Hedgehog-Gli信号通路在骨质疏松发生中作用的研究进展

王雨荷 刘红 李艳 史婧儒 付小卫 王少君 潘静华 刘梅洁*

1.中国中医科学院医学实验中心，北京 100700 2.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 咸阳 712000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以低骨量和骨组织微结构破坏为特征，导致骨质脆性增加和易于骨折的全身性骨代谢疾病[1]。目前，全世界OP患者超过2亿人，其中老年男性OP发病率约为60.72 %，因为绝经后激素水平的变化，老年女性OP发病率则高达90.87 %[2]。同时，因OP而发生身体各处骨折的人数也越来越多，并且OP还会给患者带来许多心理上的危害，比如无休止的疼痛，使患者生存质量下降等，所以OP的预防和治疗刻不容缓，因此探明OP发生机制也一直是国内外医学的研究热点。已有研究表明，Hedgehog-Gli信号通路可以促进成骨细胞(osteoblast，OB)的分化，也可以提高破骨细胞(osteoclast，OC亦称bone-resorbing cells)的活性，从而在骨稳态中发挥重要作用，因此，Hedgehog-Gli信号通路在骨质疏松症发生中的作用机制值得我们深入探讨。

1 Hedgehog-GLi信号通路

Hh蛋白最早是由Christiane Nüsslein-Volhard和Eric F Wieschaus在研究果蝇时作为一个“体节极性”基因发现的，该基因突变会导致果蝇胚胎呈多刺小球状，如同刺猬一般，故名“Hedgehog”[3]。Hedgehog信号通路由Hedgehog信号蛋白、Ptched (Ptc)、Smoothened (Smo)特异性受体、Gli蛋白和下游靶基因组成。已有研究发现，在没有Hedgehog蛋白的信号通路里，Ptc与Smo结合并抑制其活性，下游靶基因的转录受抑制；而当通路中存在Hedgehog蛋白时，Hh蛋白与Ptc结合，此时Smo的抑制作用解除，Smo促进Gli与蛋白激酶A(PKA)形成复合物进入细胞核激活下游靶基因的转录。Gli蛋白家族成员在脊椎动物中主要有Gli1、Gli2和Gli3三种，其中Gli1和Gli2在蛋白水平作用相似，主要激活Hedgehog信号，而Gli3主要作为抑制因子阻碍这一信号传导[4]。实验证明，Hh信号通路转导机制在人体多个系统组织中都有参与，叶泉英等[5]在文章中提出，乳腺癌的发展和转移与Hedgehog信号通路异常传导有关；陈华林等[6]研究发现Hedgehog信号通路相关蛋白表达与老年非小细胞肺癌患者放化疗敏感性有关，检测Shh、Ptch、Gli1等蛋白表达有可能筛选出对放化疗敏感的患者,从而使患者获得更好的预后。近些年来，有研究[7-8]提出Hh信号通路可以调控成骨细胞和破骨细胞的分化，从而与骨质疏松症的发生发展有密切关系。

2 Hedgehog-Gli信号通路在骨质疏松发生中的作用

成骨细胞和破骨细胞是骨重建过程的两种主要细胞，骨重建过程中，破骨细胞贴附在旧骨上，分泌酸性物质溶解旧骨，分泌蛋白酶消化骨基质，形成旧骨陷窝，而后成骨细胞移行至陷窝处，分泌骨基质，骨基质矿化形成新骨。因此调节OB与OC的生成、活性以及两者之间相互作用，能协调骨形成与骨吸收的动态平衡。所以OB和OC是维持骨稳态最重要的细胞[9]。

