Wnt信号通路在周围神经损伤后骨质疏松中的研究进展

王琰，王艳

1.黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨市 150040；2.黑龙江中医药大学附属第二医院，黑龙江哈尔滨市150001

周围神经损伤后的骨质疏松与骨丢失增多和骨质重塑有关，缺乏由骨细胞机械感受功能介导的机械载荷似乎是与骨丢失有关的病因。长期卧床休息或失重环境导致的机械负荷减少会导致严重的骨质流失[1]；而过度使用骨质会损害组织，进而激活骨质重塑，实现自我修复，因此缺失机械负荷会对骨骼重塑产生深远的影响[2]。骨和骨膜被感觉神经和交感神经纤维支配[3]，提示周围神经系统也可能参与骨代谢[4-5]。神经生长因子(nerve growth factor,NGF)影响感觉神经和交感神经元的生长和分化，而感觉神经与交感神经分别通过神经肽物质P(substance P,SP)和神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)影响骨代谢[6-7]，并在调节骨骼重塑中起着重要作用[8]。无论是机械载荷、NGF、感觉神经和交感神经对骨的合成代谢作用都与Wnt信号通路密切相关[9]。了解Wnt 信号通路与机械载荷和周围神经之间的作用机制，对周围神经损伤后骨质疏松的防治具有十分重要的意义。

1 Wnt信号

1.1 Wnt信号发展历程

Wnt 信号传导领域的发展历程十分艰难[10-11]，来自不同学科的研究人员为解决Wnt 信号传导的分子奥秘做出了重要贡献。Nusse 等[11]在对小鼠乳腺肿瘤病毒(mouse mammary tumor virus,MMTV)可能导致乳腺癌的机制研究时，用探针筛选其他肿瘤是否在同一个结构中整合，发现其中的探针9 特别有用，它在许多个肿瘤中获得整合，并且大致映射到整合集群的中间，他们称之为int1(表示第一个常见的整合部位)。

然而确定int1 基因及其编码蛋白的作用机制并不容易[10]，直到Rijsewijk 等[12]发现果蝇中的Wingless 基因是int1 的同源物，才从发育遗传学角度揭示int1的功能。1990年左右，int命名法已经变得不充分且令人困惑，如从肿瘤中MMTV 原病毒插入位点的其他筛选产生了其他活化基因，称为int2、int3 和int4[13-15]。但通过序列比较，这些基因与int1 无关。为避免混淆，Nusse等[16]同意使用一个新的混合名称‘Wnt’来表示属于int1/Wingless系列的基因。

1.2 Wnt信号与疾病

随着对Wnt 蛋白质的多种生理作用所获得的洞察力越多，就越能开始识别和掌握异常信号及其参与许多人类疾病的发病机制，从癌症到代谢紊乱和发育缺陷[17-18]。了解Wnt 信号在骨骼疾病中的作用，不仅有助于阐明这些疾病的发病机制，更有助于探索出更具有针对性且有根据性的新治疗途径。

1.3 Wnt信号传导的经典途径

Wnt信号的传导途径可分为经典途径和非经典途径。经典途径通过β连环蛋白(β-catenin)介导信号传导，而非经典途径独立于β-catenin 起作用[19]，其中经典途径在骨骼疾病中得到更好的表征。

经典的Wnt 信号传导的标志是活化后细胞质中的β-catenin的稳定性。当存在经典的Wnt 配体(Wnt1、Wnt3a 和Wnt8)时，配体与Frizzled(Fz)家族和低密度脂蛋白受体相关蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein,LRP)5 或LRP6 结合，引起细胞内的散乱蛋白(dishevelled,Dvl)磷酸化，磷酸化的Dvl抑制糖原合酶激酶3β (glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)，使GSK3β活性下降，抑制其磷酸化细胞质中的β-catenin，结果使β-catenin 更稳定并易位到细胞核中，与T 细胞因子(T cell factor,Tcf)/淋巴增强剂结合因子形成转录复合物，调节目的基因的表达[20-21]。若没有Wnt 配体，细胞质中的β-catenin 被蛋白质降解复合物，如GSK3β、轴蛋白(Axin)与结肠腺瘤性息肉病蛋白(adenomatous polyosis coli,APC)等磷酸化，使β-catenin降解[20]。

