SHP-2及其调节破骨细胞形成作用的研究进展

林 鹏，姜 欢综述，胡 敏审校

0 引 言

酪氨酸的可逆磷酸化是细胞信号转导的重要环节，该过程由蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyro-sine phosphatases，PTPs)和蛋白酪氨酸激酶共同调节。SHP-2是PTPs家族中的一员，作为细胞因子、生长因子及其他胞外刺激因素的下游信号分子，在细胞的生长分化以及肿瘤细胞的增殖、黏附、转移过程中起着至关重要的作用［1］。以往研究主要集中在SHP-2作为具有酪氨酸磷酸酶活性的原癌基因［2］，其突变导致混合性软骨瘤病、Noonan综合征(Noonan syndrome，NS)、LEOPARD 综合征(LEOPARD syndrome，LS)及多种实体肿瘤的发生［3-5］。最近学者发现SHP-2参与了破骨细胞(osteoclasts，OC)的分化过程，是OC形成中的关键因子，可能在体内骨代谢中发挥着重要作用［6］。这一发现为研究骨吸收过程中OC形成的生物学机制提供了新思路。本文回顾了SHP-2的相关研究，并对其在OC形成中的作用做一综述。

1 SHP-2的结构与功能

SHP-2是 PTPs胞内非受体型(non-receptor PTPs，NRPTPs)的一员，由 PTPN11基因编码。其NH2-末端前后含有2个SH2结构域［N-SH2、C-SH2(112-216)］，COOH-末端含有1个具有催化活性的PTP结构域(221-524)及富含脯氨酸基团和酪氨酸磷酸化位点的尾部结构［7］。N-SH2结构域含有高度保守的氨基酸残基，具有独立的磷酸酪氨酸结合位点。未激活状态下，N-SH2结构域能够结合到SHP-2的PTP结构域上的相应磷酸酪氨酸结合位点，使SHP-2丧失磷酸酶活性。当受到特定细胞因子刺激时，PTP结构域的催化活性位点暴露，并通过N-SH2和C-SH2结合于受体酪氨酸激酶、细胞因子受体或锚定蛋白上相应的磷酸酪氨酸位点，从而激活SHP-2的酪氨酸磷酸酶活性［8］。SHP-2作为下游信号分子参与信号转导，调节细胞增殖、分化、迁移、死亡等，导致包括肿瘤在内的多种疾病的发生［8］。

2 SHP-2的生物学作用

2.1 调节细胞活性及分化 SHP-2调节体内多种细胞的活性，从而影响细胞的分化。胚胎干细胞(embryonic stem cell，ES)可被诱导分化成各种血细胞系，包括造血干细胞、心肌细胞、噬神经细胞。Chan等［9］对ES细胞分化的早期阶段的研究中发现，SHP-2突变体可严重降低红细胞谱系分化，且髓样谱系发生被完全阻止，同时SHP-2突变体也可阻碍淋巴细胞祖系的分化。Hoffnann等［10］发现 SHP-2突变体明显降低ES细胞的分化潜能以及来源于突变ES细胞的心肌细胞和成纤维细胞的分化。

2.2 调节细胞黏附和移动 SHP-2对细胞黏附能力的作用是通过对成纤维细胞的研究发现的，SHP-2对成纤维细胞黏附及移动起正向调节作用，成纤维细胞中的SHP-2突变可导致细胞的移动及扩展性降低。Hartman等［11］发现 SHP-2与局部粘着斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)一起控制局部黏附性动力学效应，SHP-2突变致使FAK磷酸化循环中断，同时抑制了FAK的去磷酸化，导致细胞黏附性增高与移动性降低。同时，SHP-2可通过降低E-钙粘蛋白的表达，降低细胞间及细胞与基质间的黏附性;通过增强基质金属蛋白酶-1(matrix metalloproteinase，MMP-1)和MMP-9的分泌，降解细胞外多种胶原及基质，为细胞移动提供有利条件［12］。

3 SHP-2的信号转导通路

SHP-2是多种生长因子和细胞因子的下游信号分子，调控的生长因子包括血小板源性生长因子、表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子-1等;细胞因子包括巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colonystimulating factor，M-CSF)、白细胞介素-3(interleukin-3，IL-3)、促红细胞生成素等。SHP-2可以直接与上述因子的受体相互作用，也可以与多种信号转导中间媒介体(SHPS-1、JAK2、PI3K)的 P85亚单位、Gab1、Gab2 等相结合，调节 Ras/MAPK、JAK/STAT3、YAP/TAZ、等［13-17］多种信号转导通路。

