骨骼源性因子调控认知功能的机制研究

宗博艺 李琳 李世昌 孙朋

1.华东师范大学“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室，上海 200241

2.华东师范大学体育与健康学院，上海 200241

随着人口老龄化进程加快，与衰老相关的神经退行性疾病和运动系统疾病的发病率与日俱增。阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease，AD)是导致老年人认知衰退的常见疾病之一。1990-2016年，全球AD患者已从2 020万增至4 380万人[1]。我国AD患者的数量约占全球患者总数的1/4，是患病人数最多的国家。值得注意的是，老年人认知衰退与全身骨量下降呈现一定的同步性。老年骨质疏松(osteoporosis，OP)患者患轻度认知障碍(mild cognitive impairment，MCI)和AD的风险显著增加[2-4]。近年来，国内外研究证实AD和OP之间存在共病机制，并提出了骨-脑间的“crosstalk”理论[5-6]。

研究表明，骨骼系统和中枢神经系统尤其是大脑之间存在诸多生物学联系。一方面，源于神经系统的激素、神经肽类物质和神经递质等能够进入骨骼系统，调控骨骼重塑[7]；另一方面，源于骨骼系统的生物活性因子，即骨骼源性因子，能够进入大脑，调节大脑功能[8-11]。本文旨在探讨骨骼源性因子调控认知功能的潜在作用与机制，为探究延缓老年人认知衰退的干预策略提供依据。

1 骨骼源性因子的功能概述

骨骼不仅是支撑躯体的惰性器官，也是重要的内分泌器官。骨骼系统中的成骨细胞和骨细胞等可分泌生物活性因子，如骨钙素(osteocalcin，OCN)、成纤维细胞生长因子23(fibroblast growth factor 23，FGF-23)、dickkopf相关蛋白1(dickkopf-related protein 1，DKK-1)、骨硬化蛋白(sclerostin，SOST)和脂质运载蛋白2(lipocalin 2，LCN-2)等，调节骨骼肌、胰腺和脂肪等组织和器官的生理功能(图1)[12-15]。

图1 骨骼源性因子在不同组织器官中的功能[12-15]

2 骨骼源性因子调控认知功能的生物学机制

骨骼源性OCN、FGF-23、DKK-1、SOST和LCN-2可能穿过血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)并进入大脑，通过激活其受体，以活化或抑制相关信号通路，进而调控认知功能。

2.1 骨钙素

OCN是主要由成骨细胞分泌的小分子非胶原酸性糖蛋白。既往研究报道，羧化不全的OCN(undercarboxylated OCN，ucOCN)可与胰腺和脂肪中G蛋白偶联受体家族C6组成员A(G protein coupled receptor family C group 6 member A，GPRC6A)结合，调节糖脂代谢[14]。近年研究发现，介导OCN合成的Runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)基因缺失的小鼠循环ucOCN水平降低，同时伴有焦虑样行为和认知缺陷[16]，提示骨骼代谢产生的ucOCN可能影响脑功能。基于健康人的横断面研究显示，老年人血清OCN水平的下降与其脑部微结构和认知功能的变化有关[17-18]。在疾病人群中，血清ucOCN水平与Ⅱ型糖尿病患者认知障碍有关[19-20]。此外，AD患者血清OCN水平较对照组也显著降低[21]。由此可见，OCN与个体认知功能之间存在紧密关联。

GPR158是OCN在中枢内的主要受体[22]。通过激活其受体，OCN调控认知功能的途径包括：①增强单胺类神经递质合成代谢。与对照组相比，OCN基因缺失的小鼠脑内5-羟色胺、多巴胺和去甲肾上腺素的水平降低20%～50%，空间学习和记忆能力显著下降[23]。这表明OCN可能通过调节单胺类神经递质含量，影响认知功能。②上调脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)表达。OCN能够通过结合海马CA3区神经元中GPR158/Gαq/11复合物，上调三磷酸肌醇和BDNF表达，并将含有BDNF的小泡运输至突触，调节海马依赖性记忆[22,24]。此外，OCN激活GPR158后可上调小鼠齿状回中组蛋白结合蛋白RbAp48(或Rbbp4)表达，逆转记忆缺陷；同时，RbAp48又可反向调节GPR158和BDNF的表达[25]。③促进神经元增殖、分化与存活。体外实验中，对PC12细胞进行ucOCN干预可促进细胞增殖，促使神经生长因子诱发神经突起生长，缓解H2O2导致的细胞死亡[26]。④调节神经元自噬活性。海马神经元自噬与树突棘形成、神经元易化和长时程增强(long-term potentiaton，LTP)有关。OCN可作为诱导剂，上调自噬相关蛋白LC3-Ⅱ和SQSTM1/p62表达，提高海马神经元自噬活性，逆转增龄性记忆缺陷[27]。伴随着衰老进程，啮齿动物循环OCN的水平可降低约70%[28]，而ucOCN干预可通过激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB即Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，下调AD小鼠海马中淀粉样前体蛋白表达，减少海马和皮质中β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)沉积[29]。除上述作用，OCN还可能通过调控糖脂代谢与脂肪因子合成等途径，间接影响认知功能[30]。但关于OCN介导的“骨-脂-脑”环路的具体作用机制亟待探究。

