61/CCN1，CTGF/CCN2，NOV/CCN3和最新发现的 WISP-1/CCN4，WISP-2/CCN5，WISP-3/CCN6〔3〕。人 CTGF基因位于染色体6q23.1区，由5个外显子和4个内含子组成，第一个外显子编码CTGF的分泌信号肽，另外四个分别编码4个不同的功能结构域，即:胰岛素生长因子结合蛋白区(IGFBP)、血管性假血友病因子C型重复区(VWC)、血小板反应I型蛋白(TSP-1)和富含半胱氨酸的C末端结合区(CT)。尽管蛋白编码区存在一定相似性，但其启动子和非翻译区具有明显差异性，表明它们对不同蛋白表达的调节作用是不同的。CTGF可以绑定不同板块，如纤维蛋白和聚蛋白多糖，生长因子包括BMP、成纤维细胞生长因子(FGF)与它们的受体FGFR1、FGFR2，核因子κB受体活化因子(RANK)等。它与不同的靶细胞表面受体结合，产生一系列生物学效应，如促进细胞有丝分裂和胶原合成、细胞增殖、黏附、迁移、细胞凋亡和细胞外基质分泌、调节血管生成等〔4〕。

2 CTGF对骨形成的影响

骨形成主要包括软骨内成骨和膜内骨化。CTGF可促进软骨细胞和成骨细胞增殖、成熟以及血管内皮细胞增殖、迁移和血管生成。而成骨细胞、软骨细胞以及血管内皮细胞是软骨内化骨和膜内化骨的重要细胞，因此CTGF通过调节这些细胞的活动发挥在骨代谢中的作用。

2.1 CTGF对软骨细胞的影响 CTGF在软骨代谢过程中，如软骨形成、软骨细胞增殖、成熟和肥厚以及促进软骨基质的钙化和内皮细胞的入侵发挥重要作用。Fujisawa等〔5〕发现CTGF可以促进软骨细胞生长和分化，增加软骨聚蛋白多糖的分泌和Ⅱ型胶原的表达，同时防止细胞凋亡，表明CTGF在修复或重建弹性软骨方面起到重要作用。新近研究发现，在软骨缺损修复过程中，利用骨髓间充质干细胞(BMSC)转染CTGF，结合NaOH处理的聚乳酸/乙醇酸共聚物(PLGA)支架，可以显著刺激BMSC分化为软骨细胞，生成透明状软骨，且再生软骨与正常软骨极其相似〔6〕。

2.2 CTGF对成骨细胞的影响 成骨细胞是参与骨形成最主要细胞，起源于BMSC，负责骨基质的合成、分泌和矿化。CTGF对成骨细胞分化的刺激和抑制作用均有报道。Wang等〔7〕发现CTGF过度表达可促进间叶细胞来源的成骨细胞系的分化，诱导矿化结节、碱性磷酸酶形成以及骨钙蛋白在间叶细胞中的表达，却不能促进小鼠成纤维细胞(NIH3T3)细胞系的成纤维细胞向成骨细胞的分化及矿化结节的形成，这提示CTGF对不同细胞向成骨细胞分化的作用机制可能不同。Smerdel-Ramoya等〔8〕研究发现，CTGF过度表达引起骨小梁体积减少是由于成骨细胞的功能受损，导致矿物质形成和骨形成率降低，但成骨细胞和破骨细胞数量并没有改变。

2.3 CTGF对破骨细胞的影响 破骨细胞是参与骨吸收最主要的细胞，来源于单核细胞和巨噬细胞。研究〔9〕表明破骨细胞上未检测到CTGF的表达，而小鼠CTGF基因敲除后能显著抑制破骨样细胞的形成。Nishida等〔10〕用谷胱甘肽S-转移酶融合的核转录因子(NF-κB)受体激动剂的配体(GST-RANKL)处理鼠巨噬细胞，发现CTGF基因表达上调，通过深入研究发现，在骨诱裂发生过程中，CTGF通过诱导树突细胞-特异性跨膜蛋白(DC-STAMP)合成并与之相互作用而促进破骨细胞的形成。国内研究表明，CTGF可促进破骨细胞前体细胞(RAW264.7)增殖，且促进RANKL诱导的破骨细胞前体细胞RAW264.7分化为成熟的多核破骨细胞〔11〕。

