Wnt信号通路与骨质疏松治疗的相关研究进展

王国柱　肖斌　董博

[摘要] 成人骨骼是一种经过不断重塑的多功能器官。骨骼的内稳态需要破骨细胞骨吸收和成骨细胞骨形成之间的平衡；如果这种平衡失调将导致骨质疏松症、硬化性骨病等各种骨骼疾病的发生。为了找到有效和安全的治疗方法来调节骨形成，必须阐明骨细胞分化和活动的分子机制。人类和小鼠的基因研究已经确立了Wnt信号作为刺激成骨细胞分化和活性的关键机制。本文就Wnt信号通路与骨形成相关机制以及治疗骨质疏松方法的相关研究进行综述。

[关键词] 骨细胞；Wnt信号；骨质疏松；综述

[中图分类号] R589 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）04（b）-0029-04

Research progress of Wnt signaling pathway and osteoporosis treatment

WANG Guozhu1 XIAO Bin1 DONG Bo2 YAO Jie2 CHEN Zhihui1 QIAN Bing1 Zhang Liping1

1.Department of Orthopedics， the Second Affiliated Hospital of Shaanxi University of Chinese Medicine， Shaanxi Province， Xianyang 712000， China； 2.Department of Orthopedics， Affiliated Hospital of Shaanxi University of Traditional Chinese Medicine， Shaanxi Province， Xianyang 712000， China

[Abstract] Adult bone is a multifunctional organ that has been continuously reshaped. The homeostasis of bone requires the balance between osteoclast bone absorption and osteogenesis. If this imbalance can lead to osteoporosis， sclerosing osteopathy and other bone diseases. In order to find effective and safe treatment methods to regulate bone formation， the molecular mechanism of bone cell differentiation and activity must be elucidated. Gene researches in humans and mice have established Wnt signaling as a key mechanism for stimulating osteoblast differentiation and activity.This paper reviews the related mechanisms of Wnt signaling pathway and bone formation and the treatment of osteoporosis.

[Key words] Bone cell； Wnt； Osteoporosis； Review

骨細胞主要存在于骨矿化基质中提供骨支撑。成人骨骼一直处于重塑的状态，这对于维持正常的骨骼结构和功能非常重要。成骨细胞和破骨细胞是参与骨重塑过程的两个主要细胞[1]。健康成人骨重塑过程中需要依靠体内的骨吸收和骨形成过程的动态平衡。在人类生活中，随着年龄的不断增长以及相关骨代谢异常情况下，骨重塑的动态平衡遭到破坏：若骨吸收超过骨形成将导致骨量的丢失，严重患者会出现骨质疏松；反之，将出现骨量的增加的相关疾病。因成骨细胞是骨形成的最主要的细胞类型，因此阐明成骨细胞分化和活性的调节机制不仅可以了解骨的生理机能，而且可设计出有效的治疗骨疾病的方法。目前关于骨机制的研究主要集中在内分泌、旁分泌以及转录调节方面[2]。这些研究没有涉及到关键的生长因子：Wnt蛋白和骨重建过程关系密切，可通过多层面调节相关蛋白表达来影响骨的形成和吸收[3]。对骨质疏松发病机制的深入研究及治疗方案探索有一定的指导意义。

1 Wnt信号通路的概述

Wnt信号通路在骨骼的维持和修复过程中起到关键作用。Wnt蛋白在小鼠和人类功能相似，均为参与胚胎、器官和形态发生过程的分泌型糖蛋白家族，是成骨细胞分化和活性的关键调控因子，通过自分泌或者旁分泌发挥作用[3]。至少存在19个与人类密切相关的Wnt基因家族成员，含有约350个氨基酸残基[4]。Wnt信号由卷曲蛋白（Frizzled）家族和低密度脂蛋白（LRP）家族的一种受体组成的跨膜蛋白结合受体所转导[5]。Wnt与Frizzled受体及共同受体的结合后可激活细胞内GTP酶、钙调蛋白依赖性激酶2（CaMK2）、c-jun氨基末端激酶（JNK）、蛋白激酶A（PKA）和AKT等[6]多个不同的细胞内的信号级联反应。

