Semaphorin3A抗骨质疏松作用靶点的研究进展

郭蓓，李法琦

骨骼在人体中是一个富有活力的器官，其反复进行着破骨细胞破坏及重吸收旧骨的过程，并利用成骨细胞的作用形成新的骨质，在生理过程中需要依赖不同的生理激素、细胞因子、趋化因子及外在生物力学的共同刺激而完成［1-2］，这样一种网络精细调节下共同完成的过程被称为骨重塑 (bone remodeling)，其是骨稳态调节中维持骨质量和力度的必要条件［2］。不管是人类还是动物，骨吸收和骨再生的平衡一旦失稳，将会不同程度的导致各种代谢性骨疾病。例如，破骨细胞过度的骨质吸收会导致病理性的骨破损，多见于骨质疏松、类风湿关节炎、骨肿瘤［1，3-4］，因此骨的重构必须在时间上和空间上进行精细准确的调节，以便老化和破坏的骨质可以被等质的新骨所替代［1，5-6］。然而就局部细胞水平的调节机制而言，成骨细胞和破骨细胞在神经系统的调节支配作用下组成一个基本的多细胞结构单元 (basic multicellular unit，BMU)，而骨重塑的过程就是通过该单元中细胞之间的相互作用而进行调节［7］。

目前抗骨质疏松药物治疗的作用机制主要分为两大类，即抗骨吸收和促进骨形成。而临床应用广泛的双膦酸盐类、雌激素及选择性雌激素受体调节剂、降钙素均属于前者，仅甲状旁腺激素及其类似物和具有双向调节作用的锶盐具有促进骨吸收的作用。目前关于骨质疏松的治疗都有一个共同点，其不能把骨质衰变和骨质再生这两个过程完全分离，即在同一时间促进或者抑制两个过程的发生［8］，尽管针对每个过程的作用强度不同。

最近 Hayashi 等［9］发 现 了 蛋 白Semaphorin3A，在减少骨吸收、破坏的同时也促进新骨的再生。在细胞水平调节层面，Semaphorin3A对破骨细胞和成骨细胞进行双向调节，将骨质破坏和新骨再生这两个生理过程相互独立，从而产生了新一类的双向作用于骨质疏松的治疗方法。本文总结了关于Semaphorin3A在骨代谢调节作用中的相关分子机制，对此进行综述。

1 Semaphorin3A及其受体

Semaphorins是一系列由分泌型和细胞膜耦联型蛋白组成的家族，其最初发现是在神经系统的发育形成过程中，是一种神经轴突导向因子的原型［10］。其中Semaphorin3A是一种分泌型蛋白，既往的研究显示，Semaphorin3A参与了多种生理及病理代谢过程，比如免疫应答、心血管系统的合成以及肿瘤的形成［11-12］，然而最特别的，越来越多的研究表明Semaphorin3A蛋白也参与了骨稳态和骨代谢紊乱病理过程的调节［9，13-14］。

神经丛蛋白 (Plexins)和神经纤毛蛋白 (Neuropilins)是Semaphorins重要的受体［15-17］。大部分细胞膜耦联型Semaphorins蛋白通过直接与Plexins相结合而发挥其受体的作用，然而Semaphorins的调节作用还需要依赖Neuropilins的耦合形成复合受体才得以完成［12］。Behar 等［18］研究中已提出缺乏Semaphorin3A的小鼠中会呈现一种骨结构异常的表型，特别以骨质减少为主要表现，如椎体的塌陷融合、肋胸关节间的不良吻合等。Semaphorin3A的调节作用需要建立在与Neuropilin-1、Plexin-A1相互结合成复合体的基础之上［12，19］。除此之外，对于敲入突变Neuropilin-1的小鼠(即缺乏结合Semaphorin3A的能力)，同缺乏Semaphorin3A的小鼠一样可以呈现类似的表型，这些研究都充分说明了Neuropilin-1是存在于骨骼细胞中的一种可以结合Semaphorin3A的功能性受体［9］。

