ERK5 信号通路与骨质疏松症关联性的研究进展＊

王 瑛，耿 彬

（1.兰州大学第二医院放射影像科，甘肃 兰州 730030；2.兰州大学第二医院骨一科，甘肃 兰州 730030）

骨质疏松症（Osteoporosis，OP）属于代谢障碍性全身性骨病，其在老年群体中有较高发病率，常引发骨脆性升高并显著增加骨折风险。OP 的病因主要是成骨细胞的分化及总量不断减少而凋亡，最终抑制了骨形成，即成骨细胞的凋亡在OP 发生及发展过程中发挥着重要作用[1]。骨组织内的骨基质如果出现小幅度弯曲则会引发细胞外基质发生流动，这时在骨细胞的表面就生成由液体流动引发的复杂生理性反应，即流体剪切应力（Fluid Shear Stress，FSS），FSS 是机体维持正常骨量不可或缺的，其通过产生某些生物学信号通路抑制成骨细胞凋亡以影响OP 的发生[2]，其中ERK5 信号通路是目前研究热点。Ding 等[3]研究结论提示，在FSS 对成骨细胞凋亡抑制机制中ERK5 信号通路被激活，其可抑制成骨细胞凋亡信号的传导而发挥抑制OP 的作用。研究就ERK5 信号通路与OP 之间关联性相关机制做一综述。

1 ERK5 的生物学功能

ERK5 是于1995 年被Lee 等[4]团队在人胎盘素c DNA 库中发现，属于MAPK 基因一员，即MAPK7并命名为ERK5 基因，共包含816 个氨基酸，其中激酶区域共有MEK5 结合区域、MEK5 磷酸化位点和共同对接区域（CD）3 个部分，在心脏、胎盘、骨骼肌、肾脏内大量表达；相比其他MAPK 激酶，ERK5羧基端结构巨大，这一特征决定ERK5 可通过自我磷酸化而直接对基因表达进行调节。当机体存在刺激因素时（如氧化应激、机械刺激、高渗环境以及各种炎性因子、细胞因子等）或者某些病理生理条件下（如局部缺血缺氧、FSS 等）ERK5 可被激活。有相关研究已证实，ERK5 在维持血管内皮细胞功能、血管再生、神经系统发育、肿瘤细胞侵袭及增殖、诱导疼痛等方面均密切相关[5-7]；且ERK5 在骨质的吸收与形成中乃至OP 的发生中亦发挥重要作用。

2 ERK5 与FSS 的促成骨细胞增殖关系

力学环境对骨组织维持正常功能具有极重要影响，临床实践中在适宜应力作用下能促使骨折痊愈并防止发生OP，而机械应变力中的FSS 与骨细胞有着最为紧密的关联。有研究证实，MAPK 信号通路能够被FSS 激活，且参与到FSS 对成骨细胞的调节机制中[8]。作为MAPK 信号通路中的一员ERK5 对力学信号也很敏感，亦能被FSS 激活，Zhang 等[9]研究也证实FSS 可通过激活ERK5 信号通路而发挥促成骨细胞增殖的作用，他们发现FSS 能使细胞骨架结构重组而激活FAK 信号通路，最终激活ERK5信号通路。Xia 等[10]发现当ERK5 磷酸化受到抑制而引发成骨细胞内Cyclin D1、AP-1 基因表达下调，而降低了成骨细胞增殖活性，FSS 具备可促进MC3T3-E1 细胞内的ERK5 发生磷酸化，即FSS 通过ERK5 信号通路上调Cyclin D1、AP-1 基因表达，共同加入到刺激成骨细胞增殖的机制中。另有研究结果提示，当ERK5 信号通路被FSS 激活之后，使骨组织中碱性磷酸酶活性进一步升高，同时促进骨桥蛋白、骨钙素的表达，后两者在骨重塑中具有重要的作用[11]。杨全增等[12]研究成骨细胞增殖相关机制时发现，FSS 通过激活ERK5 信号通路而诱导环氧合酶-2 基因表达，该基因在成骨细胞信号传导、骨质吸收、骨骼重建等均发挥重要作用。

