骨髓间充质干细胞成骨分化相关信号通路及其与BMP-2关系的研究进展

冯倩，曾祥伟，杨瑞，程嵩奕，赵凤鸣，赵玉男，詹秀琴

(1南京中医药大学医学与生命科学学院，南京210023；2江苏省中医院)

·综述·

骨髓间充质干细胞成骨分化相关信号通路及其与BMP-2关系的研究进展

冯倩1，曾祥伟1，杨瑞1，程嵩奕2，赵凤鸣1，赵玉男1，詹秀琴1

(1南京中医药大学医学与生命科学学院，南京210023；2江苏省中医院)

骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化涉及多条信号通路，包括NF-κB受体活化因子配体(RANKL)/NF-κB受体活化因子(RANK)/骨保护素(OPG)信号通路、Wnt/β-catenin信号通路、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、Smad信号通路、Notch信号通路等。这些信号通路在调控BMSCs成骨分化方面具有重要作用，其中一条或数条信号通路调节受阻，均可引起BMSCs成骨分化异常，进而导致骨质疏松症等骨代谢疾病的发生。骨形态发生蛋白2(BMP-2)是骨生长的启动因子，可诱导BMSCs向成骨细胞分化并促进其发生钙化及矿化。在BMSCs成骨分化过程中，BMP-2与Wnt/β-catenin信号通路、ERK/MAPK信号通路、Notch三条信号通路均有一定联系。

骨髓间充质干细胞；成骨分化；信号通路；骨形态发生蛋白2

骨质疏松症是一种以骨密度和骨质量下降，骨微结构破坏、骨脆性增加、易发生骨折为特点的全身性骨病[1]。成骨细胞骨形成与破骨细胞骨吸收作用的动态平衡失调是骨质疏松发生的根本原因，其中成骨细胞增殖、分化缺陷是打破该平衡的重要因素[2]。骨髓间充质干细胞(BMSCs)是一类具有多向分化潜能的原始骨髓细胞，特定条件下可诱导分化为成骨细胞、软骨细胞及脂肪细胞等间叶细胞和其他胚层细胞。BMSCs在骨生理过程中起重要作用，可诱导BMSCs成骨分化，对骨质疏松症的防治具有重要意义。骨形态发生蛋白2(BMP-2)是转化生长因子超家族(TGF)的一员，被证实可以通过影响多条信号通路促进BMSCs成骨分化并抑制其成脂分化的双向调节作用[3]。本文对BMSCs成骨分化相关信号通路及其与BMP-2的关系综述如下。

1 BMSCs成骨分化相关信号通路

已知多条信号通路参与了BMSCs成骨分化过程的调节，包括NF-κB受体活化因子配体(RANKL)/NF-κB受体活化因子(RANK)/骨保护素(OPG)信号通路、Wnt/β-catenin信号通路、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、Smad信号通路、Notch信号通路等。这些信号通路在调控BMSCs成骨分化方面具有重要作用，其中一条或数条信号通路调节受阻，均可引起BMSCs成骨分化异常，进而导致骨质疏松症等骨代谢疾病的发生。

1.1 RANKL/RANK/OPG信号通路 RANKL/RANK/OPG信号通路是调节BMSCs分化的重要信号通路，与成骨分化有密切联系。OPG是1997年由Simonet等[4]发现的一种由成骨细胞分泌的糖蛋白，属于肿瘤坏死因子受体超家族成员。RANK主要表达于破骨前体细胞，是RANKL的惟一受体[5]。成骨细胞表达的RANKL与RANK结合，可促进破骨细胞分化成熟，而OPG又能通过与RANKL的结合减少破骨细胞的产生。研究发现，通过上调OPG表达可以激活RANKL/RANK/OPG信号通路，从而促进人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)的成骨分化[6]，而下调NF-κB表达可抑制hBMSCs的成骨分化能力[7]。由此可见，OPG与NF-κB是此条信号通路上参与BMSCs成骨分化的关键因子。