2 Semaphorin3A对破骨细胞合成、分化、迁移的抑制调节作用

破骨细胞起源于造血干细胞的单核细胞/巨噬细胞系［20］。核因子 κB受体活化因子配体 (RANKL)、核因子κB受体活化因子 (RANK)、骨保护素 (OPG)的发现对理解骨破坏、吸收的分子机制提供了巨大的理论支持，RANKL可诱导骨髓源单核细胞中破骨细胞的生成，而Semaphorin3A可抑制RANKL的活性，从而抑制破骨细胞的合成［8］。部分研究表明，OPG也是一种由成骨细胞分泌的重要的破骨细胞合成代谢的抑制剂，在OPG缺乏的小鼠颅骨细胞中，Semaphorin3A作为一种条件性的媒介可以阻断破骨细胞的形成［21］。

最近的研究表明，Takegahara等［14］发现Plexin-A1与髓细胞-2表达触发受体 (TREM2)和DNAX激活蛋白12片段(DAP12)相互结合形成一种Plexin-A1-TREM2-DAP12复合物，该复合物可以通过激活ITAM信号途径来促进破骨细胞的分化。在Semaphorin3A的存在下则通过与Neuropilin-1相结合而破坏Plexin-A1与TREM2-DAP12之间的相互联系来抑制ITAM信号途径的激活，从而影响RANK诱导下的破骨细胞的分化［9］。当Semaphorin3A缺乏时，RANK信号使Neuropilin-1快速下调，从而Plexin-A1大量释放而促进破骨细胞分化［9］，增加骨质的破坏、吸收，因此以上机制都充分证明了Semaphorin3A通过使单核细胞处于“待命”状态来抑制破骨细胞的分化，并以此支持骨形成。除此之外，Semaphorin3A与Neuropilin-1结合可以通过抑制三磷酸鸟苷结合蛋白 (RhoA)的激活来阻碍破骨细胞前体细胞的迁移［9］。由此可证实 Semaphorin3A在细胞调节水平通过抑制破骨细胞的合成、分化及迁移，从而减缓旧骨被破坏吸收的速度。

3 Semaphorin3A对成骨细胞分化的促进调节作用

成骨细胞起源于间叶干细胞，这些干细胞可以分化成为软骨细胞、脂肪细胞以及肌原细胞，其在骨基质的合成代谢中都起到了十分重要的作用［22-23］。对于缺乏Semaphorin3A和Neuropilin-1突变的小鼠除了会呈现一种骨质破坏的表型，也会表现出骨合成调节因子和成骨细胞数量的减少;与体内实验相一致的研究也表明，来自于缺乏Semaphorin3A小鼠的成骨细胞存在分化的缺陷，同时伴随着成骨细胞标志物表达的减少，如Runx基因转录因子2(Runx2)和骨含伽马羧酸蛋白(Bglap)［9］。β连环蛋白信号途径是间叶前体细胞向成骨细胞或脂肪细胞分化的经典途径，控制骨的质量变化［22］。同时，Semaphorin3A和Neuropilin-1的结合可以通过作用于FARP2来激活Rac1，Rac1随之而来又可以推进Wnt3a诱导下的β连环蛋白在细胞核内的聚集，从而促进成骨细胞的分化［9］。对于 Semaphorin3A基因敲除的成骨细胞，其分化速度显著被抑制，而重新给予结合性的Semaphorin3A治疗就会重新修复分化缺陷［24］，这些研究都强烈证明了Semaphorin3A以一种自分泌的方式作为成骨细胞分化的积极调节者，从而促进成骨细胞的合成分化，增加新骨合成的速度。

4 应用前景

大量的实验已经证实，摘除卵巢的小鼠模型，会表现出明显的骨质丢失，而予以静脉注射Semaphorin3A治疗后小鼠的骨皮质体积和骨细胞数量迅速增长［9］，而更深一步的研究表明，对于缺乏Semaphorin3A的人源细胞，给予重组的人源Semaphorin3A治疗，同样可以表现出对破骨细胞分化代谢的抑制和成骨细胞合成代谢的促进，这样的一种机制可以把骨重塑的两个过程完全独立，而且不仅仅体现在骨质疏松的治疗中，针对恶性肿瘤的骨质破坏也可以发挥巨大的优势。

本文要点总结:

本文的创新之处在于抛开宏观调控的束缚，从细胞微观调节水平挖掘Semaphorin3A的作用，分别从其在抑制破骨细胞分化合成过程和促进成骨细胞分化过程中的分子调节机制阐述其对骨代谢平衡的调节，更加明确了Semaphorin3A可以将骨重塑的两个过程完全独立，并且已在动物实验阶段取得可观的成效，为后期的人体试验研究及新药的开发奠定基础。

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