Wnt/β-catenin信号通路与糖尿病骨质疏松的关系

朱晓庆 金 悦 梁军波 张晓明

糖尿病是一种全身代谢性疾病,其可以通过多种途径影响骨代谢,从而导致骨质疏松,如晚期糖基化终末产物(AGEs)的积累可以抑制成骨细胞表达、增强骨吸收等。但是糖尿病骨质疏松的确切分子机制尚未明确。研究表明 Wnt信号通路介导了体内多种生物过程,如胚胎形成、器官发生、肿瘤形成等[1]。同时 Wnt/β-catenin信号通路在骨形成和骨代谢中亦起着重要的调控作用,研究表明高血糖状态下Wnt/β-catenin信号通路的失调与糖尿病骨质疏松的发生有着密切关系。

一、Wnt/β-catenin信号通路及其与骨质疏松的关系

1.Wnt/β-catenin信号通路:Wnt蛋白由 19种分泌蛋白组成,这些蛋白和相应的膜受体发生结合可激发一系列的继发反应,从而参与器官发生、胚胎形成等生物过程[1,2]。膜受体又由多种蛋白构成,包括卷曲蛋白(frizzled,FZD)、G偶联蛋白(GPCRs)、低密度脂蛋白受体(LRPs)等。Wnt信号通路包括 4条信号转导通路:Wnt/β-连环蛋白(Wnt/β-catenin)信号转导通路、Wnt/Ca2+信号转导通路、Wnt/平面细胞极性(PCP)信号转导通路以及调节纺锤体定向和不对称细胞分裂的通路[3]。其中,以 Wnt/β-catenin信号转导通路最经典。Wnt蛋白和卷曲蛋白 FZD以及低密度脂蛋白受体 LRPs结合激发了细胞内的信号转导,使 GSK-3β磷酸化而失活,从而维持 βcatenin的稳定。稳定的β-catenin在细胞质内聚集,转移到细胞核内,后与转录因子 TCF/LEF结合,启动细胞靶基因 Runx2等的转录,调控细胞的生长[4]。WIF-1、SOST、DKK-1、sFRP等为该信号通路拮抗剂,可抑制该信号通路的发生。信号转导过程中某些蛋白的缺失或增加将导致该信号转导过程失调,可导致疾病的发生。如人体中,LRP5基因的缺失或增加可以导致骨质疏松 -假性神经胶质瘤综合征或者HBM型个体[5]。

2.Wnt/β-catenin信号通路在成骨细胞发育中的作用:Wnt/β-catenin信号通路在前成骨细胞及成骨细胞的发育中都起了重要的作用。Hu等[6]用基因定向敲除的方法进行大鼠胚胎骨形成的研究。发现敲除 β-catenin基因的大鼠胚胎发生了骨形成障碍,它们只能形成软骨而不能形成骨。用原位杂交实验研究它们的成骨细胞发现它们只能表达Ⅰ型胶原和碱性磷酸酶(ALP)。Holmen等[7]对出生后的大鼠骨形成进行了研究,同样去除大鼠的 β-catenin基因,利用 OC促进 Cre的表达,然后通过 CT、组织学等研究,发现大鼠骨密质、骨小梁的骨量都大大减少,并且伴随着骨基质矿化困难及成骨细胞分化的障碍。

Wnt/β-catenin信号通路的抑制可造成成骨细胞功能障碍。钙黏蛋白(Cad)是一种钙依赖分子黏附蛋白,根据免疫学特性和组织分布又可以分为几个亚类,包括 ECad、PCad、NCad。成骨细胞中在生长过程中可以产生许多 NCad,它们在成骨细胞黏附及分化中起了重要的作用[8]。Ncad的过表达可以抑制Wnt/β-catenin信号通路。Hay等[9]用基因转染技术使部分 MC3T3-E1细胞 NCad过表达,然后与正常表达的 MC3T3-E1细胞进行对照研究,通过 NCad标记蛋白进行 NCad表达量的检测。通过检测成骨细胞早期标志物 ALP含量的检测来观察成骨细胞的数量。研究表明 NCad可以与成骨细胞中的 LRP5作用,NCad的过表达增加了 NCad-LRP5的数量,增强NCad-LRP5的作用。NCad-LRP5作用的增强导致TCF/LEF转录作用减弱,与 Wnt3a作用减弱,Wnt/β-catenin信号通路受阻,从而造成成骨细胞功能障碍,导致骨形成减少[10]。