2 Wnt信号通路与骨

2.1 Wnt信号通路与骨合成代谢

近年来Wnt 信号通路在骨生物学中的作用受到更多的关注。如骨质疏松假性神经胶质瘤综合征、硬化症和范布赫姆病等病的骨病理学都与异常的Wnt信号传导有关，这些都引发骨生物学中Wnt 信号通路的进一步研究[22-23]。骨质疏松假性神经胶质瘤综合征与LRP5 基因的新突变有关，患者表现为因骨小梁显著减少而导致多处骨折。通过LRP5 介导的Wnt 介导的信号传导会影响生长过程中的骨累积，对峰值骨量的建立很重要[24]。硬化症和范布赫姆病临床表现为高骨量，是由于编码硬化蛋白(sclerostin,SOST)的基因突变导致，SOST 是一种Wnt/βcatenin 信号传导拮抗剂[25]。因此Wnt信号途径的突变会导致人的骨密度发生严重变化。

骨量取决于骨骼重塑的过程，涉及成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的活动，这三种细胞类型通过控制骨骼重塑，维持骨量平衡[26-27]。成骨细胞和骨细胞来源于间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)[28]，破骨细胞来源于造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)[29]。一般而言，成骨细胞形成骨骼，破骨细胞吸收骨骼，骨细胞维持骨骼的稳态，并在骨骼重塑中调节成骨细胞和破骨细胞，以适应生物力学的需要。

Glass 等[30]研究表明，β-catenin(可能是Wnt 信号)可促进成骨细胞分化并抑制破骨细胞分化。Wnt 信号通路抑制MSCs 向软骨和成脂谱系的分化，增强了对成骨细胞谱系的分化[31-32]。成骨细胞和骨细胞的Wnt/β-catenin 信号通过骨保护蛋白(osteoprotegerin,OPG)的分泌而间接抑制破骨细胞的分化和骨吸收[30]。Wnt 信号通路直接或间接地对成骨细胞、骨细胞和破骨细胞进行调控，因此在控制骨量方面具有重要作用。

2.2 Wnt信号通过机械负荷影响骨

骨骼是一种不断重塑的动态器官[33]，其结构因其机械环境而不断变化[34]，包括轴向负荷和全身震动在内的许多负荷方式都会影响骨骼的重塑过程[35-36]。骨细胞通过细胞过程相互连接，在骨表面与成骨细胞相连接，形成小管网络，成为响应机械负荷的骨重塑关键调节剂[37]。骨细胞感知机械负荷并将其转换为生化信号。机械负荷激活了Wnt信号通路，通过Wnt信号抑制剂SOST、Dickkopf-1(DKK1)等的分泌，调节位于骨表面的成骨细胞分化[38-39]。

2.2.1SOST

SOST是SOST基因的蛋白质产物，它是一种有效的骨形成抑制剂，主要由骨细胞合成[40]。该信号是骨骼机械转导的关键介质，通过调节其输出以调节Wnt信号转导[39]，为骨细胞控制机械转导提供了潜在的机制。

Sawakami 等[41]发现，携带LRP5 功能突变的小鼠重现了在LRP5 失活突变的人类中观察到的低骨量表型；它们几乎无法对机械刺激进行合成代谢反应。提示Wnt/LRP5 信号传导是正常骨组织中机械转导级联的组成部分，机械负荷需要LRP5 的参与才能对骨量产生影响。SOST 与LRP5/6 Wnt 共受体结合，从而抑制Wnt/β-catenin 信号传导[42]，SOST 一直被认为是骨骼中的“机械传感器”[43]。因此，SOST 成为了机械负荷诱导Wnt/LRP5信号的候选人。