Ras/MAPK通路是SHP-2发挥作用最重要的一条信号转导通路［13］，该通路的激活机制主要有3种。EGF等生长因子与受体酪氨酸激酶结合后，受体磷酸化激活Ras和GAP;而GAP通过内在GTP酶活性抑制Ras激活;SHP-2则可结合GAP而抑制其活性，从而激活 Ras/MARK通路［17］。SHP-2通过活化Src家族激酶(SFKs)从而持续激活Ras/MAPK通路［18］。Grb-Sos蛋白是激活Ras/MAPK通路重要的蛋白结合体，SPROUTY蛋白能够结合Grb-Sos蛋白而抑制其活性从而抑制Ras/MAPK通路;SHP-2通过结合SPROUTY蛋白，使其去磷酸化失活，从而解除其对Ras/MAPK通路的抑制［19］。

4 SHP-2与相关疾病

大量研究结果表明，SHP-2参与了几乎所有细胞因子受体通过Ras/MAPK通路向下游传递信号的过程，在通路传递过程中，SH2结构域及PTP结构域同时具有活性是必需的［1］，SHP-2活性调节机制的紊乱将导致包括肿瘤在内等多种疾病的发生，如混合性软骨瘤病、NS、LS、肿瘤性相关疾病等［20］。

4.1 混合性软骨瘤病 Bowen等［20］学者发现PTPN11(编码SHP-2)的突变可导致混合性软骨瘤病，该疾病为一种罕见的遗传疾病，表现为多发性外生骨疣、关节破坏和骨软骨瘤。PTPN11的失活是混合性软骨瘤病的病因。随后，Yang等［5］学者证实破骨细胞中PTPN11基因的删除可导致混合性软骨瘤病，该疾病起源于Ranvier的软骨膜槽中一个新发现的间质祖细胞类群。PTPN11的失去通过激发hedgehog信号来发挥作用，hedgehog通道抑制因子可改善混合性软骨瘤病的症状，因此PTPN11在软骨组织中可抑制肿瘤的形成。

4.2 NS NS是一种以特殊面容、身材矮小、智力发育障碍并伴有骨骼发育异常、先天性心脏病为特征的多发性先天畸形。其中，50%的NS患者存在PTPN11突变，大多数突变导致SHP-2的NSH2或PTP结构域发生变化，自身抑制解除，持续激活Ras/MAPK 通路［21］;其次是，PTPN11 某些部位突变，如 T42A，E139D和 R138Q，只导致 SHP-2的 C末端磷酸化位点功能改变［22］，亦可导致NS的发生。肿瘤类型不同，SHP-2的突变位点通常不同，并且此时并不伴随其他激活Ras/MAPK途径的基因的突变，说明此时导致细胞异常增殖的Ras/MAPK途径的异常激活主要是由SHP-2的突变引起，持续激活Ras/MARK通路是NS发病的重要原因。

4.3 LS LS又称豹皮综合征，该病的典型特征为多发性黑痣，同时伴有骨骼异常、先天性心血管畸形、眼异常、生殖系异常、神经性耳聋和中枢神经系异常等。LS几乎均伴有PTPN11基因突变，导致SHP-2的PTP结构域改变。与NS不同的是，这种突变通常直接影响PTP结构域催化基团的活性，抑制细胞外调节蛋白激酶活性，负性调控Ras/MARK通路［23］。

4.4 肿瘤相关疾病 SHP-2作为一种原癌基因，不仅在Ras/MAPK、JAK/STAT、YAP/TAZ等多条促癌信号通路中起到重要作用［13-15］，还在肿瘤侵袭和转移过程中起中介和放大信号的作用［24］。其通过调节细胞的增殖、分化和存活，可导致如血液系统恶性肿瘤、幽门螺杆菌感染相关性胃癌、乳腺癌、肺癌等肿瘤性疾病的发生。