为了阐明 Wnt/β-catenin与成骨细胞生存能力之间的关系,Almeida等[11]通过建立 C2C12,MC3T3-E1、OB-6三种细胞模型进行了研究。研究表明Wnt蛋白可以通过激活 Src/ERK或者 PI3K/Akt而使骨细胞以及前成骨细胞存活时间延长,从而增加骨质的形成。Wnt3a和 Wnt1可以防止纤溶酶缺乏引起的成骨细胞凋亡[12]。Wnt3a可以诱导 LRP5发生磷酸化作用,促使 ERKs在核内聚集以及 Src和 Akt的磷酸化作用。当 Wnt/β-catenin信号通路受抑制或者存在 MEK、Src、PI3K、AKT激酶等的抑制剂时,Wnt3a的抗凋亡作用将失效。此外,Wnt3a还可以增加 ERK依赖型细胞中抗凋亡蛋白 Bcl-2的表达[13]。

3.Wnt/β-catenin在破骨细胞分化中的作用:Wnt/β-catenin的主要作用在于促进成骨细胞的分化、抑制成骨细胞的凋亡。但是现研究表明,Wnt/β-catenin在促进成骨细胞分化的同时,也能在一定程度上抑制破骨细胞的分化,从而调节骨的形成[14]。

骨保护素(OPG)是核受体 κB激活受体配体(RANKL)的假性受体,它可以竞争性地与 RANKL结合。成骨细胞可以表达 OPG。Wnt/β-catenin在促进成骨细胞分化的同时增强了 OPG的表达,从而使与 RANK的竞争性作用增强,使 OPG与更多的RANKL假性结合,抑制成骨细胞的分化,降低破骨细胞的活动,减少骨量的丢失。Holmen等[7]研究发现Δ-APC大鼠在提高 β-catenin表达量的同时也提高了 OPG的表达量,并且降低了 RANKL的表达量。这个实验结果也被 Glass等[14]证实。糖尿病大鼠中β-catenin表达量的减少将可能引起 OPG表达量的降低,从而使 RANK与 RANKL的结合作用增强,促使破骨细胞的分化,导致骨量下降。

二、糖尿病大鼠中 Wnt/β-catenin信号通路及其相关蛋白的改变

骨质疏松和糖尿病都是老年性疾病,年龄是影响骨质疏松发生的重要因素。研究表明 1型糖尿病可以导致骨质疏松,2型糖尿病虽尚不能确定是否可以导致骨质疏松,但其可以促进糖尿病骨质疏松的发生与发展[15]。糖尿病骨质疏松的分子发病机制尚未明确,目前对 Wnt/β-catenin信号通路的研究较为深入,并且研究证明糖尿病骨质疏松大鼠中,有 Wnt/β-catenin信号通路的失调及其相关蛋白表达量改变。

Portal-Nunez等[16]通过静脉注射链佐菌素(STZ)制成糖尿病大鼠模型,用甲状旁腺素治疗组作为对照,采用 X线骨密度测定进行组织形态学观察,用基因芯片技术和 rt-PCR分析 Wnt/β-catenin信号通路的改变,用免疫组化染色方法分析 β-catenin蛋白表达量的改变。X线研究证明糖尿病大鼠骨形态确实发生改变,有明显的骨量下降的表现。免疫组化结果证明糖尿病大鼠成骨细胞及骨细胞中的 βcatenin表达量明显下降,并且β-catenin表达量下降与骨细胞减少数量对比结果证明这不是由于骨细胞的活性降低而引起的。此外,还发现在成骨细胞 βcatenin相关信号转导的过程中,转移到细胞核的 βcatenin数量明显减少,从而影响了胞内后续的信号转导,证明 β-catenin表达量的下降使得 Wnt/βcatenin信号通路发生了障碍。糖尿病大鼠中 WIF-1、Wisp1和 Wnt1等蛋白表达量的下降也证明糖尿病大鼠中确实有 Wnt/β-catenin信号通路的失调,并且其参与了糖尿病骨质疏松的发生与发展。

综上所述,糖尿病骨质疏松的发生和发展受到多种因素的影响,发病机制复杂。高血糖状态下 Wnt/β-catenin信号通路改变在骨形成及骨代谢中起着重要的作用,虽然其对糖尿病骨质疏松的作用机制尚未完全明确,但是随着研究的不断深入,相信其能够为糖尿病骨质疏松的治疗提出新的思路和治疗靶点。

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