2.1 Hedgehog-Gli信号通路对成骨作用的调控

2.1.1Hedgehog-Gli信号通路对骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的调控：骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨髓基质干细胞，具有多种分化潜能[10]，成骨细胞就是由BMSCs分化产生。已有研究发现，Hedgehog-Gli信号通路在BMSCs向成骨细胞分化这一过程中有显著调控作用。Hedgehog-Gli信号通路主要有三种同源蛋白，即Sonic hedgehog(Shh)、Indian hedgehog(Ihh)和Desert hedgehog(Dhh)[11]，其中Shh和Ihh在成骨细胞生成分化中具有重要作用[12]。很多科学家做了这方面的研究，Ma等[13]采用了RT-PCR和Western blot等技术检测分析了用地塞米松诱导BMSCs向成骨细胞分化过程中Hedgehog 信号分子 Shh的基因和蛋白表达活性，结果显示在地塞米松诱导下，BMSCs向成骨细胞分化过程中Hedgehog 信号分子 Shh表达显著增强；Warzecha等[14]提出Shh参与了BMSCs早期向软骨分化的诱导过程，他们用重组Sonic-Hedgehog蛋白(r-Shh)和转化生长因子β1(TGF-β1)体外处理BMSCs 3周，发现当用Shh或TGF-β1处理BMSCs时，显示有软骨标志物软骨蛋白聚糖、Sox9、CEP-68、II型和X型胶原等的表达，提示Shh在BMSCs体外诱导软骨生成中起重要作用；Beloti等[15]也通过研究发现，purmorphamine(嘌吗啡胺)作为一种Hedgehog信号通路激动剂，能够上调BMSCs向成骨细胞分化过程中标志物的表达，增强ALP的活性。通过以上研究，可以证明Hedgehog-Gli信号通路在BMSCs成骨过程中有正向调控作用。

2.1.2Hedgehog-GLi信号通路对成骨细胞的增殖、分化和活性的调控：骨组织的发生主要依赖成骨细胞的增殖分化，成骨细胞是骨组织形成中最活跃的细胞，具有合成和分泌骨胶纤维和基质的功能。Hedgehog-Gli信号通路可以通过调控成骨细胞的增殖分化进而调控骨组织的形成。杨楠等[16]在文章中提及在骨重建过程中，Hedgehog信号通路在成骨细胞中其关键作用，Ihh的表达水平明显增加。在Cai等[17]研究了通过重组Shh-N末端(rShh-N)对体外培养的大鼠的成骨分化的影响，实时PCR显示200ng/ml rShh-N可上调骨钙素、ALP和Ⅰ型胶原基因的表达，这表明rShh-N对调控成骨细胞分化具有一定潜力。Gao等[18]用Exendin-4处理成骨细胞，结果显示Exendin-4可以通过Hedgehog-Gli信号通路显著的促进成骨细胞的分化，也证明了在成骨细胞分化过程中Hedgehog-Gli信号通路发挥着重要作用。但是Hedgehog-Gli信号通路对成骨细胞的调控并不一直是正向的：在成骨细胞刚开始生长分化时，Hedgehog-Gli信号通路能促进成骨细胞的分化，但这一过程并不是持续不变的。当成骨细胞分化到一定程度，Hedgehog-Gli信号通路的表达也会随之下降[19]。

