Wnt/β-连环蛋白信号通路负调节蛋白SOST在类风湿关节炎中的研究进展

王颖旎，武平，余泽芸，罗云

(成都中医药大学 针灸推拿学院，成都 610075)

类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)是一种慢性全身性的自身免疫性疾病，以持续性关节滑膜炎、血管翳形成为典型特征，主要累及小关节，表现为关节疼痛、僵硬、畸形及功能丧失等，可显著降低患者的生活质量和预期寿命[1-2]。RA的确切病因及发病机制目前尚不完全清楚，主要认为与免疫功能异常、关节滑膜增厚、关节软骨和骨破坏等因素有关，妇女、吸烟者和有该病家族史的人最易受影响[3]。近年来，与RA有关的骨代谢机制成为研究的热点。骨代谢的过程主要由骨形成和骨吸收构成，骨代谢动态平衡是维持骨组织正常功能的重要因素之一，若骨代谢失衡，易造成骨损伤。Wnt信号通路主要分为依赖β-连环蛋白(β-catenin)的经典信号通路和不依赖β-连环蛋白的非经典信号通路，2种通路相互协调，调节成骨细胞与破骨细胞的动态平衡，均被认为在骨代谢中发挥重要的作用[4-5]。当成骨细胞和破骨细胞平衡被打破时，则易诱发骨侵蚀和骨破坏，成为RA发病因素之一。经典Wnt信号通路可诱导成骨细胞生成，促进受损骨关节修复，缓解软骨损伤和骨侵蚀。在RA骨代谢方面，激活经典Wnt信号通路可诱导成骨细胞分化成熟，抑制破骨细胞活动，从而减少骨质破坏[6]。硬化蛋白(sclerostin，SOST)是一种由SOST基因编码的糖蛋白，主要由矿化基质内的3种终末分化细胞(骨细胞、软骨细胞及胶质细胞)表达和分泌[7]。SOST作为Wnt信号通路的内源性负调节蛋白日益受到关注，其可作为调控经典Wnt信号通路的潜在治疗靶点。本文将探讨Wnt/β-连环蛋白/SOST在RA发病机制中的调节作用。

1 Wnt/β-连环蛋白信号通路

Wnt信号通路由Wnt基因调控，Wnt基因源于果蝇胚胎中的无翅基因与鼠类乳腺癌病毒的Int-1原癌基因，因两者具有同源性，故共同命名为Wnt[8-10]。该通路是由10个G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor，GPCR)同源卷曲蛋白(frizzled，FZD)受体、3个跨膜酪氨酸激酶(酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶样孤核受体和酪氨酸激酶7)、肌肉骨骼酪氨酸激酶、共同受体低密度脂蛋白相关受体蛋白(low density lipoprotein receptor related protein，LRP)5/6和19个糖基蛋白Wnt配体组成的复杂网络[11]。Wnt信号通路目前包括3种途径：Wnt/β-连环蛋白信号通路、Wnt/PCP(JNK)信号通路以及Wnt/Ca2+信号通路[4]。其中，Wnt/PCP(JNK)信号通路和Wnt/Ca2+信号通路为非经典通路，分别由Wnt1和Wnt5介导。Wnt/PCP(JNK)信号通路主要参与细胞骨架组织和上皮细胞的协调极化。Wnt/Ca2+信号通路则参与癌症、炎症和神经变性，也可促进骨形成过程中成骨相关转录因子的表达[12]。目前研究最多的是经典Wnt信号通路即Wnt/β-连环蛋白信号通路(图1)，当该通路被激活时，Wnt蛋白与质膜上的FZD在胞外区结合，再与LRP5/6结合形成二聚体来启动Wnt信号通路，激活胞内的Dvl，使Axin、APC、CK1、GSK3β的蛋白复合物聚集，导致β-连环蛋白去磷酸化，进而诱发其核易位，并激活基因转录[4]。研究表明，Wnt蛋白能够与相应的细胞蛋白受体结合，激活该受体复合物引发一系列细胞内信号的转导，从而调控癌基因、细胞周期素D1等靶基因的转录，影响成骨细胞的分化与成熟[13-14]。目前，研究证据显示，经典Wnt信号通路在调控骨形成过程中发挥重要作用，激活该通路不仅可以诱导成骨细胞生成，增加骨量，而且也影响破骨细胞的生成[15]。

注：Dvl为蓬乱蛋白(dishevelled)；Axin为使轴抑制蛋白(axis inhibitor)；APC为结肠腺瘤息肉蛋白(adenomatous polyposis coli)；CK1为酪蛋白激酶1(casein kinase 1)；GSK3β为糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β)；TCF为转录因子(transcription factor)；LEF为淋巴增强因子(lymphoid enhancer factor)。图1 Wnt/β-连环蛋白信号通路示意图

