lncRNA对骨质疏松骨代谢相关信号通路影响的研究进展

马智勇 郭成龙

甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730020

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是由于骨生长与骨吸收之间代谢平衡失调，导致单位结构内骨量下降、骨微结构被破坏。在参与骨质疏松症骨代谢失衡的动态过程中，主要涉及成骨细胞、破骨细胞等分化与调节，同时骨代谢相关信号通路在此过程中起了重要的调节作用。自从2002年Okazaki等[1]首次提出长链非编码RNA(long noncoding RNAs，lncRNA)后，研究者们发现[2]lncRNA参与了多种生物学过程，包括lncRNA-DNA、lncRNA-微小RNA(lncRNA-microRNA/miRNA)和lncRNA-蛋白(lncRNA-protein)等。lncRNA很快进入了OP的研究领域，不仅研究了lncRNA对参与OP细胞代谢的调节，而且更深入的研究了lncRNA参与调节骨代谢相关信号通路的机制。本文将从lncRNA与成骨细胞分化相关信号通路、与破骨细胞分化相关信号通路及与钙相关信号通路三个方面对近年来骨质疏松症骨代谢相关信号通路的调控进行综述。

1 lncRNA与成骨细胞分化相关信号通路

成骨细胞要经过成骨细胞的增殖、细胞外基质成熟及矿化、成骨细胞凋亡几个阶段，才能形成骨，在此过程中lncRNA起到了重要的作用，能通过调节有关信号通路进而调控成骨细胞的形成和成骨细胞形成骨，其中Wnt/β信号通路、PI3K-Akt信号通路、BMPs/TGF-β信号通路、Notch信号通路及Hedgehog信号通路等备受关注。

1.1 lncRNA调节Wnt/β信号通路

β-catenin是经典的Wnt信号通路中调节成骨分化的最关键因子，Wnt/β信号能调节成骨细胞的分化、增殖及功能发挥，其不仅直接影响多功能干细胞向成骨细胞分化，而且在脂肪细胞及前脂肪细胞定向分化为成骨细胞的过程中起关键作用。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSc)是具有向成骨细胞分化功能的多功能潜能干细胞，lncRNA p21对BMMSc的影响中显示[3]，沉默lncRNA p21后通过调节Wnt/β信号通路能促进BMMSc分泌血管内皮细胞生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子和β-catenin蛋白表达，进而促进BMMSc向成骨细胞的分化。Chen等[4]研究表明在成骨细胞中lncRNA TUG1通过Wnt/β信号通路能促进β-catenin、Caspase-3、Bax、MMP3的表达，抑制Bcl-2和蛋白多糖的表达，进而抑制成骨细胞细胞凋亡和衰老，促进细胞增殖。此外，lncRNA作为一种竞争性内源性RNA，与miRNA相互竞争而抑制或促进其靶基因FoxO1的表达，FoxO1基因能影响Wnt信号通路而调节骨形成过程中的关键因子β-catenin的表达[5]。lncRNA通过调节Wnt/β信号通路对成骨细胞分化的调节是复杂、综合的过程。

1.2 lncRNA调节PI3K-Akt信号通路

PI3K-Akt信号通路存在于多种细胞系中，是细胞存活的主要途径，其调控的靶蛋白是骨形成和骨重建的基础。PI3K-Akt信号通路激活后能促进成骨细胞的增殖，而减弱其活性后能促进成骨细胞的分化[6]。MALAT1是第一个发现与癌症相关的lncRNA，涉及多种骨肿瘤的发生与发展。Dong等[7]研究表明在骨肿瘤细胞中，敲除MALAT1后抑制成骨细胞内增殖细胞核抗原(PCNA)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)、PI3K p85α和Akt表达，从而减弱了成骨细胞的增殖。

1.3 lncRNA调节Notch信号通路

Notch信号通路能够监控成骨细胞的基质沉淀活动，保持机体骨代谢的平衡，Notch信号激活后能促进成骨细胞增殖，进而增加骨量。研究显示lncRNA能调节Notch信号通路促使间充质干细胞(MSCs)向成骨细胞分化，其可能机制是lncRNA-AK096529/003ups/AK056311通过下调Smurfl基因的表达，而减缓Rimx2的降解，以促进MSCs向成骨细胞分化[8,9]。lncRNA在许多生理和病理过程中发挥重要的调控作用。Liao 等[10]研究lncRNA H19通过BMP9调控BMMSc成骨分化过程中显示，在BMP9刺激BMMSc的早期阶段lncRNA H19表达显著上调，随后又迅速下降并逐渐恢复到基础水平，这与BMP9诱导的成骨细胞标志物的表达相关，此过程中无论是lncRNA H19表达或沉默，都导致一组预测的miR的靶向Notch配体和受体的表达增加，最终使BMP9诱导BMMSc在体内外向成骨细胞分化，这是通过有效地激活Notch信号通路实现的。