2 Wnt/β-catenin信号通路

依据Wnt蛋白转导信号的方式将Wnt信号通路划分为经典的β-catenin-依赖性通路和非经典的β-catenin-独立通路。

经典的Wnt通路可使β-catenin处于稳定，并通过转位使β-catenin进入细胞核。β-catenin由Catnnb1编码，是一种重要的转录联合激活剂，负责调控基因转录，以响应Wnt信号的传导。在经典Wnt信号通路中，β-catenin是通路中最为关键和核心的信号转导因子，广泛的分布于细胞质和细胞膜[7]。正常情况下，在未接触配体的细胞中，β-catenin的细胞质水平与β-catenin破坏复合体的相互作用保持在低水平。Wnt配体激活的通路由许多因素决定，包括特定的配体受体相互作用，不同的受体/共受体作用，或存在的细胞内蛋白等共同调节β-catenin活性[8]。Wnt蛋白通过与Fzd受体复合体结合，使LRP受体复合体磷酸化。糖原合成酶激酶-3β（gsk-3β）和轴素蛋白（Axin）在配体受体复合体中被激活。这一复合物随后可通过吸收的方式进入多泡内胚层，并直接作用于β-catenin，抑制其降解，以此达到胞质内β-catenin的稳定和积累[9]。Jho等[10]的研究表明，稳定的β-catenin通过转位进入到细胞核中，与高移动性组（HMG）-型转录因子家族的淋巴增强因子/T细胞因子（Lef/Tcf）相互作用，激活处于抑制状态的靶基因，从而刺激目标基因进行表达。

3 Wnt信号通路与骨细胞

3.1 Wnt信号与成骨细胞

Wnt/β-catenin信号通路在整个骨骼的生长、发育以及修复和重建过程中起着关键的调控作用。Maupin等[11]的实验证明Wnt信号在整个骨形成过程中成骨细胞的增殖分化和破骨细胞的抑制都需要β-catentin的参与。Chen等[12]的研究表明β-catenin可在调节骨形成的同时调节骨吸收，通过两方面共同作用来控制骨量。β-catenin是骨形成的必要条件，并在成骨细胞分化的多个阶段作用，以调节成骨细胞和破骨细胞。在成骨细胞分化过程中，β-catenin发挥作用时作用的直接靶基因并没有得到确定性的研究结果，但是β-catenin与Tcf1的结合已被证明可以直接刺激Runx2转录[13]。骨保护素（OPG）在Wnt通路过程中编码一个抗破骨细胞因子，被认为是β-catenin促进成骨细胞分化时发挥作用的直接目标[14]。虽然β-catenin在骨骼中的重要性已经确立，但β-catenin独立的Wnt信号对骨骼形成的作用正变得越来越清晰。多个Wnt蛋白可激活哺乳动物雷帕霉素复合物1（mTORC1）的丝氨酸激酶，促进蛋白质合成和骨形成。增强或减弱小鼠mTORC1的一项遗传研究进一步证实了mTORC1对骨形成的刺激作用[15-16]。此外，Wnt激活mTORC2，以响应机械负荷或抗硬化的中和抗体[17-18]。由于mTOR通路是营养传感和代谢调控的核心，Wnt信号已经成为成骨细胞调节细胞代谢的重要机制。Hu等[19]发现Wnt3a可激活前成骨细胞和成熟的成骨细胞中的PI3K/AKT、ERK信号通路抑制细胞的凋亡促进成骨。Wnt1、Wnt7b、Wnt10b、Wnt16等多个Wnts蛋白已被证明可以有效参与调节骨形成[5，15]。

3.2 Wnt信号调节骨髓间充质干细胞向成骨转化

Wnt信号通路在骨髓间充质干细胞（BMSC）向成骨细胞分化的过程中发挥着重要作用。关于BMSC的研究比较广泛，BMSC是促进骨和其他间充质组织再生的多功能细胞，能保持其自我更新能力，并具有分化为骨组织的潜力，使它们成为临床应用修复或重建骨缺损的有吸引力的候选体[20]。BMSC向成骨细胞分化受到抑制的同时，脂肪细胞的分化将会增多，这将导致骨质疏松的发生。在促进BMSC向成骨细胞的分化的同时抑制其向脂肪细胞的分化可有效减少骨吸收的同时促进骨形成，可作为骨质疏松的有效治疗方法[21-22]。Wnt信号通路可促进BMSC向成骨细胞转化，抑制其向脂肪细胞和破骨细胞等的分化。β-catenin的积聚也可促进MSC的成骨分化。在小鼠BMSC中的基因编码中敲除β-catentin基因，可导致成骨细胞分化缺失，进而出现骨骼发育严重缺陷。Yu等[23]发现Wnt4通过Wnt通路抑制巨噬细胞和破骨前体细胞中TGFβ激活激酶1介导的NF-κB，抑制BMSC向成骨方向分化。