1.2 Wnt/β-catenin信号通路 Wnt蛋白是细胞外富含半胱氨酸的糖蛋白大家族，其命名来源于果蝇Wingless基因和哺乳动物Int1基因的缩写[8]。Wnt信号通路是一条与细胞增殖、分化密切相关且高度保守的信号通路[9]。目前已知的细胞膜外Wnt蛋白共有19个，其中Wnt1、Wnt3a、Wnt7a、Wnt7b等参与Wnt/β-catenin信号通路，又称经典Wnt通路；Wnt4、Wnt5a、Wnt5b、Wnt11等参与Wnt/Ca2+通路和Wnt/PCP通路，又称非经典Wnt通路[10]。通过上调Wnt3a、β-catenin、Wnt1等表达均可激活Wnt/β-catenin信号通路，增强hBMSCs的成骨分化能力[11,12]。Wnt5a通过激活非经典信号通路，降低细胞周期蛋白D1和Wnt3a表达，从而促进BMSCs的成骨分化[13]。

1.3 MAPK信号通路 MAPK是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，目前已知的MAPK信号通路有三条，包括经典的MAPK信号通路、ERK信号通路和非经典的MAPK信号通路(JNK/SAPK通路和p38MAPK通路)，三条MAPK信号通路往往同时发挥作用。研究发现，雌激素可能通过同时激活JNK/MAPK和ERK/MAPK信号通路而增强大鼠颅面骨来源的BMSCs成骨分化能力[14]。在牛膝总皂苷(ABS)激活ERK/MAPK信号通路而促进大鼠BMSCs成骨分化的过程中，细胞外钙离子可以促进BMP-2、RUNX2、osterix mRNA表达[15]。然而也有研究发现，分泌型Klotho蛋白可通过FGFR1/ERK信号通路抑制体外hBMSCs的成骨分化[16]。以上研究表明，ERK/MAPK信号通路对BMSCs成骨分化的调节作用可能存在双向性，BMP-2表达升高与MAPK信号通路的激活存在一定联系。

1.4 Smad信号通路 Smad蛋白是一类与果蝇MAD蛋白、线虫Smad蛋白同源的蛋白质家族，BMP-2/Smad 信号通路激活可促进BMSCs的成骨分化[17]。研究表明，人参皂苷Rg1可通过BMP-2/Smad信号通路促进BMP-2诱导的hBMSCs成骨分化[18]；此外，细胞外钙离子可以协同BMP-2磷酸化Smad1/5和ERK，共同促进BMSCs成骨分化[19]。此过程中Smad信号通路可能与ERK/MAPK信号通路建立某种联系，而BMP-2在这两条信号通路之间可能发挥枢纽作用。

1.5 Notch信号通路 20世纪初期，Mohr等[20]首次在果蝇中发现Notch基因。研究发现，Notch信号通路激活后会抑制BMSCs成骨分化，但是在齐墩果酸作用下BMP-2表达升高，可能与其通过抑制Notch表达而上调成骨相关标志物表达有关[21]。由此可见，BMP-2在一定条件下与Notch信号通路具有重要联系[22]。

2 BMP-2与Wnt/β-catenin、ERK/MAPK、Notch信号通路的关系

BMP于1963年被发现，是与胚胎骨骼形成有关的蛋白质，在骨形成的数个阶段均起作用。目前已经有40多种BMP被发现，其中BMP-2是骨生长的启动因子[23]，可诱导BMSCs向成骨细胞分化并促进其发生钙化及矿化。在BMSCs成骨分化的过程中，BMP-2与Wnt/β-catenin信号通路、ERK/MAPK信号通路、Notch三条信号通路均有一定联系。

2.1 BMP-2与Wnt/β-catenin信号通路 BMP/Smad与Wnt/β-catenin信号通路具有协同作用，上调BMP-2表达可以活化Smad和β-catenin，从而促进BMSCs成骨分化[24]。在一项对肾上腺脂肪瘤的研究中证实，Wnt/β-catenin信号通路激活可上调BMP-2和BMP靶基因表达，并且Wnt/β-catenin信号通路相关因子可能是成骨细胞中BMP-2表达的上游激活剂[25]。

2.2 BMP-2与ERK/MAPK信号通路 研究发现，川芎嗪可通过激活Smad1/5/8和ERK信号通路而增强hBMSCs成骨活性，上调BMP-2、RUNX2基因表达[26]。一项对强直性脊柱炎(AS)患者BMSCs的异常成骨分化机制的研究显示，来自健康供体(HD)和AS患者的BMSCs在诱导为成骨细胞后，AS-BMSCs在成骨分化能力方面优于HD-BMSCs[27]。在成骨分化期间，AS-BMSCs分泌较多的BMP-2和较少的头蛋白(Noggin)，伴随着Smad1/5/8和ERK-1/2的过度活化；当Noggin表达增加或BMP-2表达被抑制时，AS-BMSCs的异常成骨分化被修复，并且BMP-2与Noggin之间的分泌回归平衡[28]。因此，BMP-2与Noggin之间的不平衡可能会引起AS-BMSCs的异常成骨分化，而ERK-1/2与BMP-2表达也存在正相关关系。