1.4 lncRNA调节Hedgehog信号通路

Hedgehog信号通路不仅能作用于转录因子Runx2、Osx、β-catenin等促进MSCs向成骨细胞分化，而且能促进成骨细胞的增殖。Chan等[11]研究Hedgehog信号在骨肉瘤发生发展中的作用时，制备了细胞内有上调的Hedgehog信号通路成骨细胞，从而导致成骨细胞过度成骨性生长，研究结果显示，lncRNA H19的异常表达能诱导上调Hedgehog信号通路与Yes相关蛋白1(yes-associated protein 1，YAP1)的表达，使成骨细胞过度异常增殖。

1.5 lncRNA调节BMPs/TGF-β信号通路

BMPs是TGF-β超家族中的一员，有多种亚型。BMPs/TGF-β信号通路可通过经典的Smad通路与非经典的P38通路调控BMMSc内Runx2基因的表达[12]，进而调控BMMSc向成骨细胞分化，同时还能调节成骨细胞的分化和功能，在骨质疏松骨代谢平衡中发挥重要作用。Wei等[13]研究显示lncRNA HOTAIR通过BMPs/TGF-β信号通路调节miR-17-5p及其靶基因Smad7而调节成骨分化和增殖。Xu等[14]研究lncRNA HIF1α-1在成骨细胞分化及其靶向调节Sirtuin1(SIRT1)蛋白时发现，其调节机制是激活了BMMSc内的BMPs/TGF-β通路而干扰SIRT1的表达。lncRNA HIF1α-AS1下调后则SIRT1蛋白过表达。进一步研究显示lncRNA HIF1α-AS1下调HOXD10而干扰组蛋白乙酰化，导致成骨细胞分化的抑制，表明HIF1α-AS1是成骨细胞分化的关键因子，有望成为治疗骨质疏松症的基因治疗剂。lncRNAs正在成为转录和转录后水平的重要调控因子，在人骨髓间充质干细胞(hMSC)向成骨细胞分化中起着不可或缺的作用，但是其作用和功能仍需进一步研究。有研究认为[15]，新型通路H1/miR-675/TGF-β/Smad3/HDAC能调控hMSCs向成骨细胞分化，这可以作为提高体内骨形成潜在的治疗骨质疏松症的目标。

2 lncRNA与破骨细胞分化相关信号通路

在骨质疏松发生的骨代谢过程中，破骨细胞是仅有的具有溶解骨组织功能的细胞，在骨代谢平衡中发挥着重要作用[16]，破骨细胞在形成、增殖、分化、成熟以及凋亡过程中受多种信号通路的影响，越来越多的研究显示lncRNA对此类信号通路的调控作用意义重大，并且这种调控机制是复杂、综合、全面的过程，目前lncRNA调控信号通路对破骨细胞影响机制的报道较少，但也有部分报道，如RANK/RANKL/OPG通路、MAPK通路、PPAR-γ通路等。

2.1 lncRNA调节RANK/RANKL/OPG信号通路

RANK/RANKL/OPG信号通路调控破骨细胞的增殖、分化、成熟及凋亡，该系统激活后可延缓破骨细胞的凋亡，通过复杂的机制后促骨基质的吸收，导致OP的发生。Che等[17]研究RANK/RANKL/OPG信号调节人成骨细胞株hFOB 1.19 时发现，在骨代谢失衡的病理状态下lncRNA MALAT1调RANK/RANKL/OPG通路，使骨模型中破骨细胞活化和重塑破骨细胞活性。

2.2 lncRNA调节MAPK信号通路

MAPK信号通路是普遍存在于真核生物细胞内介导细胞反应的重要信号转导系统，其主要包括ERK1/2通路、JNK通路、P38通路和ERK5通路。在骨质疏松症骨代谢失衡过程中，活化的MAPK信号通路能促进破骨细胞的增殖和分化。在骨组织中成骨细胞分泌的RANKL作用于未分化破骨细胞的RANK而激活MAPK信号通路，最终诱导其分化为破骨细胞。BMMSc分化是由细胞外环境中的机械刺激和分子信号精确调控的，其涉及转录和转录后水平调控的复杂通路。Zhang等[18]研究BMMSc分化为成骨细胞或破骨细胞过程中lncRNA的表达谱和功能时发现，lncRNA xr-111050通过调控MAPK信号通路调节BMMSc分化为成骨或破骨细胞，结果显示BMMSc可成为骨损伤后骨再生和修复的最有希望的细胞类型。

