雌激素对成骨细胞作用机制的研究进展

周立新，宋 倩（综述），薛 鹏，李玉坤（审校）（河北医科大学第三医院内分泌二科，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051）

·综述·

雌激素对成骨细胞作用机制的研究进展

周立新，宋 倩（综述），薛 鹏，李玉坤*（审校）
（河北医科大学第三医院内分泌二科，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051）

雌激素类;成骨细胞;综述文献

骨质疏松症是一种全身性的骨代谢障碍性疾病，是以骨量减少、骨微结构退化、骨脆性增加及易发生骨折为特征的全身性疾病。骨质疏松症的发生与破骨细胞的骨吸收与成骨细胞的骨形成之间动态平衡的破坏密切相关。雌激素水平下降与骨质疏松发生发展关系密切。激素替代治疗是绝经后骨质疏松的重要治疗方案，以往认为雌激素的主要骨保护作用是抑制破骨细胞的骨吸收，但雌激素对成骨细胞骨形成的作用日趋明了。此外，雌激素对成骨细胞骨形成作用的详细机制尚未明确，现就雌激素对成骨细胞的作用及机制研究进展综述如下。

1 成骨细胞的增殖、分化、成熟与凋亡

具有多向分化潜能的间充质干细胞在体内某些调控因素的作用下可以分化为成骨细胞。成骨细胞的发育大致分为增殖期、基质成熟期、基质矿化期和细胞凋亡期4个阶段。很多因素调节这几个阶段，从而最终影响骨形成。间充质干细胞在向成骨细胞分化过程中的不同阶段会陆续表达各种特征性标志蛋白，如碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和Ⅰ型胶原（collagenⅠ，ColⅠ）在成骨细胞分化早期表达高，发生矿化后有所降低；骨桥蛋白（osteopontin，OPN）是最早合成的基质蛋白，随后是骨涎蛋白（bone sialoprotein，BSP），最后骨钙素（bone gla protein，BGP）和细胞外基质钙化同时出现。正因为上述这些基质蛋白的协同作用，才保证了细胞外基质的正常成熟。最终一部分成骨细胞被埋于其自身分泌的骨基质中转变为骨细胞，一部分转变为静止的骨衬细胞，其余的则凋亡。

2 雌激素促进成骨细胞的分化、增殖、成熟

1988年Komm等[1]证明了成骨细胞中有雌激素受体（estrogen receptors，ERs）存在，揭示了成骨细胞是雌激素发挥作用的靶细胞。Zhao等[2]制作了骨髓间充质干细胞体外分化模型，发现在成骨细胞分化培养基中加入10-7mol/L 17-β雌二醇后，各个时点细胞形态呈骨细胞改变（可见骨小梁与细胞结节），ALP活性及钙盐沉积面积较未加入雌激素的成骨细胞分化培养基明显上升，加入ERs抑制剂ICI182、780或PI3K抑制剂LY294002后，ALP活性及钙盐沉积面积降低，且骨小梁与细胞结节不可见。提示雌激素具有促进成骨细胞分化、增殖与成熟，且主要通过ERs机制。另外，人们发现雌激素通过调节一些重要的信号作用通路[如骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）/Smads信号通路，胰岛素样生长因子（insulin like growth factor，IGF）/胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）/PI3K/Akt信号通路和Wnt信号通路等]，调节成骨细胞的增殖、分化与成熟。

2.1 ERs机制

2.1.1 不同ERs亚型对成骨细胞的影响:雌激素是一种类固醇激素，主要通过2个经典的ERs，即ERα和ERβ发挥作用，目前ERs亚型对成骨细胞的具体调控机制尚有争论。为了研究ERs对骨髓间充质干细胞分化的调节作用，Chen等[3]收集绝经后妇女的髂骨骨髓间充质干细胞进行体外原代培养，比较雌激素处理组与对照组ALP、BGP、白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）、ERα和ERβ mRNA的表达。发现与对照组相比，雌激素处理组ALP和ERα mRNA的表达明显增加，BGP与IL-6 mRNA的表达明显降低，而2组中ERβ mRNA的表达差异无统计学意义。ALP为成骨细胞分化早期的标志酶，雌激素处理组ALP表达增加说明雌激素能够促进间充质干细胞的成骨分化，且主要通过ERα起作用而非ERβ受体。Wang等[4]在研究雌激素类似物对成骨细胞作用的研究中，使用小干扰RNA技术，证明雌激素类似物对成骨细胞的增殖和生长受ERα和ERβ的调控，而成骨细胞的分化主要由ERα调节。制作成骨细胞上特定的α或β受体基因敲除的模型能够提供有价值的信息来确定ERα或ERβ在成骨细胞上发挥的作用，模型的制作有待进一步研究[5]。

