Wnt/β-catenin信号通路在调控骨量的作用*

李俊峰，郭庆山，傅捷辉 综述，宗兆文△ 审校

(1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所创伤科/创伤烧伤与复合伤国家重点实验室,重庆 400042；2.福建省泉州市洛江万鸿医院骨科 362011)

·综 述·

Wnt/β-catenin信号通路在调控骨量的作用*

李俊峰1,2，郭庆山1，傅捷辉2综述，宗兆文1△审校

(1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所创伤科/创伤烧伤与复合伤国家重点实验室,重庆 400042；2.福建省泉州市洛江万鸿医院骨科 362011)

Wnt/β-catenin信号通路；骨量；成骨细胞；破骨细胞

成人的骨量由成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收共同维持着。Wnt/β-catenin信号通路参与骨形成过程中成骨细胞的增殖、分化，并能影响成骨细胞和破骨细胞的产生和功能，对骨量的调控非常关键。因此，Wnt/β-catenin信号通路已成为治疗相关骨代谢疾病如骨质疏松的热点。本文从Wnt/β-catenin信号通路的结构、调控骨量的作用机制和Wnt/β-catenin信号通路靶向药物研究进展等方面，综述了Wnt/β-catenin在调控骨量的作用的研究进展。

1 Wnt/β-catenin信号通路简介

Nusse等最早用小鼠乳头状瘤病毒诱导小鼠产生乳腺癌的实验发现了int-1基因。 1976年，人们发现了Wingless基因可导致果蝇无翅，而2种基因同源，因此该基因被重新命名为Wnt。Wnt蛋白是高度保守的分泌性糖蛋白，目前发现有19种，可通过旁分泌或者自分泌发挥作用，相对分子质量为3 900～4 600。经典Wnt/β-catenin信号通路中，Wnt蛋白与卷曲蛋白的氨基端和低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(lipoprotein receptor related protein 5/6，LRP5/6)结合，可阻断由细胞支架蛋白、糖原合成激酶3β、腺瘤样结肠息肉病基因编码的蛋白组成的降解复合体对β连环蛋白(β-catenin)的降解。β-catenin积累于细胞质内，随后入核激活T细胞因子/淋巴增强子因子，调控下游靶基因的转录和表达，发生生物学效应，如促进细胞增殖及活化。Wnt/β-catenin信号通路在许多哺乳动物的间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)和成骨细胞均有表达。成骨细胞是骨细胞的前体细胞，由MSCs分化而来[1]。MSCs还可进一步分化为成纤维细胞、肌原细胞、脂肪细胞和软骨细胞[2-5]。

2 Wnt/β-catenin信号通路与骨量调控

2.1 Wnt/β-catenin信号通路在骨形成中的调控机制 已有多项人类和小鼠的基因研究和细胞学研究证明， Wnt/β-catenin信号通路在骨骼发育及代谢平衡中的重要作用，包括MSCs的定向分化、成骨细胞前体扩增、终末分化、矿化和细胞的凋亡。在MSCs中，Wnt通路可促进与成骨相关的核心结合蛋白因子2和骨钙素的表达，促进向成骨细胞分化；亦可抑制C/EBPα、PPARγ和sox9基因的表达，抑制向软骨细胞和脂肪细胞的分化。另外，Wnt通路能调控Myc、cycling D、c-Jun和Fra-1的表达，从而促进成骨细胞的增殖；亦可通过激活ERKs和Akt通路来促进抗凋亡蛋白Bcl-2的表达。

2.2 Wnt/β-catenin信号通路在骨吸收中的调控机制 β-catenin在破骨细胞的形成中有双向性，增殖时水平升高，分化时降低。在破骨细胞持续激活β-catenin，破骨细胞增殖无变化而分化被阻断，骨量增加；敲除β-catenin后增殖被阻断，骨量也增加。因此认为Wnt/β-catenin信号通路减少骨吸收的机制可能与直接作用于破骨细胞有关，但也有学者认为可能是通过成骨细胞生成的骨保护素竞争性抑制核因子-κB受体活化素配体，从而间接抑制破骨细胞的分化、成熟及破骨细胞的骨吸收作用[6-7]。有研究发现，成骨细胞持续激活β-catenin均可造成骨量增加，破骨细胞减少[8-9]；敲除β-catenin后破骨细胞增加、骨量降低。总之，Wnt/β-catenin信号通路对骨吸收作用的调控机制比较复杂，尚需要进一步研究。

2.2.1 LRP蛋白与骨量调控 目前发现LRP-5的缺失，成骨细胞的功能和增殖受阻，骨形成受影响[10]。另外，LRP-6的敲除会同时降低松质骨和皮质骨的骨密度。有学者报道了26周雌性小鼠敲除LRP-6后，骨密度下降55%。 因此，LRP5和LRP6的敲除都会导致骨量下降。另外，LRP4也被发现与Wnt/β-catenin信号通路有关，但具体机制仍未明确[11]。

