骨涎蛋白在破骨细胞分化和骨吸收中的研究进展

曾俊铭，贺小宁

（海南医学院第二附属医院口腔科，海南 海口 570100）

随着人口老龄化及人类寿命延长，现已有超过2 亿 人 口 罹 患 骨 质 疏 松 症（osteoporosis）［1］；与 此 同时，世界上超过10%的成年人正遭受严重牙周病（periodontal disease）的侵袭［2］，这二者会降低人们的生活质量并加剧财政负担。究其本质，两种疾病均为过度骨吸收所致。

作为矿化组织中SIBLING（小整合素结合配体N-连接糖蛋白）家族成员，骨涎蛋白（bone sialoprotein，BSP）是促进/诱导骨形成和骨吸收（bone resorption）的主要骨非胶原细胞外基质蛋白质，它通常由成熟的成骨细胞、骨细胞和血小板产生。BSP具有多种生理功能，包括基质矿化，促进破骨细胞（osteoclast，OC）分化与附着，以及骨吸收形成等。如果BSP 水平出现异常，则与人体破骨细胞异常分化和骨吸收活动等有关的疾病，如骨质疏松症和乳腺癌等多种恶性癌症将会发生。

OC 是骨吸收的唯一细胞，它由单核细胞/巨噬细胞转化而来，并在骨骼的发育和形成以及骨改建过程中发挥重要作用。生理学上骨的重塑是一个包含5 个阶段的过程，包括静止、活化、再吸收、形成和矿化，而OC 正是骨吸收阶段的关键参与者。OC的异常产生和激活可导致骨细胞数量的抑制，并引起相关疾病如骨质疏松和牙周病。本文对BSP 的生物作用以及全身疾病的研究进展进行综述。

1 BSP 的生物化学性质及分布

BSP 正常可见于骨骼组织如骨、软骨、牙本质和牙骨质，由成骨细胞、OC 等骨相关细胞合成，在胫骨和无细胞牙骨质中染色最明显［3］，同时也在唾液腺和主动脉等中表达［4］。

BSP 和骨桥蛋白（OPN）以及牙本质基质蛋白-1（DMP1）和 牙 本 质 磷 蛋 白（DSPP）等 共 同 构 成SIBLING 家族（小结合素配体N-连接糖蛋白）［5］。该成员通常含1 个细胞位点结合（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸，RGD）氨基酸序列以及数个糖基化位点和磷酸化位点［5］。所有成员基因均在人类4 号染色体上可发现（小鼠则为5 号染色体）［6］。BSP 占非胶原蛋白质的10%～15%，经过在细胞内的一系列转化过 程， 包 括Tyr 硫 化、N-和O-糖 基 化、Ser 磷 酸 化、等，最终表观分子量为60～80 kDa。

在细胞外，BSP 通过RGD 序列，与细胞膜表面的整合素如αvβ3 等相结合［7］，同时在与细胞附着时，其余氨基酸序列亦有参与［7，8］。酸性磷酸蛋白在HA（羟基磷灰石）的形成过程中起着直接作用，而BSP 是最有效的成核子［9］，但酒石酸盐耐酸性磷酸酶（TRAP）通过部分磷酸化也参与了BSP 的细胞附着［10］。磷酸化BSP 的主要蛋白激酶是经典酪氨酸激酶II（FIPK），主要磷酸化位点在N 末端半部，在C 端半部仅存在轻微磷酸化或无［11］。上述修饰也在一定程度上决定了BSP 的生物功能。

2 BSP 的生物作用

2.1 BSP 在骨及牙骨质形成中的作用

BSP 和OPN 是骨骼中的主要磷酸化蛋白，对矿化组织具有特异性，在胚胎发育中，BSP 在骨形成时开始表达，在初级骨化过程中达到最大，并可通过上调cbfa1 和osterix 刺激成骨细胞分化。早期对纯化蛋白的体外研究强调了BSP 启动HAP 晶体形成的能力，同时免疫标记和生化研究表明，BSP 与骨基质的I 型胶原支架密切相关［13，14］。BSP 在体外和体内时均可诱导矿化组织的出现［15，16］，当BSP 加入含有磷酸钙（Ca-P）的稳定琼脂糖凝胶体系中时，被证明是形成HA 的有效成核剂［16］。在钙化组织中，蛋白质磷酸化在生物矿化时必不可少，而丝氨酸136 磷 酸 化 则 是BSP 介 导HA 晶 体 的 关 键［11，18］。因此，笔者认为BSP 是成骨细胞的重要标志物之一［12］。