2.3 BMP-2与Notch信号通路 Notch3可能是改善骨整合的基因靶点。研究发现，抑制Notch3可以增强酸蚀处理的Ti盘上BMSCs的成骨分化，并且上调BMP-2 表达，表明BMP-2与Notch3表达存在负向调节关系[29]。在瓣膜间质细胞中H19基因敲低会导致Notch1及其下游靶标RUNX2和BMP-2表达升高，提示Notch1与BMP-2表达可能呈正相关关系[30]。

综上所述，BMSCs成骨分化与多条信号通路有关，各信号通路之间具有一定联系且相互影响，关系错综复杂。BMP-2可能是Wnt/β-catenin和ERK信号通路的下游靶基因，在激活上述两条通路后，BMP-2表达水平上调，从而促进BMSCs成骨分化。细胞内信号转导调控是个复杂、交叉的体系，而BMP-2只是其中一个相关因素。BMSCs成骨分化受多方面因素调控，当BMP-2与Noggin分泌不平衡时，容易引起异常骨化，而激活不同Notch信号通路对BMP-2表达的影响也截然不同。深入研究BMP-2在BMSCs成骨分化过程中的作用机制及其与各信号通路之间的关系，可为临床防治相关骨质疾病提供依据。

[1] Diepenhorst N, Rueda P, Cook AE, et al. G protein-coupled receptors as anabolic drug targets in osteoporosis[J]. Pharmacol Ther, 2017,7258(17):30265-30266.

[2] 曾祥伟,冯倩,张莹莹,等.葛根素对MC3T3-E1细胞增殖、分化和矿化及TRPM3 mRNA表达的影响[J].中国药理学通报,2017,33(7):977-982.

[3] 陈明,张涛,刘俊,等.骨形态发生蛋白2抑制骨髓间充质干细胞成脂分化的优选浓度[J].中国组织工程研究,2016,20(45):6720-6725.

[4] Simonet WS, Lacey DL, Dunstan C, et al. Osteoprotegerin： a novel secreted protein involved in the regulation of bone density[J]. Cell, 1997,89(2)309-319.

[5] Anderson DM, Maraskovsky E, Billingsley WL, et al. A homologue of the TNF receptor and its ligand enhance T-cell growth and dendritic-cell function[J]. Nature, 1997,390(6656):175-179.

[6] 吴国志,欧积壮,吴昌新.巴戟天水提取物对间充质干细胞成骨分化中OPG/RANKL表达的影响[J].海南医学,2016,27(3):345-348.

[7] Zong S, Zeng G, Fang Y, et al. The effects of β-zearalanol on the proliferation of bone-marrow-derived mesenchymal stem cells and their differentiation into osteoblasts[J]. J Bone Miner Metab, 2016,34(2):151-160.

[8] Rijsewijk F, Schuermann M, Wagenaar E，et al. The Drosophila homolog of the mouse mammary oncogene int-1 is identical to the segment polarity gene wingless[J]. Cell, 1987,50(4):649-657.

[9] Mccord M, Mukouyama YS, Gilbert MR, et al. Targeting WNT signaling for multifaceted glioblastoma therapy[J]. Front Cell Neurosci, 2017,13(11):318.

[10] 张尧,李晓莉,张岩.维生素D对骨髓基质干细胞成骨分化的分子调控研究进展[J].中国药理学通报,2016,32(10):1337-1340.

[11] Zhao C, Li Y, Wang X, et al. The effect of uniaxial mechanical stretch on Wnt/β-Catenin pathway in bone mesenchymal stem cells[J]. J Craniofac Surg, 2017,28(1):113-117.

[12] Zhou YJ, Wang P, Chen HY, et al. Effect of pulsed electromagnetic fields on osteogenic differentiation and Wnt/β-catenin signaling pathway in rat bone marrow mesenchymal stem cells[J]. Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban, 2015,46(3):347-353.

[13] 彭旭,张晓梅,魏诗航,等.骨髓间充质干细胞向软骨及骨分化:Wnt5a/PCP信号通路作用的研究与进展[J].中国组织工程研究,2016,20(51):7717-7723.