2.2.2 Wnt蛋白与骨量调控 目前认为激活Wnt/β-catenin经典信号通路骨量增加，沉默则骨量降低。敲除小鼠的Wls基因(编码Wnt蛋白)可导致骨形成减少，骨吸收增加。这表明Wnt/β-catenin信号通路对于成骨细胞和破骨细胞都有重要作用。其中Wnt1蛋白可通过骨保护素影响成骨细胞骨量和成骨细胞的生成，Wnt3a、Wnt4、Wnt5a和Wnt16可影响破骨细胞的分化[6]。

2.2.3 硬化蛋白、Diekkopf1(DKK1)与骨量调控 硬化蛋白由骨细胞分泌，并由旁分泌或自分泌的形式释放在骨表面，进而阻止Wnt蛋白与受体的结合。硬化蛋白基因也证实了硬化蛋白对调控骨量有重要作用：小鼠的成骨细胞过度表达硬化蛋白基因可导致颅骨和股骨的骨结构紊乱，骨皮质变薄及松质骨骨量减少；也可造成肢体骨骼缺如。DKK1由成骨细胞和骨细胞产生，也可阻止Wnt蛋白与受体的结合，抑制Wnt/β-catenin信号通路的传导[12]。在成骨细胞过度表达DKK1后，长骨和颅骨的松质骨和皮质骨骨量严重丢失； DKK1缺失的小鼠具有高骨量，这再次证实了DKK1对成骨细胞的Wnt信号通路和骨量调控的重要性。

3 Wnt/β-catenin信号通路靶向药物研究进展

3.1 硬化蛋白拮抗剂 临床试验证实，硬化蛋白拮抗剂可增加松质骨骨量、增加骨膜和骨内膜的面积[13]，可逆转系统性和局部的骨质丢失[14]，并促进骨折愈合[13,15]。二期临床试验对419例骨质疏松的绝经后妇女，分别给予硬化蛋白拮抗剂、二膦酸盐及特立帕肽治疗，发现硬化蛋白拮抗剂的疗效强于后两者；但是，这3组的桡骨远端的骨密度却都不增加。因此，对于非椎体骨折的预防和治疗，硬化蛋白拮抗剂的有效性仍需要进一步验证。另外，Wnt/β-catenin信号通路分布广泛，与细胞增殖、干细胞干性的维持及肿瘤都有相关性[16-17]，因此,其安全性也需要慎重考虑。

3.2 DKK1拮抗剂 因DKK1作用于Wnt/β-catenin信号通路的机制与硬化蛋白具有一定的相似性[18]，DKK1的拮抗剂是否可以用于骨质疏松治疗也正在研究中[19]。有研究给予在12周龄行卵巢去式术的小鼠抗DKK1治疗后，发现其因骨内膜增加而逆转骨质丢失。此外，风湿性关节炎患者的滑膜上，可检测出DKK1；而应用DKK1拮抗剂可降低破骨细胞数量，增加成骨细胞数量而促进骨形成，从而阻止干骺端的骨质丢失。因此认为DKK1拮抗剂可能可以用于治疗类风湿关节炎[20]。

3.3 靶向药物治疗的局限性 以上研究证实硬化蛋白拮抗剂和DKK1拮抗剂均可增加骨量，但是，人体的骨骼有80%都是皮质骨，这是骨骼强度和非椎体骨折风险的决定因素。而在对骨质疏松患者进行12个月的硬化蛋白拮抗剂治疗后，皮质骨骨量的增加并没有松质骨明显，这个趋势与目前的抗骨吸收药物治疗相同[21]。但另有研究发现，主要由皮质骨的成骨细胞产生的Wnt16可增加皮质骨厚度[22]，这使得Wnt16未来可能成为增加皮质骨厚度、降低非椎体骨折风险的重要靶点[23]。

4 展 望

综上所述，Wnt/β-catenin在骨量调控方面的机制是复杂的，Wnt/β-catenin信号通路可促进骨形成，还可阻止骨形成，具体机制仍需要进一步研究。尽管Wnt/β-catenin信号通路靶向药物已进入临床三期试验，但对皮质骨的效果却远不如松质骨，原因可能是Wnt/β-catenin信号通路在松质骨和皮质骨存在差异性表达[24]。如何有效地增加皮质骨骨形成，降低非椎体骨折的风险，将是今后抗骨质疏松治疗的一个热点。另外目前已发现多种基因及甲基化水平与骨质疏松及骨折风险相关[25]，尚需要进一步研究。

[1]陈小菊,王嫣,王兰,等.诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的实验研究[J].重庆医学,2009,38(10):1185-1187.

[2]吴术红,刘毅,熊华章,等.Scleraxis和碱性成纤维细胞生长因子-1联合修饰对单层骨髓间充质干细胞向韧带成纤维细胞特异性分化的影响[J].中华实验外科杂志,2016,33(7):1731-1735.

[3]李新建,齐振熙,李志敏,等.补肾活血汤含药血清骨髓间充质干细胞成骨-成脂分化的影响[J].中华中医药杂志,2016,31(8):3274-3277.

