骨桥蛋白基本特性及在疾病中的作用的研究进展

韩 涛综述，丁佑铭审校

骨桥蛋白（OPN）是一种分泌型磷酸化糖蛋白，最早在骨基质中被发现，参与骨基质的矿化和重吸收[1]，是一种重要的细胞粘附及趋化因子，可由体内多种细胞（如骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞、上皮细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞、活化的T淋巴细胞、单核/巨噬细胞系、神经细胞、多种肿瘤细胞等）合成并分泌。作为一种细胞因子，OPN参与多种生命现象，如骨的重塑、泌尿系统结石的形成、肿瘤的浸润转移、免疫调节及炎症反应等。它主要通过两种机制发挥细胞信号分子的作用：一是以分子内RGD基元与整合蛋白家族分子结合；二是与细胞表面黏附性糖蛋白CD44以非RGD依赖方式结合。两种作用方式均通过激活细胞内特异性信号传导系统而介导细胞粘附、迁移和增殖。近来它在胆囊胆固醇结石中的作用已经引起人们的关注。本文将近年来对OPN的基因结构、表达调控、分子生物学特征、生理功能及其在各系统疾病中作用的研究进展综述如下。

1 OPN的生物学特性

1.1 OPN的分子结构特点 OPN是一种带负电的非胶原性骨基质糖蛋白，其相对分子质量约44 kD，约含300个氨基酸残基，具体大小取决于其翻译后的修饰程度，其氨基酸序列富含谷氨酸、丝氨酸和天门冬氨酸，在不同天门冬氨酸残基位置上发生不同程度的磷酸化[2,3]。OPN分子内部含有一特殊结构谷氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arg-Gly-Asp RGD）序列，该序列是促进细胞粘附的蛋白质中的特有结构。其自身序列中含有蛋白酶敏感位点，将序列中的整合蛋白和CD44结合位点分开，凝血酶能通过识别片段中的糖原合成酶保守序列而水解OPN，使其含有RGD序列的氨基端结构域活化进而磷酸化，与其受体整合蛋白（αvβ3 integrin）结合发挥作用[2-4]。OPN分子的氨基端区域与外分泌有关，羧基端参与粘附功能的调节[5]。

1.2 OPN的基因结构及表达调控 不同种属的OPN cDNA具有中度的同源性，但在羟基末端区域、氨基末端区域及含RGD序列区域呈高度保守。OPN基因是一个独立编码基因，人OPN基因定位于第4号染色体，含7个外显子和6个内含子。OPN基因的表达具有组织细胞特异性，并且受多种生长因子、激素、原癌基因表达产物及肿瘤促进剂的调控。

OPN的表达受到很多细胞因子和转录调控元件的调节，如：TATA 盒、RE-l（responsive element-1）、反向 CCAAT 盒、维生素D反应元件、雌激素及雌激素受体、乳腺癌转移抑制因子 1、转录因子 Hoxc8 等[4，6，7-10]。 反向 CCAAT 盒位于 OPN启动子区域，能与src结合并调控OPN的表达，如v-Src和c-Src能刺激OPN在转化的NIH3T3鼠成纤维细胞中表达；糖皮质激素受体、SP-1、八聚体结合蛋白Oct-1和E盒结合因子分别与RE-lb和RE-1α结合协同促进OPN表达[4]；维生素D受体是核受体转录因子超家族中的一种配体依赖型磷酸化蛋白成员，与OPNN启动子5’端附近的VDRES结合而促进OPN表达，1,25-二羟基维生素D3则通过抑制OPN的磷酸化而减少OPN与αvβ3整合素结合进而参与调节相关信号[4，6]；BRMS1与OPN基因启动子区域的NF-κB结合位点相结合，减少p65的乙酰化，抑制IκBα的磷酸化，减少p65和p50入核，阻断NF-κB信号的活化而抑制OPN的表达[8，9]，从而抑制乳腺癌和黑素瘤的转移[8]；雌激素和ER主要通过ERα和雌激素受体相关受体α与OPN启动子区域的SFRE样序列结合而诱导OPN表达[4，6]；AP-1与OPN启动子区顺式调控位点TGACACA结合而促进OPN转录表达，而ER和VDR也可以促进AP-1的表达[4]；Lei等[10]发现，Hoxc8能直接与OPN基因启动子区的Hoxc8结合序列结合，抑制OPN表达，在小鼠胚胎成纤维细胞中转染pcDNA4-Hoxc8质粒后，OPN的表达明显下调。这些表达在正常组织中受到精密调节，在肿瘤中往往异常，如在OPN启动子区就发现了很多与肿瘤发生相关的蛋白因子结合元件：Tcf-4是转录因子中T细胞因子家族中的一种，一般与β-catenin通过经典的wnt/β-catenin信号通路调控转录，促进OPN的表达，在没有β-catenin存在时，Tcf-4与OPN启动子区域的ATATCAAAG序列结合，抑制OPN的转录表达[4，6]；Ras活化的增强子RAE和 Tcf-4 等[4，6，7]，RAE 能够与 Ras反应因子 RAF 结合 ，当 Ras信号活化时调控OPN的表达[7]。肿瘤发生时OPN表达水平明显上调，如在黑素瘤、乳腺癌、消化系统肿瘤、头颈部癌、前列腺癌等肿瘤中，尤其是在转移性肿瘤中其表达水平更高[11-13]，因此OPN被认为是一个肿瘤转移相关蛋白[11]。