2.1.2 ERs介导的2条途径:雌激素以ERs依赖方式发挥作用有2种途径——经典和非经典信号途径。经典的信号途径为ERs与配体结合后，形成ERα/β同源或异源二聚体，进入细胞核，与雌激素反应元件（estrogen response element，ERE）结合或通过其他转录因子与靶基因的启动子相互作用来调节基因转录活性；非经典的信号途径又称为非基因途径或快速反应，通过ERs激活细胞外信号调节激酶发挥生物学作用。Rudnik等[6]用雌激素处理表达ERα/NERKI（防止ERα与DNA结合）和野生型ERα的U2OS细胞，野生型ERα的ALP、BGP和IGF mRNA水平上升，而ERα/NERKI的稳定表达却降低了ALP、BGP和IGF mRNA水平，因此认为在调节成骨细胞分化、增殖的生物活性上，雌激素与DNA ERE结合发挥着重要作用。然而，Almeida等[7]发现在ERα/NERKI小鼠和野生型ERα小鼠中成骨细胞分化与数量差异无统计学意义；另外，无论ERα/NERKI还是野生型ERα小鼠，17-β雌二醇减弱骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）诱导的成骨细胞分化，是ERα受体介导的ERKs的激活和蛋白连接区域Smad1的磷酸化而导致蛋白酶体的降解，因此雌激素对氧化应激和成骨细胞的增殖和凋亡的作用不是通过ERα与DNA连接，而是通过激活胞质激酶发挥作用的。除了上述基因途径，非基因途径在调节雌激素对成骨细胞的影响时同样发挥着重要作用[8]，越来越受到人们的重视。Almeida等[7]发现雌激素以ERs依赖方式促进成骨细胞的分化，且不能透过膜的雌激素也能增强成骨细胞的分化，认为雌激素可能以非基因途径调节成骨细胞的分化。为了进一步了解2种途径在促进成骨分化时的不同作用，Syed等[9]制作了相同遗传背景（C57BL/6）的野生型（ERα+/+）、ERα基因敲除型（ERα-/-）和敲入ERα突变基因型（ERα/NERKI）的小鼠模型，进而研究在雌激素治疗的影响下3组小鼠骨髓间充质细胞体外培养基中成骨细胞与脂肪细胞的数量，发现雌激素治疗显著提高了ERα+/+小鼠成骨细胞数量，对ERα-/-或ERα/NERKI小鼠成骨细胞的数量没有影响；然而，雌激素治疗下ERα+/+和ERα/NERKI小鼠脂肪细胞的数目减少，而ERα-/-小鼠脂肪细胞数量没有明显变化。因此，认为雌激素促进间充质干细胞成骨分化是通过经典的ERs-ERE途径，而抑制成脂分化却可以通过非经典的途径。成骨细胞上ERs的2种途径呈现动态平衡，2种途径发挥作用的具体的分子机制及优势途径有待进一步研究。

2.2 信号通路:雌激素对成骨细胞的调节是一个复杂的过程，除ERs途径，也可通过对 BMP/Smads、IGF/IRS/PI3K/Akt以及Wnt信号通路的调节来影响成骨细胞的分化和发育。

