BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL信号通路与骨质疏松关系的研究进展

施彦龙 李应福 谢兴文 李宁 魏国俊 郭宏刚 钱敏 柳博

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730030 2.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050 3.甘肃省中医院，甘肃省中医药研究院，甘肃 兰州 730050 4.西北民族大学附属医院，甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730030

OP的特征在于骨量减少、骨组织微观结构破坏，表现为骨板多孔并变薄，骨小梁变细、数量减少、发生断裂，典型临床特征是骨强度降低、脆性增加及结构退化而易致骨折[1-7]。由于OB形成的新骨量比OC吸收的旧骨量少，所以骨代谢平衡轴发生紊乱，产生负平衡效应，骨总量过度丢失导致OP的发生。其总体方向虽然明晰，但对具体机制的研究，部分仍未完全明确。目前关于OP相关信号通路的研究比较深入的主要有BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL 2条通路，其中BMP/Smads主要调控OB，影响骨的形成；而OPG/RANK/RANKL则主要负责调控OC，以影响骨的吸收为主[5]。本文通过对中国知网、PubMed、维普和万方数据库中“骨质疏松”、“BMP/Smads”、“OPG/RANK/RANKL”、“信号通路”等关键词进行检索，筛选出近5年相关文献进行分析与总结，旨在进一步明确OP的发病机理，为OP的预防与治疗开拓新的思路，提供新的理论依据。

1 BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL 2条信号通路的研究进展

1.1BMP/Smads信号通路

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)又称骨形成蛋白，是转化生长因子(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的一员，在骨基质中大量存在[8]。它能使肌肉和筋膜周围游离且没有分化的间充质细胞和成纤维细胞向骨系细胞转化，起到促进骨折愈合的作用。并通过刺激细胞的复制以及DNA的合成，来促进OB的分化[9]，是目前已知的最具特异性的骨形成诱导因子[5]。在调节骨代谢过程中，有经典Smads途径和非经典MAPK途径[10]。经典途径以BMP2、Smad-1，5，8为主要诱发分子，且BMP2通过Smad-1，5，8介导的转导通路来调控OB的分化与成熟。非经典途径主要包含ERK通路和P38通路，激活ERK通路可显著提高OB活性；P38通路的激活则通过改善OB的矿化、提高BMP2蛋白的表达来促进骨的形成[11]。此信号通路功能的缺失往往会导致骨量减少，从而诱发OP[12]。有研究[13-14]表明，BMP 2在OB的分化过程中发挥着非常关键的作用，当小鼠OB中 BMP 抑制剂 Noggin 过表达或BMP受体BMPR1不足时，OB的增殖和分化都会受到一定的抑制，甚至会导致小鼠发生OP，这在一定程度上证实了BMP信号通路能够促进OB分化的理论。孙雨晴等[9]研究发现，通过药物作用上调BMP 2/Smads1及其通路中的其他重要相关mRNA蛋白分子，可明显促进体内OB的分化，且表达关系非常密切。柴爽等[15]对去卵巢大鼠的实验研究发现，通过药物作用上调BMP 2蛋白和Smads1基因的表达，可明显促进OB的分化。这一系列新发现，进一步表明BMP/Smads信号通路参与OB的增殖与分化并影响其活性及功能，一定程度上影响OP的发生及发展，可能会是OP发生机制与药物治疗方面新的研究热点[10]。

1.2OPG/ RANK/RANKL 信号通路

骨保护蛋白(osteoprotegerin，OPG)、核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-kappa，RANK)和核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor -kappa B ligand，RANKL)通路的三联体成分是肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)受体超家族的成员[16]。据相关文献报道[17-19]，此信号通路可能涉及以下途径：①NF-κB途径：RANK与TNF受体相关因子6(TNF receptor associated factor-6，TRAF6)结合后可以激活核转录因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)诱导激酶，而后NF-κB复合物会由胞浆入核，进而诱导OC成熟；② JNK途径：RANK与TRAF6结合，也激活JNK，进而诱导c-Jun/Fos活化蛋白-1(AP-1)活化并磷酸化c-Jun，活跃破骨前体细胞功能，产生OC；③Akt途径：又称蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)途径，RANK与TRAF6结合并激活磷脂酰肌醇，参与到NF-κB的活化过程，加速OC分化；④钙调磷酸酶/活化T细胞核因子(calcineurin/nuclear factor of activated tcells，CN/NFATc1)途径：CN活化NFAT并快速入核，参与OC基因表达。