2 OPN的生理功能

OPN是一种带负电的非胶原性骨基质糖蛋白，由多种组织细胞合成与分泌，最先是在骨骼中被发现，随后发现广泛分布于多种组织如：肾、牙、脑、膀胱、肌肉、软骨的上皮细胞和巨噬细胞、自然杀伤细胞、血管平滑肌细胞等。

OPN的主要功能有：①参与细胞的移动过程；②与钙离子有多种相互作用；③与骨的羟基磷灰石基质相结合，刺激骨的矿化[14]；④RGD序列结合于细胞表面，介导细胞-基质，细胞-细胞的相互作用；⑤破坏晶体网阵，从而抑制草酸钙晶体的增长；⑥刺激巨噬细胞和淋巴细胞，参与对微生物感染的非特异性反应过程；⑦影响一氧化碳的产生、钙调节和基因的表达。

3 OPN在各系统病变中的功能

3.1 OPN是体内广泛存在的细胞因子和趋化因子 最先在骨骼中被发现，是成骨细胞的表型之一。免疫细胞化学研究发现，OPN在编织骨中成骨细胞、骨细胞的胞浆中都有分布，软骨内化骨、膜内化骨区域含量丰富[15]。在骨代谢中、骨基质的矿化和吸收过程中起重要作用[16]。OPN由成骨细胞分泌以后存在于基质中，与骨基质连接在一起，另外在编织骨向板层骨的转化过程中起重要作用，在骨吸收时从骨基质中暴露出来，继而对周围的成骨细胞又产生粘附作用[17]。OPN可能刺激成骨细胞增殖、钙化，促进破骨细胞与骨基质的粘附并提高破骨细胞的溶骨活性，介导机械应力引起的骨代谢变化。

3.2 OPN在动脉粥样硬化形成和发展过程中起重要作用在人主动脉、颈动脉及冠状动脉粥样硬化斑块中均存在高水平的OPNmRNA和蛋白。OPN在心血管特别是血管重塑过程中起重要调节作用[18]。Giachelli最早提出OPN可能参与新生内膜生成并可作为血管平滑肌细胞激活的标志，损伤后2～7 d，血管平滑肌细胞中OPNmRNA及蛋白表达增高，损伤4周后，平滑肌细胞迁移至最低，内膜增厚明显减缓，此时OPN含量也明显减少，说明OPN参与了新生内膜的生成[19]。对于慢性稳定型心绞痛患者，高血浆OPN水平是其未来不良心血管事件的一个独立预测因子，并且可能对危险分层有用。OPN是血管平滑肌由收缩表型向合成表型转化的标志基因，又是血管细胞的主要粘附及趋化因子，还与动粥样硬化斑块的钙化密切相关[20]。作用机理可能是OPN直接与羟基磷灰石晶体结合成一层蛋白衣，阻止羟磷灰石晶体的进一步析出，抑制动脉钙化[21]。

3.3 OPN与恶性肿瘤的发生发展的关系 有许多报道，人及啮齿类动物原癌基因转化为癌基因后，细胞的OPN分泌增加。OPN主要位于肿瘤浸润的前沿，而且OPN在细胞的表达部位随肿瘤恶化发展而改变，OPN与整合素分子、CD44及其突变体结合介导的多条信号通路与机体多种生理病理过程有关，尤其是参与了多种肿瘤的发生发展。OPN通过其RGD片段和非RGD片段与仪V133和CD44相互作用参与细胞的炎症反应，促进细胞迁移、粘附及相关信号转导，调节与肿瘤发生、发展相关基因的表达，促进细胞外基质的降解，抑制机体对肿瘤的免疫作用，加速肿瘤的进展。已播散癌症患者血清OPN浓度升高，在肿瘤促进剂的作用下某些细胞的OPN表达增多，OPN的表达还与某些肿瘤相关基因如vnlyc等的表达密切相关[22]。OPN在肝癌组织中及癌周组织中有表达[23]。