2.2.1 BMP/Smads信号通路:转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族是调节成骨细胞增殖和分化的1组细胞因子的组合，包括TGF-β、骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins,BMPs）、生长分化因子（growth differentiation factors，GDFs）和活化素等。BMPs是一种广泛存在于骨基质中的酸性糖蛋白，是TGF-β超家族中最大的一族，目前已有20余种成员，是较强的成骨因子，可刺激间充质骨祖细胞分化为成熟的成骨细胞。目前研究[10]发现，BMP/Smads/ Runt相关转录因子2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）/Osterix信号通路是骨组织形成过程中间充质干细胞分化为成骨细胞及骨细胞外基质合成、分泌所必需的。雌激素预处理成骨分化培养基能显著增加Smad1/5/8的磷酸化，促进Runx2、Osterix的表达。Runx2是新发现的调控间充质干细胞向成骨细胞分化的特异性转录因子，能在非成骨细胞或成骨前体细胞上调成骨细胞分化相关基因的表达。Osterix是成骨细胞特异性转录因子，定位于细胞核内，调控许多重要的成骨细胞晚期表型和功能蛋白表达，如ColⅠ、OPN、BSP和BGP等，并合成基质，发生矿化反应，是成骨细胞分化和骨矿化过程中所必需的基因[11]。Kumar等[12]在罗格列酮诱导的ST2细胞（小鼠骨髓来源的间充质干细胞）的成脂分化培养基中加入雌二醇，雌二醇能显著增加TGFβ表达，显著抑制脂肪细胞的形成，诱导ALP、OPN和Runx2的表达。雌二醇促进成骨、抑制成脂的作用，可能与抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ基因有关。

2.2.2 IGF/IRS/PI3K/Akt:IGF是胰岛素作用途径中的重要因子，主要包括IGF1和IGF2。有实验[13]证明去卵巢大鼠较假手术组IGF1表达减少。因此可以推测，雌激素可能通过调节IGF1来调节骨代谢。IGF1是调节成骨细胞增殖和功能的旁分泌和自主分泌因子，是包括成骨细胞在内多种细胞的促有丝分裂剂，与骨代谢密切相关。在骨形成过程中IGF1可与成骨细胞上的IGF受体结合，促进ColⅠ合成，同时作用于破骨细胞抑制胶原酶合成，还可在骨原细胞和骨基质间起酸化作用，有利于骨矿化。国内有研究[14]发现雌激素对成骨细胞中IGF2基因的表达具有正性调控作用，认为成骨细胞中IGF2的高表达可能与雌激素调节成骨细胞增殖和分泌功能相关。IRS是胰岛素信号传递的重要介质，IRS1和IRS2在胰岛素信号通路中的作用尤为重要，近期研究发现其对骨代谢起重要调控作用。在成骨细胞上存在IRS1和IRS2，IRS1既促进骨形成也促进骨吸收，是维持骨代谢转换的重要信号因子，而 IRS2主要与骨形成有关。体内外实验[15]均证实雌二醇增加成骨细胞上IRS2 mRNA表达，并促进 IRS2的磷酸化，发挥促进骨形成的作用。有实验[16]证实，在雌激素α受体的协同作用下，成骨细胞上IGF1受体激活，IGF1与成骨细胞表面的IGF1受体结合，在受体酪氨酸激酶及底物蛋白IRS的作用下，激活细胞内的信号分子PI3K，PI3K活化后将PIP2磷酸化为PIP3，进而进一步激活Akt，Akt活化后调控下游信号分子的基因转录水平，可增加β连环蛋白（β-catenin）的表达，进而促进成骨细胞的分化和增殖，影响骨形成。

2.2.3 Wnt信号通路:Wnt 信号通路是骨代谢研究的新热点[17]。有实验[18]表明，抑制Wnt信号通路可使成骨细胞分化受阻，而诱导Wnt信号通路组分表达可加快成骨细胞分化。Wnt信号通路包括3条细胞内信号转导通路，即 Wnt/β-catenin信号转导通路，Wnt/Ca2+信号转导通路和Wnt/平面细胞极性（planar cell polarity，PCP）信号转导通路，其中以Wnt/β-catenin转导通路最为经典。Wnt/β-catenin信号转导通路主要由2个Wnt信号拮抗剂，即硬化蛋白（sclerostin，SOST）和Dickkopf相关蛋白1（Dickkopf related protein 1,Dkk1）调节。雌激素通过抑制SOST和Dkk1的表达来诱导Wnt信号通路，发挥促进骨形成的作用[19]。也有观点[20]认为血液中SOST水平下降通过抑制骨吸收发挥骨保护作用，与骨形成无明显相关性。