OPG由OB、骨髓间质细胞、血管平滑肌细胞或内皮细胞等多种细胞分泌产生，其多肽链由一段信号肽、肿瘤坏死因子受体(tumor necrosis factorreceptor，TNF-R) 结构域、2个同源性死亡(death domain homologous，DDH) 结构域、1个肝素结合结构域(heparin binding domain) 共4个部分组成[20-21]。N端的D1-D4是生理功能部分，能和OC分化过程中的关键因子RANKL、免疫监测系统中的TNF相关细胞凋亡诱导配体TRAIL相结合，它是抑制骨吸收，增加皮质骨和松质骨密度、面积以及骨强度的关键细胞因子[17]。在骨组织中，OPG主要由OB产生，且随着细胞的分化成熟进一步增加，是目前发现对OC有直接负向调控作用的因子[22]。在OC分化微环境中，OPG又由OB和基质细胞共同分泌，并与二者表面表现出高度亲和力[23]。其主要发挥竞争性抑制RANKL的功能性受体RANK与之结合，阻断OB诱导的破骨前体细胞分化，进而调控OC的功能[24]。有文献[18]报道，将OPG给予卵巢切除术后小鼠，其骨小梁会显著增多，而不给予OPG的小鼠则出现骨小梁减少，表明OPG可在一定程度上抑制骨吸收、预防骨丢失。乔松等[25]研究发现，对比非OP高龄患者，OP高龄患者血中OPG水平明显下降(P<0.05)，表明OPG水平下降可能是OP高龄患者的发病原因之一。

RANK是一种I型同源三聚体跨膜蛋白，是目前已知的RANKL唯一受体激活剂[16,21]。在体内主要表达于单核和巨噬细胞系，主要功能是在OC及其祖细胞表面与RANKL结合，直接促进OC的分化成熟并阻止其凋亡。在体内的存在方式有可溶型与跨膜蛋白型两种，前者存在于血液中，能阻断RANKL对OC的促分化生长；后者存在于OC表面，可通过与RANKL选择性结合促进骨吸收[26]。有文献[17,26]报道，小鼠RANK基因被敲除后，OC会明显缺乏，导致非致命性石骨症的形成。相反地，如果RANK基因出现过度表达，OC数量会显著增加，骨吸收速度也会随之加快，在临床上主要表现为变形性骨炎(Paget病)。

RANKL是TNF家族II型同源三聚体蛋白，是影响骨形成和吸收的偶联关键，其mRNA在骨组织与骨髓中表达最高[23]。有RANKL 1、2、3 3种亚型[27]，其中RANKL1、2是跨膜蛋白，对OC前体细胞增殖有增强作用；RANKL3为分泌蛋白，可抑制OC前体细胞的增殖。最新实验研究表明[20]，当大鼠RANKL 过表达时，会增加骨吸收，导致骨脆性增大，诱发骨密度降低和其他OP相应临床表现。因此RANKL是维持OC功能并促进其分化、延缓OC凋亡的关键因素[28]。曹燕明等[29]研究发现，通过对比骨质疏松性骨折(OPF)组患者与对照组患者骨折断面内骨组织总RNA，采用RT-PCR技术检测并比较两组间各蛋白因子mRNA表达差异，发现OPF组患者RANKL因子表达明显升高(P<0.05)，表明OPF与RANKL因子破骨作用增强有关。

2 BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL信号通路在骨质疏松中的杠杆作用

2.1BMP/Smads信号通路影响骨形成的机制

BMPs在骨髓间充质干细胞(BMSCs)的分化及增殖为OB的过程中起到中枢性作用，主要通过BMP2和Smads信号通路来引发细胞应答[30]。在BMP2信号转导过程中，OB中的BMP2/Smads信号通路可通过上调转录因子核心结合蛋白(Cbfα1/Runx2)和OB特异性转录因子(Osterix)的表达，进一步影响OB的分化[31-32]。大体机制为BMP2与细胞膜上的受体结合，激活细胞内的Smads蛋白并使其磷酸化，然后由胞质进入胞核，作用于下游靶基因，激活特定转录，影响OB的分化，防止OP的发生[33]。此过程中，Smads蛋白作为关键辅助调节因子，需与Cbfα1/Runx2和Osterix相互作用，影响成骨相关基因的转录，使骨前体细胞进一步分化并启动OB特异因子的表达，从而促进骨形成[9]。在Smads信号通路中，具有丝氨酸/苏氨酸酶激活性的I、II型受体和细胞中所含有的Smads蛋白将信号从细胞表面传入细胞核内，BMP首先与II型受体结合使其磷酸化，之后II型受体磷酸化I型受体的GS 区，结合后形成活化复合物，将诸多下游受体调节Smads(R-Smads)激活。磷酸化的R-Smads与受体分离，在核内与其他相关联的转录因子结合，调节下游基因转录来上调Runx2和Osterix的表达，进一步影响OB的分化，促进骨形成来减少OP的发生[8]。罗艳等[34]选取了60例OP导致的股骨大转子骨折患者，随机分为对照组和观察组，每组各30例，对照组予常规手术内固定治疗，观察组在此基础上给予鲑鱼降钙素鼻喷剂治疗，评定两组患者骨折愈合情况后，发现观察组骨折愈合情况明显优于对照组。术后15 d和30 d分别采取清晨空腹静脉血，常规分离血清后采用酶联免疫吸附法(Elisa法) 测定两组患者血清内BMP2水平，发现观察组指标明显优于对照组。这表明BMP2在OP所致的骨折愈合过程中起到了重要的促进作用。此外刘小钰等[35]报道，补骨脂素能上调BMP2基因的表达，并且能提高Smad-1，Smad-5以及Smad-8的磷酸化水平，促进OB的分化与增殖，加快钙盐的沉积，发挥抗OP的作用。

