肌骨共生相關信號通路研究進展

劉晏東，鄧 強，張彥軍，李中鋒，彭冉東，郭鐵峰，王雨榕，陳 博

1甘肅中醫藥大學，蘭州 730030 2甘肅省中醫院，蘭州 730050

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量降低、骨組織微結構損壞、骨脆性增加、易發生骨折為特征的全身代謝性骨病。而肌少癥(sarcopenia，SP)是以進行性全身肌量減少和功能減退為主要特征的綜合征，可導致患者身體殘疾、生活質量下降及死亡等不良后果?；诙吖餐牟±砩頇C制及密切相關性，逐漸衍生出“肌少-骨質疏松癥(osteosarcopenia，OS)”這一概念，以描述肌肉與骨骼同時發生衰減的現象[1]。肌肉與骨骼在位置上毗鄰，既可互相釋放機械信號以協調骨密度和肌質量，又可分泌如肌抑素、鳶尾素、骨鈣素和骨保護素等生化因子相互調節[2]，信號通路作為肌肉與骨骼之間重要的信號傳遞途徑，如發生異常，則會導致OS的發生[3]。因此，本文就Hedgehog(Hh)、Hippo、mTOR和MAPK等成骨與成肌相關信號通路進行綜述，以期為OS的靶向治療提供新思路。

1 Hh信號通路

Hh信號通路是一種高度保守的信號傳導通路，主要由Hh配體、貼片受體(patched，Ptch)、平滑受體(smoothened receptor，Smo)、融合抑制因子(suppressor of fused homolog，Sufu)和轉錄因子(glioma-associated oncogene homolog，Gli)構成[4]。

1.1 成肌方面

Hh信號通路是肌肉早期發育必需的通路之一，且靶向不同的肌纖維群。Hayes等[5]通過使用環巴胺阻斷Hh信號通路，發現被阻斷Hh信號傳導的快速肌肉細胞在胚胎中停止生長，說明Hh信號通路對正常肌球蛋白鏈的表達至關重要，此外，Hh信號通路傳導和層粘連蛋白γa1能夠維持肌球蛋白MF20和F310的正常表達，在肌纖維生長過程中協同作用，二者同時缺乏則會引起胚胎中肌肉分化異常。Shh(Sonic hedgehog)是Hh家族成員之一，可與Wnt通路共同參與成肌過程，包括肌源性調節因子的表達、肌譜系細胞發育、存活和增殖以及肌纖維類型的選擇[6]。但目前尚無針對兩條信號通路之間相互作用的機制研究。Hamilton等[7]研究發現，成人骨骼肌再生期間Shh表達上調，其受體和靶基因Ptc1在再生肌肉中顯著增多；若Shh表達受抑制，則會影響肌源性調節因子 Myf-5 和 MyoD 的活化，降低胰島素樣生長因子-1(insulin like growth factor-1，IGF-1)表達水平和衛星細胞數量，最終導致肌肉萎縮。此外，Vicario等[8]研究發現，Shh與MAPK/ERK和PI3K/AKT通路的協同作用對肌肉細胞的增殖和分化至關重要，并以類似于IGF-1的方式影響這些途徑。Hh信號通路可促進肌肉生長，但由于相關研究有限，激活Hh信號通路尚存在一定的風險，實現對Hh信號通路的精準調控并非易事。

1.2 成骨方面

Hh信號通路在成骨方面同樣具有重要作用。首先，Hh信號通路可促進骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化。Ohba等[9]研究發現，重組N末端Shh(shhN)可促進BMSCs的增殖和成骨分化，增強堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性、成骨相關基因表達和基質礦化。Hou等[10]研究發現，利拉魯肽可通過激活Hh信號通路促進成骨細胞MC3T1-E1的增殖和分化，并抑制由血清剝奪誘導的細胞凋亡。此外，Hh信號通路在骨發育和骨修復過程中可與其他信號級聯(Wnt、BMP和PTHrP)協同起效，但具體機制目前尚不明確。Zhang等[11]通過敲除小鼠體內Osx-Cre靶向的骨祖細胞和軟骨細胞中Smo(Hh通路的關鍵分子)以滅活Hh信號通路后發現，小鼠的骨形成減少，骨髓脂肪增多，且Hh信號通路可通過上調Wnt信號傳導以調節成骨細胞與脂肪細胞的分化。在干預方面，Runt相關轉錄因子2(Runt-related transcription factor 2，Runx2)作為成骨細胞分化的啟動因子，可在成骨細胞分化過程中增強ALP活性和Ⅰ型膠原蛋白(collagen typeⅠ protein，COL1)表達，并上調Shh表達水平[12]。辛伐他汀可增強成骨分化能力，Hh信號通路也參與辛伐他汀誘導的BMSCs骨分化過程，表現為COL1、ALP和骨鈣素(osteocalcin，OCN)的表達上調以及ALP活性增加[13]。此外，多種miRNA也參與由Hh信號通路介導的成骨過程，例如，miR-342-3p已被確定為OP治療劑，可通過下調Sufu以激活Shh信號加速人臍帶來源的間充質干細胞(umbilical cord mesenchymal stem cells，UCMSCs)的成骨分化[14]。這些研究表明Hh信號通路主要通過介導成骨細胞的增殖，然而尚無明確證據顯示Hh通路對破骨細胞具有抑制作用。

