Wnt/β-catenin信號通路與糖尿病骨質疏松的關系

朱曉慶 金 悅 梁軍波 張曉明

糖尿病是一種全身代謝性疾病,其可以通過多種途徑影響骨代謝,從而導致骨質疏松,如晚期糖基化終末產物(AGEs)的積累可以抑制成骨細胞表達、增強骨吸收等。但是糖尿病骨質疏松的確切分子機制尚未明確。研究表明 Wnt信號通路介導了體內多種生物過程,如胚胎形成、器官發生、腫瘤形成等[1]。同時 Wnt/β-catenin信號通路在骨形成和骨代謝中亦起著重要的調控作用,研究表明高血糖狀態下Wnt/β-catenin信號通路的失調與糖尿病骨質疏松的發生有著密切關系。

一、Wnt/β-catenin信號通路及其與骨質疏松的關系

1.Wnt/β-catenin信號通路:Wnt蛋白由 19種分泌蛋白組成,這些蛋白和相應的膜受體發生結合可激發一系列的繼發反應,從而參與器官發生、胚胎形成等生物過程[1,2]。膜受體又由多種蛋白構成,包括卷曲蛋白(frizzled,FZD)、G偶聯蛋白(GPCRs)、低密度脂蛋白受體(LRPs)等。Wnt信號通路包括 4條信號轉導通路:Wnt/β-連環蛋白(Wnt/β-catenin)信號轉導通路、Wnt/Ca2+信號轉導通路、Wnt/平面細胞極性(PCP)信號轉導通路以及調節紡錘體定向和不對稱細胞分裂的通路[3]。其中,以 Wnt/β-catenin信號轉導通路最經典。Wnt蛋白和卷曲蛋白 FZD以及低密度脂蛋白受體 LRPs結合激發了細胞內的信號轉導,使 GSK-3β磷酸化而失活,從而維持 βcatenin的穩定。穩定的β-catenin在細胞質內聚集,轉移到細胞核內,后與轉錄因子 TCF/LEF結合,啟動細胞靶基因 Runx2等的轉錄,調控細胞的生長[4]。WIF-1、SOST、DKK-1、sFRP等為該信號通路拮抗劑,可抑制該信號通路的發生。信號轉導過程中某些蛋白的缺失或增加將導致該信號轉導過程失調,可導致疾病的發生。如人體中,LRP5基因的缺失或增加可以導致骨質疏松 -假性神經膠質瘤綜合征或者HBM型個體[5]。

2.Wnt/β-catenin信號通路在成骨細胞發育中的作用:Wnt/β-catenin信號通路在前成骨細胞及成骨細胞的發育中都起了重要的作用。Hu等[6]用基因定向敲除的方法進行大鼠胚胎骨形成的研究。發現敲除 β-catenin基因的大鼠胚胎發生了骨形成障礙,它們只能形成軟骨而不能形成骨。用原位雜交實驗研究它們的成骨細胞發現它們只能表達Ⅰ型膠原和堿性磷酸酶(ALP)。Holmen等[7]對出生后的大鼠骨形成進行了研究,同樣去除大鼠的 β-catenin基因,利用 OC促進 Cre的表達,然后通過 CT、組織學等研究,發現大鼠骨密質、骨小梁的骨量都大大減少,并且伴隨著骨基質礦化困難及成骨細胞分化的障礙。

Wnt/β-catenin信號通路的抑制可造成成骨細胞功能障礙。鈣黏蛋白(Cad)是一種鈣依賴分子黏附蛋白,根據免疫學特性和組織分布又可以分為幾個亞類,包括 ECad、PCad、NCad。成骨細胞中在生長過程中可以產生許多 NCad,它們在成骨細胞黏附及分化中起了重要的作用[8]。Ncad的過表達可以抑制Wnt/β-catenin信號通路。Hay等[9]用基因轉染技術使部分 MC3T3-E1細胞 NCad過表達,然后與正常表達的 MC3T3-E1細胞進行對照研究,通過 NCad標記蛋白進行 NCad表達量的檢測。通過檢測成骨細胞早期標志物 ALP含量的檢測來觀察成骨細胞的數量。研究表明 NCad可以與成骨細胞中的 LRP5作用,NCad的過表達增加了 NCad-LRP5的數量,增強NCad-LRP5的作用。NCad-LRP5作用的增強導致TCF/LEF轉錄作用減弱,與 Wnt3a作用減弱,Wnt/β-catenin信號通路受阻,從而造成成骨細胞功能障礙,導致骨形成減少[10]。