5 SHP-2对OC的调节

5.1 OC的形成和分化 OC是来自单核-巨噬造血细胞系终末分化的多核巨细胞，骨髓中的破骨前体细胞受到微环境中细胞因子的诱导，迅速融合并分化为成熟的OC［25-26］。细胞核因子κB受体活化因子配基(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)和巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)是OC形成和分化过程中的两个必需的因子，与细胞表面受体相结合，提供破骨细胞存活、增殖信号并激活相应信号通路，使成熟的OC执行骨吸收功能［25］。OC分化及功能异常会导致多种骨代谢疾病，如骨质疏松症、骨硬化症、Paget's病等［27-28］。研究显示，OC会导致小鼠骨硬化症，而体内注射M-CSF则可使之治愈，M-CSF可有效诱导OC的分化和生成，而不需其它因子参与［29］。MCSF可以刺激骨髓干细胞向单核-巨噬细胞系分化，促进OC前体细胞分化为成熟的OC，提供OC存活、增殖信号并激活相应信号通路，使成熟的OC执行骨吸收功能。此外，M-CSF还可以抑制成熟OC的凋亡，是OC存活所必需的因子之一［30］。

5.2 SHP-2调节OC的形成 PTPs参与调节OC的酪氨酸磷酸化过程，对于OC的增殖和功能至关重要［31］。SHP-2作为PTPs的一员，参与了OC的分化过程，是破骨细胞形成中的关键因子，在体内骨代谢中发挥着重要作用［6］。

敲除SHP-2基因后的小鼠于妊娠期间死亡，因此需要使用条件缺失模型来研究SHP-2在体内的作用。Bauler等［6］学者发现，SHP-2基因缺失的成年小鼠产生了严重的骨骼畸形，发生影响全部骨骼系统的骨硬化症，软骨结构显著改变，骨小梁显著增加，OC几乎完全缺失。Bauler等［6］实验证实，来自骨髓前体细胞、由M-CSF和RANKL引起的OC分化严重受损。SHP-2缺失小鼠发生骨硬化症的一个主要原因是破骨前体细胞分化障碍导致OC无法形成，另一个可能原因在于成骨细胞活动的增强。

小鼠体内缺失SHP-2后，M-CSF促进破骨前体细胞分化的途径无法实现，导致OC分化和形成障碍;但破骨前体细胞内的RANKL信号是否受损尚待进一步研究。对SHP-2基因缺失小鼠骨髓细胞进行体外培养，其分化为OC的能力明显降低，蛋白激酶B(Akt)在受到M-CSF的刺激后未被正常激活。而M-CSF引起的Akt激活为巨噬细胞分化为OC提供必要的信号支持［32-33］。在M-CSF信号转导过程中，SHP-2可直接或间接调控Ras蛋白而促进Akt的激活，从而促进OC的形成。这些发现表明SHP-2是OC形成的关键因子，在成人骨骼生长和重塑中是至关重要的。

Lapinski等［34］学者近期发现将间充质干细胞系中的SHP-2特异性敲除后，小鼠表现为出生后的生长迟滞，包括躯干及胸廓畸形，颅骨发育障碍，具体表现为成熟成骨细胞的缺失以及大量软骨发育不良，丝裂原活化蛋白激酶和Akt的激活障碍导致了上述骨骼畸形的发生。该发现与Bauler等［6］人的发现有所不同，其原因可能在于:在成年的SHP-2缺失大鼠体内，OC缺失对骨骼发育的影响显著大于成骨细胞分化障碍对其的影响。Kim等［35］学者同样发现SHP-2缺陷小鼠发生了严重的脊柱侧突畸形，证实SHP-2在软骨细胞分化及脊柱正常发育中发挥着重要作用。Kaneshiro等［36］观察到IL-6负向调节成骨细胞的分化是通过SHP2/MEK2以及SHP2/Akt2信号通路进行的，提示SHP-2不仅调节OC的分化，而且在成骨细胞分化中起到一定的作用。

6 展 望

目前研究显示，SHP-2在细胞的生长分化以及肿瘤细胞的增殖、黏附中起着至关重要的作用。SHP-2是OC分化和形成中的重要因子，而OC的调节非常复杂，蛋白酪氨酸的磷酸化过程涉及多个信号的传导通路，其相关分子机制所知甚少;同时SHP-2对成骨细胞的分化也起到一定作用，但其作用尚未探明。可以预见，SHP-2调控骨代谢的机制研究将是今后的研究热点，因此需要进一步探索SHP-2调节细胞生长分化的作用，以期更好地指导临床实践。

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