2 Hippo信號通路

Hippo信號通路是一種進化信號通路，主要由STE20樣激酶(mammalian sterile20-like kinase，MST)1/2、腫瘤抑制因子(serine/threonine protein kinase，LATS)1/2、重組人WW結構域結合蛋白 (recombin-ant human WW domain-binding protein，WBP)1、MOB激酶激活劑(recombinant human MOB kinase activator，MOBA)1、Yes相關蛋白(yes-associated protein，Yap)、具有PDZ結合基序轉錄共激活因子(transcriptional co-activator with PDZ-binding motif，TAZ)以及TEA結構域(TEA domain family member，TEAD)家族成員組成[15]。

2.1 成肌方面

雖然已在體內外肌源性細胞中鑒定出多種Hippo成分，但其在肌肉質量調節中的作用研究較少。但可以明確的是，Hippo信號通路在肌源性細胞及衛星細胞的增殖、分化及死亡等不同生物過程中發揮重要作用。阮凌等[16]研究發現，在小鼠C2C12細胞增殖過程中，Yap Ser127磷酸化較低且Yap定位于細胞核，而在細胞分化后，Yap Ser127磷酸化增加約20倍并由細胞核轉移至細胞質。這說明Hippo信號通路的核心效應因子Yap的mRNA和蛋白質表達在肌源性細胞增殖期間上調，在其分化期間下降。Setiawan等[17]研究發現，Yap活性增加可促進衛星細胞活化并擴大衛星細胞衍生的成肌細胞池，也可與TEAD共同激活成肌細胞中的肌特異性胞苷-腺苷-胸苷元素以促進肌肉再生。此外，TAZ對骨骼肌的促進功能雖弱于Yap，但其可通過刺激蛋白質合成來預防藥物導致的肌肉萎縮。除單獨作用外，Hippo信號通路還可與其他信號通路協同作用調節骨骼肌質量，包括TGF-β途徑、Wnt途徑、Sonic-Hedgehog途徑及Akt-mTOR途徑[18]。這表明Hippo信號通路在體外肌肉生成及體內肌肉發育過程中發揮重要作用，未來可針對如何實現Hippo信號通路的精準調控及調控程度開展進一步研究。

2.2 成骨方面

Yap/TAZ作為Hippo信號通路的關鍵下游效應因子，可通過促進成骨細胞增殖和抑制破骨細胞分化調節骨穩態。但Yap/TAZ在破骨細胞中的作用尚未明確。Yang等[19]研究發現，Yap/TAZ敲除小鼠破骨細胞過度增殖會加速骨量減少。另有研究表明，敲除Yap和TAZ的轉基因小鼠由于成骨細胞形成減少以及破骨細胞數量增加導致OP[20]。這說明Hippo信號通路可抑制RANKL誘導的破骨細胞活動，相反，若Hippo信號通路缺失可導致OP發生。而Hippo信號通路抑制破骨細胞分化的機制可能是Yap/TAZ與TGF激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)結合后共同抑制NF-κB信號傳導。Yap/TAZ在促進成骨細胞分化方面同樣具有重要作用，Zarka等[21]發現成骨細胞中Yap/TAZ的高表達可增加骨量，而成骨細胞中的Yap/TAZ敲除則會導致OP發生。Yu等[22]研究發現，骨骼干細胞中過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxi-some proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)缺失小鼠會導致TAZ的表達水平降低，進而導致成骨細胞的數量和功能降低。此外，TAZ還可與Runx2等轉錄因子結合以促進成骨細胞分化。而TAZ和細胞內散亂蛋白(dishevelled，DVL)的相互作用可阻止酪蛋白激酶介導的DVL磷酸化對Wnt/β-Catenin信號傳導的抑制。Li等[23]研究發現，源于BMSCs的外泌體可通過Hippo信號通路轉移miR-186以促進去勢大鼠的成骨作用，這說明Hippo信號通路對雌激素也有一定的調節作用。綜上所述，Hippo信號通路在成骨過程中發揮關鍵作用，但Hippo信號通路在諸多類型的細胞中均有影響，因此可能會對其他細胞的正常功能產生干擾。目前該通路信號傳導的具體機制仍不完善，從而限制了該通路在治療肌骨衰減中的應用，后續仍有待進一步研究。