[4]杨中原,陈建英.间充质干细胞免疫调控及其治疗心血管疾病的研究进展[J].广东医学,2016,37(13):2039-2042.

[5]成楠,刘欢,周跃.间充质干细胞成软骨分化的表观遗传学研究[J].中国矫形外科杂志,2016,24(12):1092-1095.

[6]Weivoda MM,Ruan M,Hachfeld CM,et al.Wnt signaling inhibits osteoclast differentiation by activating canonical and Noncanonical cAMP/PKA pathways[J].J Bone Miner Res,2016,31(1):65-75.

[7]Kobayashi Y,Uehara S,Koide M,et al.The regulation of osteoclast differentiation by Wnt signals[J].Bonekey Rep,2015(4):713.

[8]Chen S,Feng J,Bao Q,et al.Adverse effects of osteocytic constitutive activation of β-catenin on bone strength and bone growth[J].J Bone Miner Res,2015,30(7):1184-1194.

[9]Jia M,Chen S,Zhang B,et al.Effects of constitutive β-catenin activation on vertebral bone growth and remodeling at different postnatal stages in mice[J].PLoS One,2013,8(9):e74093.

[10]Tüysüz B,Bursall A,Alp Z,et al.Osteoporosis-pseudoglioma syndrome:three novel mutations in the LRP5 gene and response to bisphosphonate treatment[J].Horm Res Paediatr,2012,77(2):115-120.

[11]Xiong L,Jung JU,Wu H,et al.Lrp4 in osteoblasts suppresses bone formation and promotes osteoclastogenesis and bone resorption[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(11):3487-3492.

[12]Kristensen IB,Christensen JH,Lyng MB,et al.Expression of osteoblast and osteoclast regulatory genes in the bone marrow microenvironment in multiple myeloma:only up-regulation of Wnt inhibitors SFRP3 and DKK1 is associated with lytic bone disease[J].Leuk Lymphoma,2014,55(4):911-919.

[13]Agholme F,Macias B,Hamang M,et al.Efficacy of a sclerostin antibody compared to a low dose of PTH on metaphyseal bone healing[J].J Orthop Res,2014,32(3):471-476.

[14]Suen PK,He YX,Chow DH,et al.Sclerostin monoclonal antibody enhanced bone fracture healing in an open osteotomy model in rats[J].J Orthop Res,2014,32(8):997-1005.

[15]Taut AD,Jin Q,Chung JH,et al.Sclerostin antibody stimulates bone regeneration after experimental periodontitis[J].J Bone Miner Res,2013,28(11):2347-2356.

[16]杨雅,黄水金,谢菲飞,等.17β-雌二醇及wnt/β-catenin信号通路对人成骨肉瘤细胞基质Gla蛋白表达的影响[J].中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志,2016,9(2):157-165.

[17]刘永明,廖前德,何凤春.wnt10b在骨肉瘤组织中的表达及其临床意义[J].医学临床研究,2016,33(5):881-884.

[18]Evenepoel P,D′Haese P,Brandenburg V.Sclerostin and DKK1:new players in renal bone and vascular disease[J].Kidney Int,2015,88(2):235-240.

[19]Tsourdi E,Rijntjes E,Köhrle J,et al.Hyperthyroidism and hypothyroidism in male mice and their effects on bone mass,bone turnover,and the Wnt inhibitors sclerostin and dickkopf-1[J].Endocrinology,2015,156(10):3517-3527.

[20]Juarez M,McGettrick HM,Scheel-Toellner D,et al.DKK1 expression by synovial fibroblasts in very early rheumatoid arthritis associates with lymphocyte adhesion in an in vitro flow co-culture system[J].Arthritis Res Ther,2016,18(1):14.

[21]Montagnani A.Bone anabolics in osteoporosis:actuality and perspectives[J].World J Orthop,2014,5(3):247-254.

[22]Gori F,Lerner U,Ohlsson C,et al.A new WNT on the bone:WNT16,cortical bone thickness,porosity and fractures[J].Bonekey Rep,2015(4):669.

[23]Alam I,Alkhouli M,Gerard-O′Riley RL,et al.Osteoblast-specific overexpression of human WNT16 increases both cortical and trabecular bone mass and structure in mice[J].Endocrinology,2016,157(2):722-736.

[24]Li J,Bao Q,Chen S,et al.Different bone remodeling levels of trabecular and cortical bone in response to changes in Wnt/β-catenin signaling in mice[J].J Orthop Res,2016.doi:10.1002/jor.23339.

[25]周星彤,杨昕,曹永平.骨质疏松相关基因甲基化水平与骨质疏松症的关系[J].中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志,2016,9(1):75-80.

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.03.038

国家自然基金面上项目(81271935)。 作者简介：李俊峰(1983-)，主治医师，硕士，主要从事骨质疏松方面研究。△

R681.1

A

1671-8348(2017)03-0401-03

2016-07-13

2016-09-25)