2.4 CTGF对骨微循环的影响 骨的生长、发育与血管生成、良好血供是紧密相关的。CTGF可以促进血管平滑肌细胞和内皮细胞增殖和迁移，介导内皮细胞黏附，诱导内皮细胞成管状，从而促进新血管生成，还可促进胶原蛋白合成，进而合成细胞外基质，支持新形成的血管床结构改变，对血管生成起重要作用。另外，造血发生在复杂的骨髓微环境中，BMSC通过直接和间接分泌细胞因子为造血提供重要支持，而CTGF表达于骨髓细胞基质中，在调节BMSC上起关键作用。最新实验发现，缺乏CTGF基因的小鼠在造血功能方面可受到直接损伤〔12〕，提示CTGF在骨髓造血方面具有重要意义。

3 BMP-9的生物学特性及功能

在BMSC成骨分化早期，BMPs是最有潜力的诱导BMSC成骨分化的细胞因子，它属于转化生长因子(TGF)-β超家族成员之一，是一组具有类似结构的高度保守的分泌型多功能蛋白，由肝脏分泌合成〔13〕，通过血液循环到达全身，以类似激素的形式对骨和骨外组织发挥作用，这些蛋白具有很强的骨和软骨诱导活性，且有助于BMSC、骨膜细胞以及松质骨细胞向成骨细胞分化。目前共分离出20余种BMPs，其中BMP-2，BMP-4，BMP-6，BMP-7和BMP-9能有效地在体内和体外诱导间充质干细胞向成骨分化。实验证明，BMP-9诱导成骨的作用远强于传统应用的BMP-2和BMP-7，是成骨能力最强的转化生长因子之一。另外，有人发现腺病毒介导的BMP-9基因可以安全、有效地转染脂肪干细胞(ADSCs)，具有明显的诱导ADSCs向成骨细胞转化的作用〔14〕。但就现状来说，BMP-9在骨形成及骨再生中的作用及其机制了解还不够全面，因此需进一步研究，其有希望作为一种更强的促进细胞成骨分化的细胞因子候选者而应用于临床。

4 CTGF与BMP-9之间的联系

CCN蛋白在成体和胚胎组织的表达模式广泛且差异很大，可以通过参与并调节多种信号分子而发挥作用，如整合素、BMPs、血管内皮生长因子(VEGF)、Wnts和Notch等。在骨骼系统中，CTGF作为CCN蛋白家族成员之一，它是BMPs信号通路的靶基因。在骨代谢研究中，左国伟〔15〕在骨肿瘤中发现CTGF缺失突变体通过促进或抑制小鼠胚胎成纤维细胞(iMEFs)的增殖而影响BMP-9诱导的成骨作用，最终结果显示CTGF抑制了BMP-9诱导的成骨分化。孙笑笑等〔16〕在乳腺癌细胞骨转移的研究中发现，BMP-9作为一个潜在的肿瘤抑制因子，通过下调CTGF的表达来抑制乳腺癌的骨转移。

5 结语

目前，CTGF在骨科领域的实验研究已有所开展，但尚需对其进行深入的研究，并探讨临床应用的可行性。在骨疾病的发生、发展过程中，它对软骨细胞、成骨细胞及破骨细胞的生物活性和功能具有重要调节作用，但其生理和病理作用非常复杂，也存在许多争论。CTGF受到多种因子和信号通路的调节，其中包括BMPs。BMP-9骨诱导活性不会受到免疫反应的较大抑制，且BMP-9具有定向诱导脂肪干细胞向成骨细胞转化的能力。通过对CTGF和BMP-9在骨形成中作用和分子机制的进一步研究，提出促进骨形成的新方法，为预防和治疗骨代谢疾病提供新的治疗靶点。

1 Maeda A，Nishida T，Aoyama E，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor modulates BMP signalling as a signal conductor，which action regulates the proliferation and differentiation of chondrocytes〔J〕．J Biochem，2009;145(2):207-16.