Robling 等[44]发现，尺骨负荷显著降低SOST转录和SOST水平，后肢卸载显著增加SOST 表达。提示Wnt 信号抑制剂SOST 受机械负荷的调节。此外长期的SOST 缺失会抑制由机械负荷的减少而引起的骨质疏松[45]。再次证明在骨骼机械转导级联中Wnt 信号是关键的一步。但是机械负荷影响SOST 表达的作用机制目前尚不明确，一种假设是由于SOST 在局部成骨细胞不受控制地形成骨的时候，为了调节骨量在可控范围内，会由骨细胞大量的生成和分泌[44]。骨细胞感受到局部应力，SOST 水平降低，增强Wnt 信号的表达，使局部的成骨细胞形成骨，最终导致高应变区新骨生成。Robling 等[44]也发现，DKK1表达下调，DKK1对LRP5/6同样具有高亲和力，也主要由骨细胞合成[38]。因此DKK1 也可以解释机械转导过程中Wnt信号的增强。

2.2.2DKK1

DKK1 是Wnt 信号通路细胞外另一种拮抗剂，它主要由骨细胞合成[44]。DKK1 与Kremen 和LRP5/6 在质膜上形成三元复合物，从而防止LRP5/6与Wnt配体结合[46]。

DKK1 在成骨细胞内的过度表达会导致小鼠骨质减少[47]，而DKK1的杂合子或纯合子缺失导致骨量依赖性增加，这可能是由于骨形成增加并且骨吸收没有改变[48-49]。在骨骼机械转导中，像SOST 一样，DKK1 也有作用。特别是在啮齿动物模型中，当机械负荷增加后，SOST和DKK1的表达均被抑制[50-51]。

Morse 等[52]发现，DKK1基因敲除小鼠对胫骨负荷的反应增加了胫骨的骨量。因此，DKK1 基因敲除动物对机械负荷敏感性增强。有报道假设SOST 和DKK1 在缺乏的情况下可以在骨髓腔内互相补偿[45]。Van Lierop 等[53]发现，SOST 缺乏症患者的血清DKK1 水平升高。但是在DKK1基因敲除小鼠和野生型小鼠中，SOST表达随载荷增加而下降[52]。这可能是因为SOST本身对负荷更敏感，并在负荷增加的条件下被下调[44,50]。尽管DKK1 与SOST 都属于Wnt 拮抗剂，并具有相似的功能，但DKK1在调节骨量方面的作用可能不如SOST重要。

2.3 Wnt信号通过周围神经作用于骨

2.3.1NGF

NGF是一系列神经营养因子中的第一个，它影响交感神经和感觉神经元的生长和分化。成年骨骼中的绝大多数(80%)无髓鞘/薄髓鞘的感觉神经纤维神经表达NGF 高亲和力受体，即神经营养性酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptors A,TrkA)[54-55]。

Tomlinson 等[56]指出，NGF 信号通过TrkA 指导发育中小鼠股骨的神经支配，以促进血管形成和骨祖细胞的进程，建立了NGF-TrkA 信号与骨代谢的联系。他们研究的另一个重要发现是骨细胞中受机械载荷诱导的Wnt/β-catenin 信号受NGF-TrkA信号传导调节。在骨膜和尺骨内膜上的成骨细胞中，NGF急剧上调，表明此区域的感觉神经通过NGF-TrkA 信号对机械刺激作出了反应。但是骨细胞中不表达NGF，而是表达强大的βcatenin报告基因活性，而成骨细胞中β-catenin缺失不会影响负荷诱导的NGF 表达。这表明成骨细胞和骨细胞可能通过独特的尽管可能重叠的机制对体内骨骼负荷作出反应。Wnt配体在神经轴突中被隔离，所以在感觉神经中的NGF-TrkA 不可能直接刺激骨细胞中Wnt/β-catenin信号表达，而是通过激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶进而抑制GSK3β 来促进β-catenin 在轴突尖端定位[57]。此外，NGF-TrkA 信号是使NGF 信号从轴突末端传递到交感神经元胞体的信使[58]，并对感觉神经分泌的SP 的释放也具有促进作用[59]。