[14] Zhao Y, Yi FZ, Zhao YH, et al. The Distinct effects of estrogen and hydrostatic pressure on mesenchymal stem cells differentiation: involvement of estrogen receptor signaling[J]. Ann Biomed Eng, 2016,44(10):1-13.

[15] He G, Guo W, Lou Z, et al. Achyranthes bidentata saponins promote osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells through the ERK MAPK signaling pathway[J]. Cell Biochem Biophys, 2014,70(1):467-473.

[16] Zhang W, Xue D, Hu D, et al. Secreted klotho protein attenuates osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells in vitro via inactivation of the FGFR1/ERK signaling pathway[J]. Growth Factors, 2015,33(5-6):356-365.

[17] Wang CL, Xiao F, Wang CD, et al. Gremlin2 suppression increases the BMP-2-induced osteogenesis of human bone-marrow-derived mesenchymal stem cells via the BMP-2/Smad/Runx2 signaling pathway[J]. J Cell Biochem, 2016,118(2):286-297.

[18] Gu Y, Zhou J, Qin W, et al. Ginsenoside Rg1 promotes osteogenic differentiation of rBMSCs and healing of rat tibial fractures through regulation of GR-dependent BMP-2/SMAD signaling[J]. Sci Rep, 2016,6(4):25282.

[19] Aquino-Martínez R, Artigas N, Gámez B, et al. Extracellular calcium promotes bone formation from bone marrow mesenchymal stem cells by amplifying the effects of BMP-2 on SMAD signalling[J]. PloS One, 2017,12(5):e0178158.

[20] Mohr OL. Character changes caused by mutation of an entireregion of a chromosome in Drosophila[J]. Genetics, 1919,4(3):275-282.

[21] Kang H, Chen H, Huang P, et al. Glucocorticoids impair bone formation of bone marrow stromal stem cells by reciprocally regulating microRNA-34a-5p[J]. Osteoporos Int, 2016,27(4):1493-1505.

[22] Shu B, Zhao Y, Wang Y, et al. Oleanolic acid enhances mesenchymal stromal cell osteogenic potential by inhibition of notch signaling[J]. Sci Rep, 2017,7(1):7002.

[23] Nguyen V, Meyers CA, Yan N, et al. BMP-2-induced bone formation and neural inflammation[J]. J Orthop, 2017,14(2):252-256.

[24] Bae SJ, Kim HJ, Won HY, et al. Acceleration of osteoblast differentiation by a novel osteogenic compound, DMP-PYT, through activation of both the BMP and Wnt pathways[J]. Sci Rep, 2017,7(1):8455.

[25] Mitsui Y, Yasumoto H, Hiraki M, et al. Coordination of bone morphogenetic protein 2 (BMP2) and aberrant canonical Wnt/β-catenin signaling for heterotopic bone formation in adrenal myelolipoma: a case report[J]. Can Urol Assoc J, 2014,8(1-2):104-107.

[26] Wang JY, Chen WM, Wen CS, et al. Du-Huo-Ji-Sheng-Tang and its active component Ligusticum chuanxiong promote osteogenic differentiation and decrease the aging process of human mesenchymal stem cells[J]. J Ethnopharmacol, 2017,198:64-72.

[27] Zuo WH, Zeng P, Chen X, et al. Promotive effects of bone morphogenetic protein 2 on angiogenesis in hepatocarcinoma via multiple signal pathways[J]. Sci Rep, 2016,6:37499.

[28] Xie Z, Wang P, Li Y, et al. Imbalance between bone morphogenetic protein 2 and noggin induces abnormal osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in ankylosing Spondylitis[J]. Arthritis Rheumatol, 2016,68(2):430.

[29] Mouillesseaux KP, Wiley DS, Saunders LM, et al. Notch regulates BMP responsiveness and lateral branching in vessel networks via SMAD6[J]. Nat Commun, 2016,11(7):13247.

[30] Hadji F, Boulanger MC, Guay SP, et al. Altered DNA Methylation of long noncoding RNA H19 in calcific aortic valve disease promotes mineralization by silencing NOTCH1[J]. Circulation, 2016,134(23):1848.

江苏省自然科学基金面上项目(BK20131417)。

詹秀琴(E-mail: 1543641179@qq.com )

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.48.034

R329.2

A

1002-266X(2017)48-0097-03

2017-09-24)