3.4 OPN在组织器官中的分布与表达 经检测证实有OPN分布与表达的消化器官和组织有：胃，小肠，阑尾，大肠，胆囊上皮，肝内胆管，胰腺，唾液腺管和唾液腺黏液细胞。有研究用超微结构免疫方法显示，OPN在胆囊柱状上皮细胞中位于高尔基复合体，由糖和膜结合胞质颗粒[24]。胃肠道肌内神经丛的神经节，肝脏的巨噬细胞也有OPN的表达。胆囊含有比其他组织丰富的OPN，胆汁中也含有较丰富的OPN，其中OPN为胆囊多糖蛋白复合物的一种成分，已证明多糖蛋白复合物中含有黏液样物质，推测胆囊中OPN可能与粘蛋白类似的特性与结石的形成有关[25]。利用差异显示技术证明，平滑肌细胞由收缩型向合成型转换的标志基因[26]。在笔者的研究中，OPN在胆固醇胆囊结石胆囊上皮细胞质和细胞质管腔有免疫反应，并提示OPN在胆固醇结石胆囊上皮中表达明显高于正常胆囊上皮，有统计学差异。笔者认为OPN这种异常细胞外基质的表达明显增强标志着胆囊上皮细胞不再处于正常时相对静止的状态，其原有的生物学行为已发生改变，向成纤维细胞转化，胆囊黏膜的正常分泌、吸收功能受到影响，导致胆囊上皮选择性吸收胆汁胆固醇和磷脂的能力下降。Conter等[27]认为胆囊结石形成早期磷脂与胆汁酸比值升高，胆汁浓缩，产生促成核作用。胆汁的浓缩伴随着胆汁的酸化，而酸化能提高钙在胆汁中的溶解度，有利于胆囊结石的形成。而分泌至细胞外的OPN可与胞膜上的CD44分子相结合，通过OPN-CD44-Ras途径调控LECs分泌多种细胞外基质，这些细胞外基质在胆囊内无规律的排列、聚集成团块状，使胆囊平滑肌收缩舒张功能减退，导致胆汁的输出功能障碍，而已形成的胆固醇结晶不能被及时的排入肠道，导致结石的形成。

3.5 肾小管细胞和肾乳头表面细胞均可分泌OPN 它在体外可抑制草酸钙晶体的成核，生长和聚集[28]，正常人尿中OPN的浓度为6×10-8mol/L，足以抑制草酸钙结晶，其在尿中浓度可以反映尿抑制结石形成的能力[29]。草酸作为OPN表达的一种激活物[30]，能够使肾小管上皮细胞反应性分泌OPN的过程随着尿液草酸浓度的变化而改变。尿液草酸浓度升高的初始阶段，肾OPN主要表达于集合管，此处尿液草酸浓度在整个重吸收过程中最高。而后髓袢也开始出现OPN的表达，这可能是因为髓袢位于肾脏髓质的深部，该处是尿液高度浓缩的区域。

3.6 在淋巴细胞的表达 Cantor等发现OPN在淋巴细胞，包括T细胞及NK细胞亚群，被非特异结合后不久即开始表达，因此描述OPN为早期T细胞活化基因1，另外在对抗感染的非特异性免疫及自身免疫中OPN起一定作用，其对巨噬细胞有化学诱导的作用，因而有人认为可以把其看作一种细胞因子[31]。OPN还可以与CD44相互作用，能引起CD44依赖的化学趋化性增高[32]，而CD44的变异型能与OPN的C端或N端结合，而不依赖于RGD序列[33]。分泌至细胞外的OPN可与胞膜上的CD44分子相结合，通过OPN-CD44-Ras途径调控LECs分泌多种细胞外基质。

总之，OPN作为一个重要的细胞因子，被广泛而深入地研究，从其所受调节的复杂多样性到其参与的各种病变过程中的复杂性，为各种相关疾病的诊断、治疗提供了很多新的靶点和方向，但其详细作用机制和分子特异性等问题仍然没有解决。虽然已经有人对OPN的研究做了大量的工作，但仍有很多未解决问题，值得人们去更深入地研究。

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