3 mTOR信號通路

mTOR信號通路是一種合成代謝通路，可對肌骨再生發揮正向作用，mTOR擁有兩個不同的催化亞基，即mTORC1和mTORC2[24]。

3.1 成肌方面

肌肉生長受多種因素調節，如機械負荷、營養攝取等，而mTOR是肌細胞活力的主要調節因子，也是干預SP的希望靶標。mTOR信號通路的活性常因內源性和外源性因素的不同(如氧化還原平衡、營養可用性、體力活動)而存在差異。而該通路的激活是通過分子反饋環實現的，該分子反饋環可阻斷mTORC1上AKT的激活，因此是肌肉生長或蛋白質合成的交叉點[25]。絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶可能是肌細胞增殖和存活的關鍵，可通過調節mTORC1和mTORC2影響肌纖維代謝、生長和增殖。而激活PI3K-AKT-mTORC1軸可促進蛋白質合成并抑制蛋白分解，從而保持肌肉細胞穩態，促進肌肉再生[26]。此外，調節肌再生與神經肌肉接頭的穩定具有密切聯系，而mTORC1信號傳導被抑制可觸發肌纖維去神經支配，從而影響骨骼肌再生[27]。運動對Raptor(mTORC1重要的支架和調節蛋白)的調節研究表明，mTORC1可能在骨骼肌強烈收縮下控制蛋白質合成[28]，因此運動可作為促進成肌的重要方式。葡萄糖和氨基酸等營養素能夠通過mTOR通路激活肌蛋白并促進其合成。但在老年人中，肌纖維組成會向慢肌纖維轉變，快肌纖維中葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter type 4，GLUT4)表達也會相應減少，同時肌肉在胰島素刺激下利用葡萄糖的能力降低[29]，這說明通過補充營養素可有效逆轉SP。綜上，mTOR通路對于促進肌再生具有重要作用，但過度活化和持續高活性可能會產生負面影響。因此，通過這一機制靶向治療SP時，需謹慎平衡其激活程度。

3.2 成骨方面

mTOR途徑在調節骨骼發育的多個方面發揮重要作用。研究發現，抑制mTORC1信號傳導可抑制小鼠BMSCs的成骨分化。相反，IGF-1可通過激活mTORC1信號傳導以刺激BMSCs向成骨細胞分化[30]。骨形成信號Wnt配體(如Wnt3a和Wnt7b)可通過PI1K-AKT信號激活mTORC3。而抑制mTORC1信號傳導則會阻止Wnt7b誘導ST2細胞向成骨細胞分化，表明Wnt7b可通過激活mTORC1促進骨形成。此外，BMP2也可通過mTORC1依賴性機制誘導成骨發生[31]。這說明mTORC1已成為介導IGF-1、Wnt和BMP等骨合成因子的常見效應物，而mTORC1的失調可能導致OP的發生。一項研究通過敲除小鼠Raptor使 mTORC1 失活，并通過敲除破骨細胞前體中含有LyzM-Cre的Tsc1以激活mTORC1，分別增加或降低了破骨細胞的數量[32]，說明mTORC1可通過直接作用于破骨細胞以抑制骨吸收。此外，mTORC1還可通過抑制NF-κB和NFATc1活性而抑制破骨細胞分化。因此，mTORC1信號傳導可能通過直接和間接作用對破骨細胞譜系產生特異性影響，但對其具體作用機制值得進一步研究[33]。與mTORC1類似，mTORC2也可通過調節成骨或破骨細胞增殖與分化改善OP。除刺激成骨細胞分化中的相關因子外，成骨細胞前體中的mTORC2信號傳導還通過調節RANKL的表達間接促進骨形成[32]。盡管mTOR信號通路在OP的治療中具有一定潛力，但也存在使用mTOR信號調節劑的劑量與時機、靶向性、耐藥性、安全性等問題。未來研究需進一步探索有效的藥物劑型和治療策略以解決上述問題，提高治療效果及安全性。

