Runx2基因参与骨代谢相关通路的研究进展

陈伟健 晋大祥 谢炜星 温龙飞 李钺 任东成 丁金勇 詹晓欢 许伟鹏 黄永青

1. 广州中医药大学，广东 广州 510405 2. 广州中医药大学第一附属医院，广东 广州 510405

1 Runx2的介绍

Runx2称为核心结合因子 a1或多瘤病毒增强子结合蛋白及急性骨髓性白血病因子 3，属于 runt 结构域基因家族成员之一。目前人类发现该家族有三个成员，即Runx1、Runx2、Runx3。其中与骨代谢密切相关的是Runx2。Runx2 基因根据起始氨基酸序列的不同分为 3 种蛋白异构体，分别是 Cbfal/P56(I 型 Runx2)， Cbfal/P57(Ⅱ型 Runx2) 和Osf2/Cbfa1(Ⅲ型Runx2)。虽然它们的 3’端与 runt 结构域一样，但 5’端即 N 端序列则不同，介导的转录调控也不同。Runx2 作为一种成骨分化特异性转录因子，能够调控众多基因的转录。Runx2 表达是间质细胞向成骨细胞谱系分化的必要和充分条件，成骨细胞早期分化主要受Runx2的转录表达调控，成骨细胞(osteoblast,OB) Runx2缺失，其分化完全被抑制，不发生骨膜成骨和软骨内成骨。研究[1,2]认为，在成骨细胞分化的初期，Runx2基因触发骨基质蛋白的形成，如I型胶原、骨桥蛋白、骨钙素和骨涎蛋白等，但同时又使成骨细胞维持在较早期阶段而阻止其进一步分化，Runx2的作用是提供大量的未成熟OB。

2 Runx2在骨代谢相关作用信号转导通路

骨髓间充质干细胞成骨分化是一个复杂的过程。第一，骨祖细胞分化为成骨前体细胞，形成成熟OB。成熟OB可以分泌各种细胞外基质(extracellular matrix，ECM)和矿化ECM。在骨髓间充质干细胞成骨分化过程中，存在多种信号通路调控成骨分化过程[3]，其中Runx2是重要的成骨转录因素，在早期成骨分化起决定性作用并已成为其分化标志物。一些信号通路和细胞因子参与细胞分化，而成骨微环境也影响成骨分化。越来越多的研究发现Runx2参与这些通路，与之密切相关的信号通路有TGF-β/BMP信号通路、Notch信号通路及Wnt信号通路，Runx2在这些通路中充当一个连接点[4]。

2.1 Runx2与TGF-β/BMP信号通路

BMP是TGF-β家族的成员之一。这种从骨提取的细胞外因子是骨形态发生最早期的信号分子，其中与骨形成最密切相关的是BMP-2。BMP可通过增加OB分化标志酶-碱性磷酸酶的活化和骨钙蛋白等基因的表达，诱导未分化的骨髓间充质干细胞分化成骨，并可促进OB成熟TGF-β/BMP信号通路包括I型和II型丝氨酸苏氨酸激酶受体激活，从而磷酸化细胞内Smad蛋白[5]。BMP可通过内分泌和旁分泌方式诱导成骨。细胞外BMP可能与磷酸化受体(如BMPR-IA和BMPR-IB)来激活骨髓间充质干细胞下游细胞因子包括Smad1/5 /8，丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)，使信号通路激活。

这些途径中，Smad1/5/8信号通路是一个典型的成骨相关通路。Smad1、Smad 5通过与I型和II型丝氨酸苏氨酸激酶受体结合后直接磷酸化，接着与2个或1个R-Smad 和 1 个Smad 4 以异源三聚体或异源二聚体的形式形成Smads复合物，然后转移到细胞核内。这种复合物可能与核内Runx2协作或单独作用诱导成骨相关基因表达，调控骨髓间充质干细胞成骨分化[6]。Smads复合物可以识别并结合到Runx2在C端的Smad结合区域(Smad interacting domain，SMID)和核基质转导信号结合位点(nuclear matrix targeting signal，NMTS)起作用，显著增加Runx2的转录特异性，增加Runx2的转录表达[7]。Dai等[8]研究证实金雀异黄素可通BMP2/SMAD5/RUNX2通路促进成骨分化。Smad复合物也能激活JunB(Runx2上游因子)间接地激活Runx2的表达。该通路被Smad6、7负反馈调控，Smad6、7 从细胞核进入细胞质，与Ⅰ型受体结合，竞争性干扰Smad1/5/8募集和磷酸化，并同时抑制Smad复合物形成和活性。Smad6、7可与泛素化连接酶Smurf E3 相作用，使其结合到Ⅰ型受体，导致受体降解，终止信号传导[9]。这些途径都间接抑制Runx2表达。