3 ERK5 与FSS 的抑制成骨细胞凋亡关系

（1）FSS 通过ERK5-Bad-Caspase-3 信号通路抑制成骨细胞的凋亡。董冰子等[13]研究认为，由TNF-α 所诱导的成骨细胞凋亡可被FSS 所抑制，而在FSS 发挥抗凋亡机制中ERK5 信号通路是必须的，ERK5 有很多的下游信号，其中Bad 是其中重要的下游靶分子。FSS、磷酸化的ERK5 所产生的抗细胞凋亡机制与Bad 磷酸化关联密切，加载FSS之后明显增加ERK5 的磷酸化，进一步刺激Bad 被磷酸化而发挥抑制成骨细胞凋亡（由TNF-α 诱导）的作用；但当ERK5 活性被抑制以后，Bad 磷酸化程度随之被减弱，反而促使了成骨细胞出现凋亡（由TNF-α 诱导）[14]。Ma 等[15]报道证实FSS 经过促使ERK5 磷酸化而继续促使Bad 磷酸化，接下来就启动了成骨细胞内线粒体的抑制凋亡途径，该途径又抑制Caspase-3 活性，最终完成抗成骨细胞凋亡的效应。

（2）FSS 通过ERK5-AKT-FoxO3a-FasL/Bim 信号通路抑制成骨细胞凋亡。Ye 等[16]研究证实，在FSS 的刺激下，能连续激活MEKK2/3、MEK5、ERK5信号通路，在ERK5 激活后可被转移细胞核之内，继续激活AKT、FoxO3a，使其磷酸化，FoxO3a 在被磷酸化后就在细胞浆内处于隔离状态，进而降低其下游的前凋亡相关蛋白（如FasL、Bim）的表达水平，最终因降低了Caspase-3 水平而诱导成骨细胞凋亡效应下降。可见FSS 在激活ERK5 磷酸化后增加AKT、FoxO3a 活性，如AKT、FoxO3a 信号通路被ERK5 阻断则能抵消掉FSS 的抗成骨细胞凋亡效应。

4 ERK5 在OP 中作用

在维持骨组织量中ERK5 活性是否必须，Min 等[17]进行研究加以证实，通过对ERK5 抑制剂(XMD8-92)的检测验证ERK5 与OP 之间的联系，结果提示在ERK5 磷酸化被XMD8-92 抑制后发现就一个轻度OP 的发生，同时在ERK5 失活后能明显加速形成。耿彬等[18]动物实验结果提示，实验小鼠股骨的成骨细胞内ERK5 信号通路被XMD8-92 抑制后，小鼠骨组织量明显下降同时地塞米松诱导的OP 也明显加快。究其原因是XMD8-92 显著影响小鼠经地塞米松干预后骨组织内破骨细胞前体细胞膜受体配体与骨保素间的比例，使破骨细胞前体细胞膜受体配体/骨保素比值升高，由此激发破骨细胞功能病使得骨吸收显著加快，而最终导致OP 发生。另外XMD8-92 还能通过抑制ERK5 磷酸化而上调FasL表达水平、下调Cyclin B1、CDK1 表达水平，而促使成骨细胞发生凋亡；同时XMD8-92 和/或地塞米松干预后显著提高小鼠骨组织中脂肪细胞含量，而成骨细胞的分化则显著降低；这些机制综合作用降低小鼠骨细胞量最终导致OP 发生及发展。

5 小结

ERK5 信号通路在OP 发生及发展中发挥极其重要的作用，尤其在成骨细胞的增殖、凋亡机制中更是不可或缺。ERK5 信号通路参与了成骨细胞增殖机制，如ERK5-Cyclin B1-CDK1 信号通路受到抑制则降低成骨细胞的增殖活性，能促进OP 发生；ERK5 信号通路也参与了成骨细胞凋亡机制，如ERK5-Bad-Caspase-3 信号通路及ERK5-AKTFoxO3a-FasL/Bim 信号通路被抑制后则能显著促进成骨细胞凋亡，就加重OP 发展。