由于BSP 含有多个氨基酸序列，它们通过结合细胞膜表面的整合素，从而完成细胞附着，细胞运动，细胞机械传导和细胞跨膜信息传导等一系列生物学行为［17］。由骨纯化来的BSP 可促进成骨细胞分化和体内外新骨沉积［23，26］，这些作用可能与其N末端的糖基化相关［19］。过表达的BSP 可促进成骨细胞相关基因的表达和结节形成，而抑制BSP 表达时也会抑制成骨样细胞标志物产生和结节出现［20，21］。在牙根发育过程中，BSP 由成牙本质细胞分泌，在无细胞和细胞牙骨质中沉积，并且在牙骨质、牙槽骨形成与矿化以及牙周功能中起重要作用，缺乏BSP 可减少磨牙和切牙根部无细胞牙骨质的形成，并使牙骨质矿化减少［17，22］。并且在牙骨质、牙槽骨形成与矿化BSP 通过促进牙根表面的矿化来提供Sharpey 纤维的插入，从而使牙齿与牙槽骨和无细胞纤维外源牙骨质（AEFC）牢固附着，从而对牙槽骨形成产生至关重要作用。而临近新牙骨质的成骨细胞也同时出现BSP 的高表达［23］。缺乏BSP 蛋白小鼠表现出严重的牙周分解，包括骨质减少，PDL 紊乱以及牙槽骨破坏［24］，以上均说明BSP在骨形成中起到不可或缺的作用。

2.2 BSP 在破骨细胞分化和骨吸收中的作用

2.2.1 BSP 与破骨细胞间的关系 骨的吸收由一个复杂的分子网络来控制，其中包括激素，趋化因子、细胞因子等。 RANKL（核因子 kappa B（RANK） 的受体激活剂）是连接上述骨骼和免疫系统的关键分子，通过刺激激活RANK 下游的信号通路，从而调节破骨细胞成熟来控制骨吸收的情况［25］，是破骨细胞的重要分化因子。另一方面，OPG（骨保护素）作为一种可溶性蛋白质，可与RANKL 结合并阻止其与RANK 相互作用，从而抑制OC 细胞成熟，是破骨细胞成熟的负调节因子［26］。RANK 在破骨细胞及其前体中表达，而RANKL 通过对RANK 的调控，从而促进破骨细胞前体细胞中的基因表达，而这一过程通常来自于成骨细胞［27］。BSP 可以促使破骨细胞生成NFAT-2（活化T 细胞核因子-2）［28］，而在破骨细胞的末端分化过程中，NFAT-2 在RANKL 诱导的转录程序中起着不可或缺的作用。一系列的刺激导致OC 细胞生成、并调节细胞存活和骨吸收活性。BSP 可以增加RANKL诱导破骨细胞前体的骨吸收能力，并可以提高细胞内钙离子水平，而破骨细胞的活化亦可提高细胞内钙离子水平，而钙调磷酸酶-NFAT 通路可以维持破骨细胞和成骨细胞活性的平衡调节［29］。

Foster 等［30］发现BSP 能促进破骨细胞分化和骨吸收，并且与RANKL 协同发挥这些功能。以上这些体外研究结果表明：（1）BSP 通过与OC 表面受体整 合 素αVβ3 和RANKL 结 合，加 强RANKL 调 节OC 细胞分化的能力；再结合OC 表面受体RANK，促进OC 附着和分化以及骨吸收；（2）BSP 还与其它分子发生相互作用。

2.2.2 BSP 在骨吸收中的作用 敲除BSP 基因之后导致骨形成减少，同时骨吸收也减少［31］，但会导致OPN（骨桥蛋白）的上升［32］。BSP-脾细胞培养指出缺乏BSP 会导致破骨细胞前体（POC）及OC 形成受损，同时破骨细胞标志物的表达亦降低，并导致发育性骨矿化缺陷［34］。在过度表达BSP 的小鼠的小梁骨中，OC 表面和数量增加了一倍，并且在转基因骨髓培养中，OCs 的数量及其在体外的再吸收活性增加［33］。而在BSP-脾细胞培养中，加入外源性BSP 或其他含有RGD 的蛋白质，可明显通过αvβ3整合素信号通路重新形成多核破骨细胞，但不能恢复破骨前细胞数量或其基因表达谱，这表明内源性BSP 在调节破骨细胞的作用效果优于外源性BSP［33］。