综上，Hedgehog-Gli信号通路可以通过双向调控成骨细胞的分化能力来维持骨稳态。

2.2 Hedgehog-Gli信号通路在破骨细胞发挥功能中的作用

破骨细胞是一种具有骨吸收功能的多核巨细胞，在骨代谢方面具有关键的作用[20]。破骨细胞的功能失常与骨质疏松关系密切，当破骨细胞数量增多和(或)功能增强时，骨吸收活动超过骨生成，骨代谢紊乱，骨质疏松的风险增加[21]。Lv等[22]研究发现，Hedgehog-Gli转导可上调成骨细胞中甲状旁腺激素相关蛋白(PTHrP)的表达，进而激活其下游靶核因子活化T细胞(NFAT)和cAMP反应元件结合蛋白(CREB)，使CREB和NFAT协同增加RANKL的表达和破骨细胞的形成。张洪洋[23]通过敲除破骨细胞SMO基因来抑制Hedgehog-Gli信号通路活性，发现被敲除SMO基因的破骨细胞的分化能力和融合能力都明显下降。厉晓杰等[24]利用绝经后骨质疏松模型的小鼠对比假手术小鼠细胞Hedgehog信号通路活性，发现绝经后骨质疏松模型小鼠的Hedgehog 信号活性水平较高，同时又通过TRAP和F-actin染色观察破骨细胞数目，发现模型组破骨细胞数量较多，推测可能是因为雌激素对Hedgehog信号通路有抑制作用，当缺乏雌激素时，Hedgehog-Gli信号通路活性增强，此时破骨细胞数量也增多，这也说明Hedgehog-Gli信号通路能促进破骨细胞的生长分化。Li等[25]研究发现在绝经后骨质疏松症的破骨细胞中Hedgehog-Gli信号通路被上调，17β-雌二醇也通过下调Hedgehog-Gli信号通路抑制破骨细胞的发生和诱导破骨细胞凋亡，由此也可以说明Hedgehog-Gli信号通路可以抑制破骨细胞的生长分化及其功能。Matsumoto等[26]通过对比年轻小鼠(5周龄)和老年小鼠(60周龄)在骨折愈合过程中Hedgehog-Gli信号通路的表达情况，发现在老年小鼠中，Hedgehog-Gli信号通路可以直接刺激破骨细胞的形成，而在年轻小鼠中，Hedgehog-Gli信号通路则可通过骨保护素的表达间接抑制破骨细胞的形成。

2.3 Hedgehog-Gli信号通路与成脂分化的关系

除了成骨细胞和破骨细胞功能失衡以外，成脂分化与骨质疏松(尤其是糖尿病性骨质疏松)的发生发展过程也密切相关[27]。BMSCs是脂肪细胞的前体细胞，具有成脂分化的能力[28]。在骨质疏松症的药物治疗过程中，促进BMSCs向成骨分化，抑制其向成脂分化是一个新的治疗思路[29]。李佩仪[30]通过研究提出抑制Hedgehog信号通路可以促进成脂分化，激活Hedgehog信号通路可以抑制成脂分化。周鑫等[31]提出氧化应激可以通过抑制Hedgehog通路的方式来抑制BMSCs向成骨分化而促进其向成脂分化。占秀文等[32]也同样提出激活的Hedgehog信号可以抑制成脂基因表达的观点。综上我们可以得出，骨质疏松与BMSCs向成脂分化关系密切，而Hedgehog信号通路可以调控BMSCs成骨成脂分化之间的平衡。

3 结论与展望

在正常情况下，Hedgehog-Gli信号通路促进成骨细胞不断生长分化成熟，使骨量不断增多[33]。随着成骨细胞的成熟，Hedgehog-Gli信号通路的活性会逐渐降低，同时可以上调细胞内甲状旁腺素相关蛋白的表达量，促使相关细胞因子的表达，进而促进破骨细胞内RANKL的表达，使破骨前体细胞分化成破骨细胞，进而促进骨吸收过程。综上所述，Hedgehog-Gli信号通路一方面可以促进成骨细胞的生长分化，从而促进骨组织的生长，新骨的形成。同时Hedgehog-Gli信号通路在破骨细胞内又可以增强破骨细胞活性，使骨质被吸收，进而保证成骨细胞和破骨细胞之间维持稳定平衡的状态。正因为Hedgehog-Gli信号通路能同时调控骨形成和骨吸收，所以它在骨发育、骨吸收、骨重建过程中发挥了重要作用。骨组织的正常生长发育维持离不开Hedgehog-Gli信号通路的正常调控作用。

骨完整性是通过骨形成和骨吸收两者之间的平衡完成的[34]，骨质疏松主要是由于骨形成和骨吸收的失衡[35]，因此我们可以以Hedgehog-Gli信号为切入点，通过调控该信号通路的活性，来达到对骨质疏松的预防与治疗。然而，Hedgehog-Gli的作用靶点我们尚未完全清楚，仍然需要我们继续探究，进一步挖掘Hedgehog-Gli信号通路在防治骨质疏松等骨代谢疾病中的潜力。