3 雌激素抑制成骨细胞凋亡

成骨细胞的增殖与凋亡对维持骨代谢平衡起重要作用，雌激素对成骨细胞表现为抗凋亡作用。成骨细胞的凋亡可能与Bcl-2相关蛋白（Bcl-2 associated X protein,Bax）/B细胞淋巴瘤基因2（B cell lymphoma 2,Bcl2）比值有关。Bcl2蛋白有抗凋亡作用，Bax作用相反。Kousteni等[21]证实，雌激素抗成骨细胞凋亡的作用是通过ERs介导的非基因组途径实现的。有研究[22]证实，雌激素在血清剥夺情况下通过与其受体结合激活丝裂原活化蛋白激酶，继而激活Src/Shc/ERK信号通路，促进自噬相关蛋白（LC3，ULK1和Beclin1）的表达，抑制Cas3蛋白（1种凋亡蛋白）的表达及降低Bax/Bcl2比值，抑制抑制成骨细胞凋亡。雌激素抑制成骨细胞凋亡的作用可能与促进成骨细胞自噬能力相关。最新有研究[23]证实，植物雌激素也可通过与ERs结合激活ERK信号通路，降低Bax/Bcl2比值抑制成骨细胞凋亡。Bradford等[24]发现雌二醇也可通过ERβ1抑制G292细胞itpr1基因的转录而抑制细胞内钙通道和关键的凋亡介质InsP3RⅠ的表达而抑制细胞凋亡。雌激素还可通过其他机制调节成骨细胞凋亡。Cooper等[25]研究发现，热休克蛋白27（heat shock protein 27，HSP 27）对细胞生存有多种影响。雌激素通过增加HSP 27的产生以减少肿瘤坏死因子α诱导成骨细胞的凋亡。

4 小 结

综上所述，雌激素主要通过抑制骨吸收发挥抗骨质疏松作用，但近来研究表明除抑制骨吸收外，雌激素还具有促进成骨的作用。雌激素促进成骨的机制较复杂，其信号转导途径是复杂的、多层面的。雌激素对成骨细胞的增殖、分化、矿化和凋亡的作用主要与ERs有关，但不全是ERs依赖方式，通过细胞因子激活的信号通路发挥作用亦是其重要作用机制。另外，ERα和ERβ在成骨的不同阶段发挥何种不同作用？ERs介导的2种途径之间有何关系？雌激素究竟是通过何种途径激活相应的信号通路？以及这些信号通路之间又是如何相互影响的？有待于进一步探讨和研究。

[1] KOMM BS,TERPENING CM,BENZ DJ,et al.Estrogen binding,receptor mRNA,and biologic response in osteoblast-like osteosarcoma cells[J].Science,1988,241（4861）:81-84.

[2] ZHAO JW,GAO ZL,MEI H,et al.Differentiation of human mesenchymal stem cells: the potential mechanism for estrogen-induced preferential osteoblast versus adipocyte differentiation[J].Am J Med Sci,2011,341（6）:460-468.

[3] CHEN FP,HU CH,WANG KC.Estrogen modulates osteogenic activity and estrogen receptor mRNA in mesenchymal stem cells of women[J].Climacteric,2013,16（1）:154-160.

[4] WANG Y,LI LZ,ZHANG YL,et al.LC,a novel estrone-rhein hybrid compound,promotes proliferation and differentiation and protects against cell death in human osteoblastic MG-63 cells[J].Mol Cell Endocrinol,2011,344（1/2）:59-68.

[5] KRUM SA.Direct transcriptional targets of sex steroid hormones in bone[J].J Cell Biochem,2011,112（2）:401-408.

[6] RUDNIK V,SANYAL A,SYED FA,et al.Loss of ERE binding activity by estrogen receptor-alpha alters basal and estrogen-stimulated bone-related gene expression by osteoblastic cells[J].J Cell Biochem,2008,103（3）:896-907.

[7] ALMEIDA M,MARTIN-MILLAN M,AMBROGINI E,et al.Estrogens attenuate oxidative stress and the differentiation and apoptosis of osteoblasts by DNA-binding-independent actions of the ERalpha[J].J Bone Miner Res,2010,25（4）:769-781.

[8] MORIARTY K,KIM KH,BENDER JR.Minireview: estrogen receptor-mediated rapid signaling[J].Endocrinology,2006,147（12）:5557-5563.

[9] SYED FA,FRASER DG,MONROE DG,et al.Distinct effects of loss of classical estrogen receptor signaling versus complete deletion of estrogen receptor alpha on bone[J].Bone,2011,49（2）:208-216.