2.3 BSP 和全身疾病

BSP 作为枢纽基因，也被证明与骨质疏松症患者以及动脉粥样硬化的共同机制中发挥重要作用［35］。侵袭性牙周炎（AgP）多伴随严重的牙周附着和骨骼丧失，并可导致早期牙齿脱落，通常影响年轻人，在侵袭性牙周炎患者的牙槽骨活检中可发现，BSP 和rankl 的m-RNA 的水平上调［36］。通过初始牙周治疗可抑制破骨细胞功能来预防骨质流失，BSP 水平在初始牙周治疗后显著下降［36］，这也说明BSP 影响破骨细胞分化与调节［37］。

BSP mRNA 的表达可能参与糖尿病和骨质疏松症的发展［48］。BSP 的异常表达，和乳腺癌、前列腺癌、膀胱癌以及非小细胞肺癌患者的恶性肿瘤预后不良密切相关［38-40］。如Paget 病患者的平均血清BSP 浓度为（32.3±17.3） μg/L［41］。随着骨量的降低，血清BSP 的含量也逐渐降低［39］，大多数理论认为BSP 通过结合αVβ3 整合素来促使乳腺癌的骨转移。同时，在敲除αVβ3 整合素之后，细胞的侵袭与迁移能力出现明显下降。因此，有文献提出BSP 可以凭借调控该受体的表达以及与其结合来调节骨转移［42］。尤其是在骨转移ER 乳腺癌中，乳腺癌细胞分泌BSP 从而募集破骨细胞前体，可诱导患者骨转移，而不是直接影响癌细胞的生长或运动，这一过程可被绿原酸（CGA）所抑制［43］。目前，并没有有效和安全的方案来预防乳腺癌的骨转移及复发。而CGA 在植物提取物中含量丰富，对长期预防性治疗的副作用最小，可以考虑推广使用。在骨转移的前列腺癌中，BSP是最重要的几个表达基因之一［44］。胰腺腺癌患者手术切除肿瘤后复发者仍不在少数，而BSP 作为接受肿瘤切除的胰腺腺癌患者的生物标志物，有助于建立新的术前分层策略，从而更好地筛选出需要肿瘤切除的患者［45］。在上述多种恶性肿瘤中均出现BSP 表达，说明BSP 在肿瘤骨转移中起到非常重要的作用。

肝硬化是慢性肝病的常见终末期，而代偿期患者大多均无明显症状，研究表明BSP 血清水平与门静脉压力及其替代物（如血小板计数，门静脉横截面积）呈负相关，并与门静脉血流速度呈正相关［46］。BSP 可能代表肝硬化患者以前未识别的门静脉高压标志物。而在危重症患者中，BSP 循环水平也出现明显升高［47］，这也说明BSP 在危重病病理生理学中具有以前未被识别的功能。

3 总结与展望

BSP 是具有多功能的主要骨细胞外基质非胶原蛋白，它可与αVβ3、αVβ5 和RANKL 发生相互作用，促进OC 附着和分化以及骨吸收，从而影响一系列骨吸收性疾病如牙周炎、骨质疏松，以及多种恶性肿瘤的骨转移。同时也可作为肝硬化患者及危急症患者诊断的血清标志物之一。但是目前具体的机制尚未明确，因此明确BSP 促进OC 分化和骨吸收的具体分子机制，适当地阻碍BSP 功能，可达到调节破骨细胞成熟与分化，进而预防和治疗骨质疏松和牙周病等骨吸收相关疾病、抑制乳腺癌、前列腺癌等恶性肿瘤骨转移的可能性。在应用研究方面，目前的研究主要仍采用的是体外合成培养的BSP，在效用方面仍弱于内源性BSP。临床级天然BSP 的大规模生产、纯化、制备和保存等诸多核心环节仍面临瓶颈问题，需要进一步研发和优化的提取和纯化技术，改进BSP 的生产体系并进行严格的验证，这也是未来发展的重点。

作者贡献度说明：

曾俊铭：执笔撰写；贺小宁：审校。

所有作者声明不存在利益冲突关系。