因此，经典Wnt信号通路作为维持关节完整性、调节骨及软骨代谢的重要途径之一，在骨骼和关节发育中起着关键作用。

2 SOST生物学特性

SOST是位于人类17q12-q21号染色体上的SOST基因编码的骨细胞分泌蛋白，具有190个氨基酸，属于糖蛋白家族DAN成员。SOST最早是在硬化性骨化病和范布凯综合征这2种罕见的常染色体隐性遗传病中被发现。研究发现，硬化性骨化病与SOST基因突变相关，因其过早终止密码子及剪接位点突变，从而导致SOST水平降低，表现为进行性骨过度生长[16]。而所有的范布凯综合征患者都存在52 kb的非编码区域的缺失，该区域位于SOST基因下游35 kb处，使SOST转录和蛋白缺失，从而导致硬骨素生成障碍[17-18]。有研究表明，SOST是一种来源于骨细胞的成骨细胞抑制因子，在新形成的骨细胞的初级矿化时或矿化后产生，以限制成骨细胞的骨形成[19]。因此，SOST作为内源性负调节蛋白，在限制成骨细胞的骨形成方面起着重要作用。

3 SOST对Wnt/β-连环蛋白信号通路的调节机制

Wnt/β-连环蛋白信号通路通过调节成骨细胞活性来控制骨形成，SOST作为该通路的天然抑制因子，对骨形成有重要的调节作用[20]。SOST能够与LRP5/6结合，阻止Wnt蛋白达到LRP5/6，从而抑制经典Wnt信号通路[21]。此外，SOST也与LRP4结合，LRP4作为低密度脂蛋白受体家族成员之一，是一种位于神经肌肉接点的Agrin受体。与LRP5/6不同的是，SOST与LRP4结合，能增强其对经典Wnt信号通路的抑制作用[22-23]。越来越多的证据表明，SOST已经成为骨骼质量的关键负调节因子。通过实验研究发现，SOST敲除小鼠具有高骨质量表型，其特征是骨密度、骨体积、骨形成和骨强度均显著增加[24]。目前，针对SOST调节非经典Wnt信号通路的研究甚少，大多是SOST调节经典Wnt信号通路的研究。因此，把SOST作为治疗的靶点，减少SOST的过度表达，有助于Wnt蛋白与LRP5/6的结合，进而调控经典Wnt信号的传递，改善骨骼质量。

4 Wnt/SOST对RA的调控

Wnt/SOST对RA的调控主要表现在RA骨代谢方面。RA作为一种全身性自身免疫性疾病，其慢性炎症和骨侵蚀最为常见[25]。在RA关节发炎的微环境中，成骨细胞功能受损，破骨细胞形成导致关节骨侵蚀的发展。炎症会扰乱骨合成代谢信号的平衡，并对经典Wnt信号通路产生影响。在炎症消退的情况下，会发生骨形成，导致局灶性关节骨丢失的修复，并伴有经典Wnt信号通路的改变[26]。Wnt/β-连环蛋白通路的下游靶因子——骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是非常强大的生长因子，可通过刺激成骨细胞分化和软骨细胞分化来诱导骨和软骨形成。SOST通过结合BMP，阻断BMP蛋白与其Ⅰ型和Ⅱ型受体结合， 从而阻断BMP信号通路，抑制骨形成。也有研究发现，SOST通过旁分泌和自分泌途径拮抗Wnt信号，并选择性拮抗BMP信号，从而发挥其强大的骨分解代谢作用[27]。故BMP和经典Wnt信号通路是调节成骨细胞分化和功能的重要途径[28]。但由于SOST与成熟的BMP结合微弱，所以目前认为，SOST可通过直接阻断经典Wnt信号通路介导对骨形成的抑制作用。当该通路被激活时，Wnt信号通路负调节蛋白SOST不仅可以抑制该途径，而且可以调节RA的侵蚀过程[26]。

因此，经典Wnt信号通路是RA骨质代谢环节中的关键通路之一，尤其是在骨形成和骨吸收中发挥重要作用。

4.1 Wnt/SOST对RA成骨细胞的调控在RA中，骨丢失不仅以局部为表现，而且会出现相应的全身症状。在骨丢失过程中滑膜产生促炎因子，既可促进骨吸收，也可刺激经典Wnt信号通路产生可溶性负调节蛋白SOST，抑制成骨细胞增殖、成熟和分化[29]。成骨细胞被激活后，形成一个由Wnt蛋白与FZD及LRP5/6结合的复合物(Wnt-FZD-LRP5/6)，而SOST能够阻止此复合物的形成，使其分解成碎片[30]。当经典Wnt信号通路负调节蛋白SOST的表达增强时，可与LRP5/6结合，抑制该通路转导，从而抑制成骨细胞活性，促进成骨细胞凋亡。由此可见，RA中骨代谢的失衡可能是由于SOST与LRP5/6结合，对Wnt信号通路产生拮抗作用而造成的。