[10] MATSUMOTO Y,OTSUKA F,TAKANO M,et al.Estrogen and glucocorticoid regulate osteoblast differentiation through the interaction of bone morphogenetic protein-2 and tumor necrosis factor-alpha in C2C12 cells[J].Mol Cell Endocrinol,2010,325（1/2）:118-127.

[11] NAKASHIMA K,DE CROMBRUGGHE B.Transcriptional mechanisms in osteoblast differentiation and bone formation[J].Trends Genet,2003,19（8）:458-466.

[12] KUMAR A,RUAN M,CLIFTON K,et al.TGF-β mediates suppression of adipogenesis by estradiol through connective tissue growth factor induction[J].Endocrinology,2012,153（1）:254-263.

[13] LI B,WANG Y,LIU Y,et al.Altered gene expression involved in insulin signaling pathway in type Ⅱ diabetic osteoporosis rats model[J].Endocrine,2013,43（1）:136-146.

[14] 赵玉岩，郭磊，都健，等.雌激素对成骨细胞增殖及IGF-2表达的调控作用[J].中国组织化学与细胞化学杂志，2008，17（4）：311-314.

[15] BU YH,PENG D,ZHOU HD,et al.Insulin receptor substrate 2 plays important roles in 17beta-estradiol-induced bone formation[J].J Endocrinol Invest,2009,32（8）:682-689.

[16] SUNTERS A,ARMSTRONG VJ,ZAMAN G,et al.Mechano-transduction in osteoblastic cells involves strain-regulated estrogen receptor alpha-mediated control of insulin-like growth factor （IGF） Ⅰ receptor sensitivity to Ambient IGF,leading to phosphatidylinositol 3-kinase/AKT-dependent Wnt/LRP5 receptor-independent activation of beta-catenin signaling[J].J Biol Chem,2010,285（12）:8743-8758.

[17] KUBOTA T,MICHIGAMI T,OZONO K.Wnt signaling in bone metabolism[J].J Bone Miner Metab,2009,27（3）:265-271.

[18] SHI YC,WORTON L,ESTEBAN L,et al.Effects of continuous activation of vitamin D and Wnt response pathways on osteoblastic proliferation and differentiation[J].Bone,2007,41（1）:87-96.

[19] ROSSINI M,GATTI D,ADAMI S.Involvement of WNT/β-catenin signaling in the treatment of osteoporosis[J].Calcif Tissue Int,2013,93（2）:121-132.

[20] MÖDDER UI,CLOWES JA,HOEY K,et al.Regulation of circulating sclerostin levels by sex steroids in women and in men[J].J Bone Miner Res,2011,26（1）:27-34.

[21] KOUSTENI S,HAN L,CHEN JR,et al.Kinase-mediated regulation of common transcription factors accounts for the bone-protective effects of sex steroids[J].J Clin Invest,2003,111（11）:1651-1664.

[22] YANG YH,CHEN K,LI B,et al.Estradiol inhibits osteoblast apoptosis via promotion of autophagy through the ER-ERK-mTOR pathway[J].Apoptosis,2013,18（11）:1363-1375.

[23] LIU LJ,LIU LQ,BO T,et al.Puerarin Suppress Apoptosis of Human Osteoblasts via ERK Signaling Pathway[J].Int J Endocrinol,2013,2013:786574.

[24] BRADFORD PG,GERACE KV,ROLAND RL,et al.Estrogen regulation of apoptosis in osteoblasts[J].Physiol Behav,2010,99（2）:181-185.

[25] COOPER LF,TIFFEE JC,GRIFFIN JP,et al.Estrogen-induced resistance to osteoblast apoptosis is associated with increased hsp27 expression[J].J Cell Physiol,2000,185（3）:401-407.

（本文编辑：赵丽洁）

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《河北医科大学学报》编辑部

2014-02-22；

2014-03-22

河北省医学适用技术跟踪项目（GL2011-43）

周立新（1986-），女，河北冀州人，河北医科大学第三医院医学硕士研究生，从事内分泌与代谢疾病诊治研究。

*通讯作者。E-mail: liyukun@medmail.com.cn

R681

A

1007-3205（2012）05-0613-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.05.044