2.2 成纤维细胞生长因子23

FGF-23是主要由成骨细胞和骨细胞分泌的糖蛋白，可结合α-Klotho/FGF受体(FGF receptor，FGFR)复合物，调节1α-羟化酶和24-羟化酶等的活性，调控磷酸盐稳态和维生素D生理水平[31]。除参与“骨-肾”轴，FGF-23也可介导脑内多条信号通路，并且与病理状态下(如血管钙化)的认知障碍有关[10,32]。事实上，早在1997年，便有研究提出，α-Klotho或FGF-23基因缺失的小鼠会出现早发性认知缺陷[33]。近期研究表明，α-Klotho无法单独地作为衰老抑制剂(即长寿因子)。α-Klotho的脱落细胞外结构域，FGFR1c配体结合结构域和FGF-23组成1∶1∶1三元复合物的原子结构。在这种复合物中，α-Klotho通过其D3结构域结合FGFR1c，并同时通过其C末端尾部结合FGF-23，维持FGF-23-FGFR1c稳定[34]。因此，α-Klotho的抗衰老作用可能是通过“协助”FGF-23实现的。

人体研究发现，血清α-Klotho水平与认知障碍的发生风险呈显著负相关[35]。而动物研究表明，α-Klotho基因缺失或者过表达均可降低海马突触可塑性，抑制神经发生，造成认知缺陷。同样，FGF-23基因缺失的小鼠也表现出剂量和海马依赖性认知缺陷，这与大脑微环境毒性增加和离子代谢紊乱有关[36]。另有研究报道，FGF-23过表达的转基因小鼠的空间学习和记忆能力较对照组显著降低，且伴随海马CA1区LTP异常，三磷酸腺苷含量以及基底前脑胆碱乙酰转移酶阳性神经元减少[37]。由此可见，FGF-23和/或α-Klotho的水平过高或过低均可能损害认知功能。在离体实验中，FGF-23通过激活FGFR，可活化磷脂酶Cγ，改善原代海马神经元的形态并增加突触密度，且在与α-Klotho共孵育时活化Akt信号，进一步增加突触数量[38]。此外，循环FGF-23/α-Klotho的水平与AD相关的细胞炎症有关[39]，但其内在机制并不清楚，有待进一步揭示。

2.3 Dickkopf相关蛋白1与骨硬化蛋白

在骨骼系统中，DKK-1主要由成骨细胞分泌，而SOST主要由骨细胞分泌。研究认为，外周DKK-1可能与内皮细胞中低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(low density lipoprotein receptor-related protein 5/6，LRP5/6)结合，被动穿过BBB而进入大脑，也可能经下丘脑和脉络丛进入大脑[40-41]。人体研究发现，老年人血浆DKK-1的水平与其工作记忆呈负相关，且与18个月随访期间认知功能的年变化率有关[42]；对于MCI和轻中度AD患者，血清DKK-1水平在一年内增加的幅度能够预测整体认知功能的下降[43]。此外，动物实验表明，芳香化酶抑制剂对空间学习和记忆能力的损害与其海马中DKK-1和SOST的水平升高有关[11]。因此，DKK-1和SOST可能是调控认知功能的重要介质。