最近，人类的外显子测序发现了Wnt1基因与早期发病的骨质疏松症和骨生成不全症相关的多种突变密切相关[24]。与人类的研究结果一致，小鼠的基因研究已经证实了Wnt信号与骨形成之间存在明显的因果关系。在全球的成骨细胞研究中缺乏Lrp5的小鼠具有明显的骨质减少，而突变Lrp5等位基因的表达与人类的高骨质量综合征有关，可明显增加小鼠的骨质量[25]。Maruyama等[26]研究发现，靶向缺失Wnt配体的分泌的Gpr177，可明显抑制小鼠的骨形成。值得注意的是，由于个体Wnt配体或Fzd受体缺失导致的骨表型比Gpr177敲除小鼠的骨质表型要轻，这就说明Wnt配体和Fzd受体之间存在显著的功能冗余。这一观点与成骨细胞在发育过程中表达多个Wnt配体的事实是一致的[27]。

4 Wnt信号抑制蛋白在治疗骨质疏松的应用

4.1 糖原合成酶激酶-3β

研究发现骨代谢过程中GSK-3β也是Wnt/β-catenin信号通路中的一个核心成员[28]。GSK-3β与Axin 、腺瘤息肉病杆菌（APC）和酪蛋白激酶1（CK1）共同形成复合体降解β-catenin。GSK-3β抑制剂可降低GSK-3β活性，减少GSK-3β对β-catenin 的降解，增加胞质内β-catenin积累和转位，通过增强Runx2转录因子，促进成骨细胞的成骨分化。GSK-3β抑制剂可作用于Wnt/β-catenin信号通路调节骨形成和骨代谢过程。El-Hoss等[29]通过与正常野生小鼠比较，存在GSK-3β基因缺陷的小鼠β-catenin和Runx2的水平明顯增强，在受到严重骨损伤后骨的再生率增强。此外，GSK-3β抑制的小鼠，骨折愈合速度明显增快，骨质强度也得到增加。GSK-3β抑制剂的相关研究已证实能其能促进骨质疏松大鼠的骨形成，增加骨量和促进骨生物力学性能的恢复[30]。也有啮齿类动物实验研究发现[31]，GSK-3β受到抑制后破骨细胞的数量并没有受到影响以及减少卵巢切除后小鼠骨诱发质疏松的发生率。甚至在健康骨中抑制GSK-3β出现破骨细胞数目未受影响，或略有增加。这些报道表明GSK-3β抑制根据病理状态对骨组织影响不尽相同。

4.2 骨硬化蛋白

骨硬化蛋白（SOST）主要表达于成熟的骨细胞中，是骨形态发生蛋白（BMP）的抑制因子，对骨形成活动起抑制作用。Semenov等[32]发现SOST可与成骨细胞Lrp5/6的胞外域结合，从而竞争性的抑制阻断Lrp5/6与Wnt蛋白的结合，干扰其与Wnt蛋白的相互作用，使β-catenin蛋白在细胞质中被GSK-3β降解，这样β-catenin蛋白在细胞核内与Tcf/Lcf的结合减少。以影响成骨细胞的分化和增殖，使成骨活动受到影响。SOST单克隆抗体的应用研究已在许多的动物实验中进行。Li等[33]通过对骨质疏松小鼠造模后使用SOST单克隆抗体治疗后与对照组相比骨膜及骨质骨形成活动明显增强，甚至较正常大鼠骨密度更高。目前逐步应用于临床试验[34]。

4.3 Dickkopf1

Dickkopf1（Dkk1）在Wnt信號通路中可抑制β-catenin蛋白表达从而抑制成骨细胞分化，并促进成骨细胞凋亡。人类基因学研究发现，Dkk1的基因变化与骨密度的变化存在明显的相关性。Dkkl通过CRDl与LRP6结合，并抑制Wnt信号通路的激活，Dkkl与LRP6具有很高的亲和力。同样Dkkl可与两个跨膜蛋白Kremenl/Kremen2结合，Kremen2、Dkkl及LRP6可形成复合物抑制Wnt/LRP信号通道[35]下调去卵巢鼠Dkk1表达会下降NF-κB受体活化因子配体的表达，抑制破骨细胞分化，增加成骨细胞数量，出现骨量增加[36]。因雌激素缺乏引起的骨质疏松症状的小鼠，通过干扰RNA和抗Dkk1抗体治疗后骨质疏松症状可得到明显改善[37]。Dkk1在骨质疏松靶向治疗方面存在着巨大的潜力，应用于临床治疗中可发挥较大作用。

5 总结与展望

Wnt信号通路可通过多层面对骨生长和重建等相关代谢产生影响，与骨质疏松的发生机制密切相关。通过对骨质疏松发生过程中其通路相关蛋白表达的作用机理进行的深入研究，可为骨质疏松症的治疗以及其他骨代谢相关疾病有效治疗的研究提供新的思路和方法。

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（收稿日期：2018-01-04 本文編辑：李岳泽）