2.3.2SP

SP 是骨骼感觉神经元分泌的11 个氨基酸的神经肽[60]，也是广泛分布于中枢神经系统和周围神经系统的一种神经递质，对骨组织形成具有重要的调节作用[61]。Wang等[62]发现，跑步机与电针相结合可以预防坐骨神经损伤后胫骨骨丢失的潜在机制，可能与SP 的表达增加相关。Fu 等[63-64]发现，SP 可以调节骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的成骨细胞分化、增殖和凋亡，促进骨折愈合。

关于SP 刺激BMSCs 增殖的机制目前研究较少。一种可能的机制是SP 可以通过激活Wnt 途径的基因和蛋白质表达，以及通过移位β-catenin 来增强BMSCs 的分化，并且增强BMSCs的迁移能力，对血管内皮生长因子表达也有促进作用[64]。因此，SP 可能通过Wnt 途径诱导成骨细胞分化，并促进BMSCs的血管生成能力。但是SP 是否通过Wnt 信号介导血管生成还需要进一步探讨。

2.3.3NPY

NPY 是高度保守的36 个氨基酸的神经肽，在中枢神经和周围神经系统中广泛表达[65-66]，目前已知在促进多种细胞和组织的增殖、血管生成和迁移中具有重要的信号传导功能。然而，关于NPY对BMSCs增殖和凋亡的特定作用却少为人知[6]。

Liu 等[67]指出，NPY 刺激BMSCs 的成骨细胞分化和迁移。Wu 等[68]发现，NPY 以浓度依赖的方式显著促进BMSCs 的增殖，在增殖和凋亡过程中，NPY还增加了经典的Wnt信号通路蛋白(包括β-catenin)的mRNA 和蛋白表达水平，激活Wnt 信号通路传导，从而刺激BMSCs的成骨细胞分化。Dong等[69]发现，褪黑激素治疗上调NPY 和NPY 受体Y1(NPY1R)的表达，并促进MSC的增殖和迁移。提示褪黑激素通过NPY/NPY1R信号传导促进MSCs的成骨细胞分化和骨折愈合。

NPY是否促进BMSCs的增殖，研究之间还存在分歧。Lee等[70]发现，NPY 系统通过Y1 受体直接抑制间充质祖细胞的分化以及成熟成骨细胞的活性，构成Y1 受体缺失小鼠中明显存在的高骨量表型的可能机制。

因此NPY 在BMSCs 增殖和凋亡中的具体作用，可能对于维持体内适当数量的BMSCs 至关重要，并且通过β-catenin 信号的传导，对成骨细胞也起着重要的作用[68]。但是目前尚未得到充分的论证，需要进一步阐明。

3 小结

目前已有的研究证实Wnt信号通路可以通过机械负荷和周围神经两方面调节周围神经损伤后骨的合成与代谢。机械负荷主要是由Wnt 信号抑制剂SOST、DKK1 等调节Wnt/β-catenin信号传导，进而影响骨骼重塑的过程。周围神经主要是通过感觉神经分泌的SP 和交感神经分泌的NPY，以及影响感觉神经和交感神经元生长和分化的NGF，对骨组织的形成具有重要作用，三者都与Wnt信号通路密切相关。因此可以从“力学”和“神经学”两方面入手进行干预和防治。

尽管已经明确了经典Wnt途径对骨骼合成代谢的关键性作用，但是非经典Wnt途径还需进一步阐明，影响Wnt信号途径的其他因子以及与其他信号的串扰方面仍有待发现。