2.3 lncRNA调节PPARγ信号通路

PPARγ可通过自身通路及Wnt/β通路、NK-κB等通路的交互作用对骨代谢发挥调节作用，通过复杂的调节机制不仅影响BMMSc向不同细胞系分化，而且其激活后还能加快成骨细胞、骨细胞的凋亡和促进破骨细胞生成，导致骨代谢平衡紊乱而引发骨质疏松。Tong等[19]研究显示循环中的lncRNAs和单核细胞等直接参与破骨细胞的分化，如lncRNA DANCR诱导血液循环中的单核细胞表达白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)，而促进了女性绝经后低骨密度(BMD)并伴有骨吸收。Hao等[20]在研究去卵巢小鼠下颌骨骨质疏松症相关lncRNA表达谱时发现，骨细胞过度表达的lncRNA-mmu-16032-PI428960544 和lncRNA-mmu-6597-PI428990136调节PPARγ和胰岛素信号通路降低了雌性小鼠的骨量和加速的骨丢失， PPARγ通路抑制后通过促进破骨细胞生成加速下颌骨骨丢失。lncRNA以及其复杂的调控网络与雌激素缺乏引起的骨质疏松相关，在治疗OP时lncRNAs潜在的治疗和生物标志物的功能已经受到越来越多的关注，并且PPARγ通路拮抗剂可改变BMMSc分化方向(抑制成脂分化而促进成骨分化)，且通过抑制破骨细胞形成而达到治疗OP的目的。

3 lncRNA与钙相关信号通路

钙离子可通过激活细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)、钙调蛋白激酶 Ⅱ(CaMKⅡ)和环单磷酸腺苷(cAMP)等多种钙依赖蛋白参与骨形成。钙离子与钙调蛋白(CaM)结合后激活CaMKⅡ，可通过CaMKⅡ-NF-ATc信号通路促进成骨过程[21]。lncRNA通过调节与钙相关信号而参与调控细胞的增殖、分化、运动、凋亡等各个生理病理过程。陈娟等[22]研究lncRNA在绝经后骨质疏松症肾阴虚证中的表达特征及调控网络分析显示，经过比较骨质疏松肾阴虚证有8个共同差异表达lncRNA参与钙离子代谢信号等信号转导通路的调控。Hadji 等[23]研究了lncRNA H19基因DNA甲基化能通过沉默Notch1信号而促进钙化性主动脉瓣矿化，其机制是在主动脉瓣成骨活性的Notch1的调控下表达成骨关键基因如Runx2和BMP2，结果显示钙化性主动脉瓣疾病过程中lncRNA H19基因启动子甲基化异常与lncRNA H19高表达相关，进而通过干扰Notch1信号的表达最终促进成骨细胞的活性。lncRNA H19基因控制印迹基因网络(IGN)中胰岛素样生长因子2(IGF2)的表达，在胚胎发育和个体生长过程中有重要作用。Liu 等[24]研究显示，lncRNA H19基因激活后能调节间充质干细胞的多分化(如向骨细胞、软骨细胞分化)，促进肌肉骨骼系统再生。

4 展望

既往认为,lncRNA几乎不编码蛋白质且无特殊生物学功能，被认为是转录中的“噪音”。但到目前为止越来越多的证据表明，lncRNA在基因表达如转录调控、表观遗传修饰及蛋白翻译后修饰等多种机制中发挥重要作用，人们逐渐认识到这个基因“富矿”在多种生物学过程起着关键作用，包括细胞生长、转录调控和分化等，若它们缺乏则会导致蛋白质编码能力的缺失，失调的lncRNA与人类疾病密切相关，包括骨肌疾病、癌症等。lncRNA对OP发病的调控及治疗意义重大，其通过信号通路对骨代谢调控的作用机制目前仍处于研究阶段，随着研究技术的发展和研究方法的深入，lncRNA对骨代谢信号通路的关键调控机制将会进一步被阐明，其对骨代谢调控机制的阐明将使它在治疗OP方面发挥巨大的临床应用潜力。lncRNA作为OP骨代谢生物标志物，lncRNA调控骨代谢相关信号通路的作用方式及对OP病理变化的影响，可作为今后OP诊断、治疗及判断预后的新的靶向目标。