4 MAPKs信號通路

MAPKs信號通路在肌肉與骨骼相關細胞的生物過程中發揮重要作用。目前已鑒定出的3個MAPK家族成員分別為ERK1/2、P38 MAPK和c-Jun NH2末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。

4.1 成肌方面

MAPKs是骨骼肌中主要的轉錄因子和調節因子，可響應氧化反應和機械應力。有證據表明，部分刺激可通過MAPKs信號通路影響胰島素抵抗和蛋白質分解代謝。運動是一種間歇性的細胞應激形式，王嶼萌等[34]研究證實，運動可激活大鼠骨骼肌中的ERK1/2、p38 MAPK和JNK通路以增加肌肉再生率。ERK1/2在動物模型中可被柔性運動(阻力運動和耐力運動)快速激活，在接受劇烈運動訓練(如騎自行車、游泳等)的人體肌肉中也可被快速激活。作為MAPKs信號通路網絡中獨立的信號組成部分，p38 MAPK由4個同分異構體(p38α、 p38β、p38δ、P38γ)組成，主要在高強度肌肉收縮時被激活[35]。運動也會通過JNK途徑刺激信號傳導，且現有研究發現JNK的磷酸化隨著肌肉收縮力的升高而呈線性增加[36]。綜上所述，3個MAPK信號模塊均由運動介導，但激活機制又有所不同。此外，氧化應激是SP的發病機制之一，骨骼肌中造成氧化應激的成分主要是活性氧。IGF-1已被證明可以保護肌細胞免受氧化應激影響而促進肌細胞增殖、分化和存活。而這種保護效應可能是通過PI3K-Akt和ERK1/2 MAPK途徑進行的[37]。

4.2 成骨方面

MAPKs通常受輔助蛋白(如細胞支架和磷酸酶)的動態調節，這種特性使MAPKs通路能夠調控骨組織的代謝和重塑。典型的ERK-MAPK包括ERK1-MAPK3和ERK2-MAPK1兩種亞型，二者均在成骨細胞譜系中高表達。研究表明，ERK-MAPK通路在體內外均可促進成骨細胞分化，主要通過控制成骨細胞調節因子(包括Runx2，ATF4和β-連環蛋白)的活性來完成[38]。MAPK p38α是RANKL介導的破骨細胞增殖的重要調節因子，而p38抑制劑可通過調節MAPK p38α抑制破骨細胞增殖來保存骨量。張旭等[39]研究發現，p38受兩種上游MAPK激酶(MAP Kinase Kinase，MKK)調節，即MKK3和MKK6；且MKK3可體外調節破骨細胞的分化，缺乏MKK3可使活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T cells c1，NFATc1)的表達降低。此外，破骨細胞特異性基因蛋白酶K、相關受體和基質金屬蛋白酶(matrix metallo-protein，MMP)9的表達均受MKK3的影響，說明MKK3可直接介導破骨細胞增殖。而MKK6可能通過增加促炎因子的產生間接介導破骨細胞增殖。前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)可通過調控成骨細胞的生長和分化增加骨量。而PGE2受體激動劑EP2A和EP4A主要通過激活p38 MAPK、ERK及JNK刺激內源性PGE2生成。雖然MAPK通路可通過調控成骨和破骨細胞抗骨質疏松，但該通路還參與其他生物學過程，因此藥物靶向該通路時可能會產生副作用。

綜上所述，OS 是嚴重威脅中老年人身心健康的退行性疾病，目前臨床上防治該類疾病主要以OP為著力點，尚缺乏同時針對肌肉和骨骼的靶向治療方案。目前已知Hh、Hippo、mTOR和MAPK等多種信號通路同時作用于肌肉和骨骼，但其具體機制及相互作用仍缺乏深入認識，不利于OS的基礎研究和臨床轉化。未來應進一步以潛在成肌成骨信號傳導為研究著力點，明確信號通路上下游效應因子及其對相應靶點的具體作用，為OS的靶向治療及藥物研發提供新思路。

作者貢獻：劉晏東、張彥軍負責論文撰寫；鄧強負責論文指導；李中鋒、彭冉東負責論文構思；郭鐵峰、王雨榕、陳博負責論文修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突