2.2OPG/RANK/RANKL信号通路影响骨破坏的机制

RANKL通过与RANK结合，使破骨前体细胞接收信号分子，促进其向OC分化[24]。OPG可竞争性抑制并有效阻断RANKL与破骨前体细胞上的RANK结合，延缓前体OC的活化，抑制骨吸收，达到维持骨代谢平衡的目的[36]。OPG/RANKL的比率是评价骨健康与调节骨吸收平衡的重要杠杆指标[16,37-38]。当OB释放的RANKL与破骨前体细胞表面的RANK受体相结合后，TRAFs会与RANK胞质区快速结合，成功结合后可将下游信号通路激活，最终达到促进OC分化、成熟、生存的作用[26,37,39]。除RANKL的天然伪受体OPG外，G 蛋白偶联受体48(GPR48)，是RANKL的一个重要受体，通过参与OC分化过程，与RANK竞争性结合RANKL，抑制OC生成过程中活化T细胞核因子的表达和活性，从而抑制RANK/RANKL信号轴OC分化和骨吸收[40]。有研究表明[39]，在OP小鼠模型中GPR48胞外域可治疗RANKL诱导的骨量丢失，可能在一程度上为治疗OP提供了一些新的思路和方法。李佳凌等[41-42]报道，诸多补肾中药均能通过影响OPG/RANK /RANKL信号通路来达到抑制OC功能、防治OP的作用。如骨碎补可上调OPG/RANKL比值，来阻碍OC分化，从而减缓OP的发生；淫羊藿苷能明显上调OB中OPG蛋白表达指标，且能提高OPG/RANKL的比值来影响骨吸收。

3 总结与展望

通过近些年的实验研究，对在OP这个复杂的生物学过程的发生与发展中所涉及到的分子信号通路的认识已经取得一定成果，从本文所搜集到的文献资料来看，目前普遍认为BMP/Smads信号通路通过调控OB的活化来影响骨形成过程；而OPG/RANK/RAKNL信号通路则通过调节OC的活化和成熟来促进骨吸收，参与骨的重建过程。

当然我们也应清楚地认识到目前所面临的困境，在OP发生过程中所涉及到的信号通路数量非常庞杂，机制也复杂异常，并且各信号通路在OP发生过程中的作用也不是单一的。如目前虽然己经明确BMP信号通路在OB的生成和活化过程中具有重要作用，但是也有报道[8]指出，其也间接地在OC的生成中发挥重要作用，如BMP2在OC分化作用前期时抑制其形成，而在RANKL作用之后又促进OC的形成。另外骨代谢过程中信号通路间还存在一定的交织与协调，如柴爽等[15]研究发现BMP/Smads信号通路可以通过上调 OPG 的表达来抑制OC的分化。但目前想通过综合调控各条信号通路来防治OP尚缺乏有效临床报道[43]，这可能也是以后需要进一步的研究来解决的热点问题。

虽然现在我们面临诸多困局，但祖国医学的迅猛发展为我们提供了新的突破口。近年来，有很多中医药通过激活相关信号通路提高OB的功能活性来促进骨形成，从而防治OP的文献报道[9]。如柴爽等[15]通过实验研究发现，将由补骨脂、淫羊藿、肉苁蓉等10 味中药组成的方剂作用于去卵巢大鼠绝经后OP模型，发现此方剂可以通过调控BMP2 / Smads通路的信号转导来上调 Runx2 基因的表达，从而促进OB的分化，可以使去卵巢大鼠绝经后OP模型的骨密度得以提高，生物力学性能得以改善。有文献[44]指出，补肾中药主要通过 BMP/Smads、Wnt /β-catenin等信号通路促进OB的成骨作用，通过OPG/RANK/RANKL、雌激素等信号通路抑制OC的破骨作用，达到预防OP的目的。其中淫羊藿、补骨脂通过上调 BMP/Smads信号通路中BMP2、Smad1、5、8以及Wnt信号通路中的β-catenin等关键蛋白与基因的表达，促进OB的形成，对OP的预防可能有一定的指导意义。这充分说明中医药在防治OP的应用方面有着较为广阔的前景，研究价值巨大。但同时我们也要清楚地认识到，现阶段对中医药防治OP的研究，主要集中在分子生物细胞学水平，实验动物模型研究领域比较单一，缺乏大样本、多层次和多中心的临床及基础实验研究，且具体机制还有待深入研究，特别是中医药发展领域[45]。这启示我们今后要多开展与中医药相关的临床及基础实验研究，将传统中医药与分子生物细胞学充分结合，深入揭示中医药防治OP的具体机理，提高中医药在防治OP过程中的安全性和有效性，以期为进一步深层次了解和利用祖国中药材积极防治OP提供可靠的依据，指明正确的方向。