2 Luu HH，Song WX，Luo X，et al.Distinct roles of bone morphogenetic proteins in osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells〔J〕．JOrthop Res，2007;25(5):665-77.

3 Arnott JA，Lambi AG，Mundy C，et al.The role of connective tissue growth factor(CTGF/CCN2)in skeletogenesis〔J〕．Crit Rev Eukaryot Gene Exp，2011;21(1):43-69.

4 Yamaai T，Nakanishi T，Asano M，et al.Gene expression of connective tissue growth factor(CTGF/CCN2)in calcifying tissues of normal and cbfa1-null mutant mice in late stage of embryonic development〔J〕．Bone Miner Metab，2005;23(4):280-8.

5 Fujisawa T，Hattori T，Ono M，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor(CCN2/CTGF)stimulates proliferation and differentiation of auricular chondrocytes〔J〕．Osteoarthritis Cartilage，2008;16(7):787-95.

6 Zhu S，Zhang B，Man C，et al.Combined effects of connective tissue growth factor-modified bone marrow-derived mesenchymal stem cells and NaOH-treated PLGA scaffolds on the repair of articular cartilage defect in rabbits〔J〕．Cell Transplant，2014;23(6):715-27.

7 Wang JJ，Ye F，Cheng LJ，et al.Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells promoted by overexpression of connective tissue growth factor〔J〕．J Zhejiang Univ Sci B，2009;10(5):355-67.

8 Smerdel-Ramoya A，Zanotti S，Stadmeyer L，et al.Skeletal overexpression of connective tissue growth factor impairs bone formation and causes osteopenia〔J〕．Endocrinology，2008;149(9):4374-81.

9 Canalis E，Zanotti S，Beamer WG，et al.Connective tissue growth factor is required for skeletal development and postnatal skeletal homeostasis in male mice〔J〕．Endocrinology，2010;151(8):3490-501.

10 Nishida T，Emura K，Kubota S，et al.CCN family 2/connective tissue growth factor(CCN2/CTGF)promotes osteoclastogenesis via induction of and interaction with dendritic cell-specific transmembrane protein(DC-STAMP)〔J〕．J Bone Miner Res，2011;26(2):351-63.

11 张 丽，姜丽燕，张良岩，等.CTGF对破骨前体细胞RAW264.7增殖及碳酸酐酶Ⅱ分化的影响〔J〕．中国骨质疏松杂志，2014;20(2):133-6.

12 Cheung LC，Strickland DH，Howlett M，et al.Connective tissue growth factor is expressed in bone marrow stromal cells and promotes interleukin-7-dependent B lymphopoiesis〔J〕．Haematologica，2014;99(7):1149-56.

13 Miller AF，Harvey SA，Thies RS，et al.Bone morphogenetic protein-9.An autocrine/paracrine cytokine in the liver〔J〕．Biol Chem，2000;275(24):17937-45.

14 李 翔，林春阳，邱北溟，等.骨形态发生蛋白9诱导骨骼肌源性干细胞的成骨分化〔J〕．中国组织工程研究与临床康复，2011;15(32):5971-4.

15 左国伟.结缔组织生长因子(CTGF)在BMP9诱导的成骨分化及在肿瘤发生过程中的作用〔D〕．重庆医科大学硕士论文，2010.

16 孙笑笑，王 科，冯红蕾，等.BMP9对人乳腺癌细胞MDA-MB-231骨转移的影响及可能机制〔J〕．中国生物工程杂志，2012;32(3):7-13.