為了闡明 Wnt/β-catenin與成骨細胞生存能力之間的關系,Almeida等[11]通過建立 C2C12,MC3T3-E1、OB-6三種細胞模型進行了研究。研究表明Wnt蛋白可以通過激活 Src/ERK或者 PI3K/Akt而使骨細胞以及前成骨細胞存活時間延長,從而增加骨質的形成。Wnt3a和 Wnt1可以防止纖溶酶缺乏引起的成骨細胞凋亡[12]。Wnt3a可以誘導 LRP5發生磷酸化作用,促使 ERKs在核內聚集以及 Src和 Akt的磷酸化作用。當 Wnt/β-catenin信號通路受抑制或者存在 MEK、Src、PI3K、AKT激酶等的抑制劑時,Wnt3a的抗凋亡作用將失效。此外,Wnt3a還可以增加 ERK依賴型細胞中抗凋亡蛋白 Bcl-2的表達[13]。

3.Wnt/β-catenin在破骨細胞分化中的作用:Wnt/β-catenin的主要作用在于促進成骨細胞的分化、抑制成骨細胞的凋亡。但是現研究表明,Wnt/β-catenin在促進成骨細胞分化的同時,也能在一定程度上抑制破骨細胞的分化,從而調節骨的形成[14]。

骨保護素(OPG)是核受體 κB激活受體配體(RANKL)的假性受體,它可以競爭性地與 RANKL結合。成骨細胞可以表達 OPG。Wnt/β-catenin在促進成骨細胞分化的同時增強了 OPG的表達,從而使與 RANK的競爭性作用增強,使 OPG與更多的RANKL假性結合,抑制成骨細胞的分化,降低破骨細胞的活動,減少骨量的丟失。Holmen等[7]研究發現Δ-APC大鼠在提高 β-catenin表達量的同時也提高了 OPG的表達量,并且降低了 RANKL的表達量。這個實驗結果也被 Glass等[14]證實。糖尿病大鼠中β-catenin表達量的減少將可能引起 OPG表達量的降低,從而使 RANK與 RANKL的結合作用增強,促使破骨細胞的分化,導致骨量下降。

二、糖尿病大鼠中 Wnt/β-catenin信號通路及其相關蛋白的改變

骨質疏松和糖尿病都是老年性疾病,年齡是影響骨質疏松發生的重要因素。研究表明 1型糖尿病可以導致骨質疏松,2型糖尿病雖尚不能確定是否可以導致骨質疏松,但其可以促進糖尿病骨質疏松的發生與發展[15]。糖尿病骨質疏松的分子發病機制尚未明確,目前對 Wnt/β-catenin信號通路的研究較為深入,并且研究證明糖尿病骨質疏松大鼠中,有 Wnt/β-catenin信號通路的失調及其相關蛋白表達量改變。

Portal-Nunez等[16]通過靜脈注射鏈佐菌素(STZ)制成糖尿病大鼠模型,用甲狀旁腺素治療組作為對照,采用 X線骨密度測定進行組織形態學觀察,用基因芯片技術和 rt-PCR分析 Wnt/β-catenin信號通路的改變,用免疫組化染色方法分析 β-catenin蛋白表達量的改變。X線研究證明糖尿病大鼠骨形態確實發生改變,有明顯的骨量下降的表現。免疫組化結果證明糖尿病大鼠成骨細胞及骨細胞中的 βcatenin表達量明顯下降,并且β-catenin表達量下降與骨細胞減少數量對比結果證明這不是由于骨細胞的活性降低而引起的。此外,還發現在成骨細胞 βcatenin相關信號轉導的過程中,轉移到細胞核的 βcatenin數量明顯減少,從而影響了胞內后續的信號轉導,證明 β-catenin表達量的下降使得 Wnt/βcatenin信號通路發生了障礙。糖尿病大鼠中 WIF-1、Wisp1和 Wnt1等蛋白表達量的下降也證明糖尿病大鼠中確實有 Wnt/β-catenin信號通路的失調,并且其參與了糖尿病骨質疏松的發生與發展。

綜上所述,糖尿病骨質疏松的發生和發展受到多種因素的影響,發病機制復雜。高血糖狀態下 Wnt/β-catenin信號通路改變在骨形成及骨代謝中起著重要的作用,雖然其對糖尿病骨質疏松的作用機制尚未完全明確,但是隨著研究的不斷深入,相信其能夠為糖尿病骨質疏松的治療提出新的思路和治療靶點。

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