MAPK是一组丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，MAPK信号通路则是一个非典型的BMP信号通路，MAPK通路主要包括 MAPK激酶激酶(MAP kinase ki-nase kinase,MKKK)、MAPK 激酶(MAP kinase kinase，MKK)和 MAPK，这三种激酶能依次激活，其中MAPK 由胞外信号调节激酶1 (extracellular signal-related kinase 1，ERK1)、ERK 2、p38 MAPK、JNK和 ERK5 等组成。 ERK和 p38 MAPK可促进Runx2磷酸化，诱导骨髓间充质干细胞成骨分化。在近年人和大鼠骨髓间充质细胞实验中发现力学信号传导可通过MAPK信号通路转变成生物学信号，使Runx2磷酸化，促进成骨，进一步解释力学刺激如何在增加骨密度和强度方面起重要的作用，Runx2 基因表达的增强更被认为是力学刺激在成骨细胞内作用的“终点”[1]。血管内皮生长因子-C(vascular endothelial growth factor-c，VEGF-C)对骨缺损修复具有潜在的治疗价值。研究发现VEGF-C干预能显着增加Runx2的表达，促进骨髓间充质干细胞矿化的。进一步研究知道，VEGF-C诱导骨髓间充质干细胞的VEGFR2和VEGFR3的磷酸化。此外，抑制ERK信号通路有效地抑制VEGF-C诱导Runx2表达。这些结果表明，VEGF-C是通过VEGFR2和VEGFR3介导，以及激活ERK信号通路促进Runx2表达，诱导骨髓间充质干细胞成骨的[10]。胰岛素样生长因子又称生长调节素，能激活ERK1/2，进而激活MAPK通路，使Runx2 的活性增加，Runx2 mRNA表达明显上调，对骨形成有很强的促进作用，但阻断MAPK通路后，可完全阻断对Runx2 的作用。越来越多的证据发现成骨细胞分泌大量的生长因子如成纤维细胞生长因子-2、类胰岛素生长因子-1等可通过MAPK通路来调节Runx2的表达[11]。而肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)抑制成骨的机制也正是通过该通路。TNF-α/IL-1β在MAPK信号通路上可能结合并激活p38, ERK1/2和JNK1/2，抑制Runx2的表达，从而抑制成骨。Huang等[2]研究证实TNF-α/IL-1β可激活MAPK通路减少BMP-2诱导Runx2的表达，导致成骨分化抑制。

2.2 Runx2与Notch信号通路

Notch信号通路包括Notch配体(DSL 蛋白)，Notch受体，CSL-DNA 结合蛋白和Notch效应分子。Notch信号通路是一种保守的信号传导通路，参与多种细胞过程。当Notch配体结合其受体，Notch信号通路被激活，Notch受体被酶切于细胞膜外，然后释放出与Notch配体连接的胞外部分，随后在γ-分泌酶作用下胞内段被酶切，形成可溶性的NICD(notch intracellular domain，NICD)转移到细胞核，结合转录因子CSL，形成NICD/CSL转录激活复合物，然后激活下游靶基因主要以-HES家族成员为主，包括HES1，HES5，HEY1等，发挥相应转录反应[12]。Notch信号通路既能促进成骨分化也能抑制成骨分化。目前许多学者认为，Notch的成骨潜能可能会随时间变化的，Notch信号通路在早期成骨分化阶段可能起促进作用，而在后期成骨分化阶段却抑制成骨分化，以此来维持骨髓间充质干细胞未分化状态，促进骨髓间充质干细胞增殖，增加干细胞池的细胞，提高其成骨潜能[13-14]。在Notch信号通路中，受体Notch-1和配体Jagged-1蛋白的表达增加，Notch信号通路被激活，进而促进Runx2表达增高，促进成骨分化。内源性甲状旁腺素(parathyroid hormone，PTH)是一种由甲状旁腺分泌的多肽类激素， PTH 在骨形成中有重要作用。研究[15]发现PTH可提高骨髓间充质干细胞中Notch信号通路表达，通过Jagged1/Notch1通路，使Runx2表达增高，促进成骨细胞分化，增强成骨细胞功能。Notch信号通路介导抑制成骨分化时，HEY与HES的效应分子可结合到Runx2，并抑制其转录活性，抑制成骨分化。相反，Runx2 的N-末端结构域能与Notch1的N-末端结构域结合并使Notch1-IC-RBP-Jk复合物分离，抑制Notch1的转录反应，在成骨分化过程中作为Notch信号通路的一个抑制因子[16]。

2.3 Runx2和Wnt信号通路

Wnt家族属于原癌基因，由至少19个保守的分泌糖蛋白组成。根据 Wnt 蛋白转导信号的方式， Wnt 信号转导途径可分为经典 Wnt 信号通路和非经典的Wnt信号通路。在经典Wnt信号通路中，Wnt与Frizzled受体结合并募集LRP5/ 6受体，形成复合体促进 GSK-3β磷酸化，抑制细胞内糖原合成酶激酶β的活性，阻断β-连环蛋白(β-catenin)降解，导致β-catenin积累。积累的β-catenin转移到细胞核中，激活TCF/LEF转录。非经典Wnt信号通路则是独立的β-catenin，磷脂酶C(phospholipase C, PLC)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)可能释钙进入细胞质发挥作用。Wnt信号通路具有强大的诱导成骨功能。Wnt3a和Wnt 10 a可激活经典Wnt信号通路，而Wnt4a和Wnt 5 a可激活非经典Wnt信号通路。这两种途径均可促进Runx2表达，促进成骨分化，抑制Wnt信号通路能抑制骨形成[17,18]。成纤维细胞生长因子 -2(Fibroblast growth factor-2，FGF-2)除了ERK信号通路，还能通过 PKC信号通路来激活Runx2和诱导其表达，因此被认为是Runx2的靶基因[19]。Cai等[20]研究发现Wnt /β-catenin信号通路能直接调节Runx2基因在高磷环境下表达促进血管平滑肌细胞成骨分化。Wnt信号通路对Runx2的不同影响可能与不同的细胞类型和不同分化阶段相关。如OB在FGF-2长期作用下，其矿化被明显抑制[21]。

综上所述，Runx2能通过参与TGF-β/BMP信号通路、Notch信号通路及Wnt信号通路调节骨代谢，对骨代谢及骨重塑研究具有十分重要的意义。但Runx2的研究仍处于初级阶段，对其精确的调节机制也未完全清楚，并且在多种骨代谢通路下发现参与调节骨代谢的Runx2在骨形成有促进作用也有抑制作用，具体机理也未完全清楚。探究Runx2在骨形成方面双向调节的具体机理和影响因素，如何提高促进OB分化及避免抑制OB分化，是今后防治骨质疏松症的药物研究的一个方向和热点。