DKK-1和SOST是无翅型MMTV整合位点家族蛋白(wingless type MMTV integration site family，Wnt)/β-连环蛋白(β-catenin)通路的内源性抑制剂[44]。在该信号通路中，Wnt蛋白与卷曲蛋白受体家族的细胞外富含半胱氨酸的结构域以及LRP5/6结合，抑制糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)活性并维持胞质中β-catenin稳定。β-catenin入核后与T细胞因子/淋巴样增强因子相互作用，诱导特定靶基因表达[45]。在脑内，Wnt/β-catenin通路能够调节神经发生、突触形成、轴突重塑和树突生长[46-47]。然而，衰老导致DKK-1和SOST水平升高，抑制Wnt/β-catenin通路。过量DKK-1可与GSK-3β共定位，诱导Aβ生成和tau蛋白过度磷酸化，促进AD病理发展[48]；也能够下调啮齿动物海马中β-catenin、细胞周期蛋白D1、c-myc和突触后致密蛋白95表达，导致认知缺陷[49]。遗憾的是，骨骼源性DKK-1在中枢内的直接作用仍不明晰。此外，尽管SOST也可抑制Wnt/β-catenin通路，但针对骨骼源性SOST调控认知功能的机制研究仍然匮乏，这些可成为未来研究的着力点。

2.4 脂质运载蛋白2

LCN-2是主要由成骨细胞分泌的糖蛋白。研究发现，LCN-2表达载体转染的原代成骨细胞中Runx2、Osterix和碱性磷酸酶等表达量显著减少，核因子κB受体激活剂配体/骨保护素的比值以及白细胞介素6的mRNA表达水平升高[50]，表明LCN-2可参与调节骨骼代谢。作为内分泌因子，源于成骨细胞的LCN-2能穿过BBB，结合下丘脑中黑皮质素受体4，激活厌食途径[9]。脑内的神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞和上皮细胞均存在LCN-2受体。LCN-2不仅降低突触可塑性，诱发神经炎症，还具有一定神经毒性。大脑长期暴露于LCN-2的小鼠空间学习和记忆能力显著下降[51-52]。由此可见，LCN-2也能够影响认知功能。

基于人体研究的系统评价和荟萃分析结果显示，与对照组相比，MCI和AD患者循环LCN-2的水平显著升高[53]，且脑脊液中的LCN-2可能是血管性痴呆和其他神经退行性痴呆的生物标志物[54]。动物研究发现，骨骼源性的LCN-2能够通过上调海马中二氢嘧啶酶相关蛋白2的蛋白表达，促进AD病理发展。而激活miRNA-96-5p/叉头框因子O1信号通路可减少骨骼源性LCN-2含量以发挥抗AD效应[55]。由于病理状态下的多种组织器官可表达LCN-2，通过特异性敲除LCN-2基因等技术手段探究骨骼源性LCN-2调控认知功能的作用及机制存在必要性。

3 小结与展望

在脑内，OCN能够促进单胺类神经递质合成代谢，上调脑源性神经营养因子表达，促使神经元增殖、分化和存活，增强神经元自噬活性；FGF-23可提高突触可塑性，促进神经发生，并调节离子代谢和微环境稳态；DKK-1和SOST对脑功能的抑制可能与Wnt/β-catenin通路有关；LCN-2可诱发神经毒性，增强神经炎症，并降低突触可塑性。此外，部分骨骼源性因子还能调控AD病理发展，进而影响个体认知。

近年来，已有研究结合行为学、化学遗传学、电生理学和分子生物学等技术探索骨骼源性因子调控认知功能的生物学机制。后续研究应致力解决如下问题：(1)骨骼源性的FGF-23、DKK-1和SOST能否顺利穿过BBB，以及以何种方式穿过BBB仍不知晓。DKK-1、SOST和LCN-2对认知功能的直接影响也不明晰；(2)神经退行性疾病的发生常诱发认知衰退。除AD外，OCN也可调控帕金森症的病理发展[56]，但其他骨骼源性因子在神经系统疾病中的作用缺乏积极探索；(3)运动是提高认知功能的“良药”，骨骼作为运动系统的重要构成，能感应力学刺激和化学信号变化，增加或减少骨骼因子的分泌量。然而，运动能否激活“骨-脑”轴尚不明确。现如今，利用骨骼源性因子调控骨重塑的生物学基础已研发出多种治疗OP的药物，例如Romosozumab即是靶向SOST的人源化IgG2单抗。未来应继续加强基础研究成果在临床上的转化，推动改善老年人认知功能的新型干预措施(如运动+药物疗法)的制定与实施。