另外，在范布凯综合征患者中未发现SOST基因突变，但在SOST下游35 kb处发现了一个52 kb的缺失，这导致了SOST表达的缺失[17-18]，进一步说明SOST在调节骨形成中具有关键作用。研究发现，在小鼠模型中，过度表达SOST可导致骨密度降低[31]，与人类的SOST失活类似，定向敲除SOST基因的小鼠可以增加整个骨骼的骨密度[32]，降低并指的发生率。有研究通过Micro CT分析得出，雄性和雌性SOST敲除小鼠的骨小梁体积和股骨远端骨小梁厚度均增加了近1倍，SOST敲除小鼠具有高骨质量表型，其特征是骨密度、骨体积、骨形成和骨强度均显著增加[24]。这些来自SOST敲除小鼠的数据也证实了SOST作为骨形成抑制剂在骨形成中发挥了重要作用。

因此，SOST作为Wnt信号通路内源性负调节蛋白，决定了骨形成的正常程度，从而保护骨骼免受失控生长的不良影响。其表达增加可促使成骨细胞凋亡，抑制骨形成，这可能是RA成骨细胞活性受抑制的主要机制。

4.2 Wnt/SOST对RA破骨细胞的调控破骨细胞是来自单核细胞谱系的巨大多核细胞，是体内唯一具有骨吸收活性的细胞[33]。在RA中，骨细胞数量和活性的增加会导致骨侵蚀，从而使关节功能丧失并产生疼痛。Stolina等[34]在动物研究和人体试验中发现，作为SOST抗体的硬化素单克隆抗体(sclerostin antibody，Scl-Ab)增加了骨形成，减少了骨吸收标志物，表明骨获得是增强骨形成和减少骨吸收共同作用的结果，这可能与降低SOST的过度表达有关。相关研究发现，与幼龄小鼠相比，从老龄小鼠骨髓中提取的破骨细胞培养物可产生更高水平的SOST，表明破骨细胞衍生的SOST可能有助于减少随年龄增长而产生的骨形成[35]。而经典Wnt信号通路是通过直接作用于破骨细胞前体抑制破骨细胞形成的，随着细胞中β-连环蛋白的减少，破骨细胞数量增加和吸收增强，表明SOST可直接作用于破骨细胞的分化[36]。同时，在骨细胞中SOST的过表达加剧了DMP1-8 kb-caPTHR1小鼠的皮质内重构和破骨细胞的增加[37]，这种增强的骨吸收在双转基因DMP1-8 kb-caPTHR1/DMP1-SOST小鼠中伴随着骨保护素(osteoprotegerin，OPG)表达的显著下降。OPG是一种分泌型细胞因子，可通过竞争性结合核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)抑制破骨细胞的分化、成熟及骨吸收，最终加速骨质破坏。Spencer等[38]也发现，Wnt信号通路可促进OPG分泌，抑制成骨细胞中RANKL的表达，从而抑制骨吸收。

因此，SOST作为一种关键的内源性负调节蛋白，可直接作用于破骨细胞的分化、成熟及骨吸收，影响Wnt信号通路。

Wnt/SOST对RA调控的研究表明，SOST是骨骼内环境稳定的关键因子，是骨骼在机械载荷作用下合成代谢反应的必需物质，在成熟的成骨细胞中，失活的Wnt信号通路会降低OPG，并增加破骨细胞分化和骨吸收。相反，激活Wnt信号通路会增加OPG的表达，减少骨吸收[39-40]。SOST主要通过作用于破骨细胞及成骨细胞来解偶联骨形成和骨吸收。目前研究表明，Scl-Ab可增加骨密度并降低骨质疏松患者的骨折发生率，增加骨膜和骨内膜的面积，逆转系统性和局部的骨质丢失，促进骨折愈合[41-42]。Chen等[43]在人肿瘤坏死因子转基因(hTNFtg)小鼠中发现，Scl-Ab虽然不能阻断关节炎进展，但可阻断关节炎周围的骨量丢失，诱导全身骨和软骨修复。此外，在hTNFtg小鼠中，Scl-Ab完全阻止了骨侵蚀的进展，并且联合TNF抑制剂可使皮质骨侵蚀显著消退。由此可以得出，Scl-Ab可以增加骨量和骨修复，是促进炎症性关节炎骨修复的有力工具。因SOST主要在骨骼中表达，从而使Scl-Ab这种特殊的药物制剂具有很高的骨细胞靶向性，Scl-Ab的应用可能会通过降低SOST的过度表达，调节SOST对Wnt/β-连环蛋白信号通路的抑制作用，减少RA患者关节的骨质破坏，延缓病情进展。

综上所述，在RA病程进展中，骨形成和骨吸收需保持相应的动态平衡才能延缓关节损伤。而SOST作为Wnt/β-连环蛋白信号通路的内源性负调节蛋白，通过抑制成骨细胞活性，使骨形成减少，并通过诱导破骨细胞分化，使骨吸收加强。其表达的下调，对延缓骨代谢疾病的发生、发展有着积极作用。因此，对内源性负调节蛋白SOST的研究有助于为临床治疗RA提供新的思路。