骨质疏松与NF-κB信号通路关系的研究进展

骨质疏松与NF-κB信号通路关系的研究进展

李琦谢志坚

(浙江大学医学院附属口腔医院，浙江杭州310006)

关键词〔〕骨质疏松；NF-κB；成骨细胞；破骨细胞

中图分类号〔〕R787〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家自然科学基金资助项目(81272157)

通讯作者：谢志坚(1966-)，男，博士，主任医师，硕士生导师，主要从事口腔颌面部骨质缺损机制及其治疗的研究。

第一作者：李琦(1989-)，男，在读硕士，主要从事骨质疏松相关信号通路与种植体的研究。

核转录因子(NF-κB)是一个存在于哺乳动物细胞内的转录因子，它能对各种刺激做出快速反应，从而间接地调控与多种生理及其病理反应有关的基因表达，参与机体的炎症反应、免疫应答、细胞分化与凋亡及其他应激反应。有关研究〔1~5〕表明NF-κB信号通路的过度激活或抑制能引发多种疾病，这表明NF-κB在病理状态下发挥着十分重要的作用〔6〕。而骨质疏松(OP)已经成为严重影响老年人及绝经后妇女健康和生活质量的常见多发病，它受多种因素及基因影响，以骨量减少，骨的微观结构退化为主要特征，以骨强度减弱，骨脆性增加为主要临床表现〔7〕。OP的发生主要由成骨细胞和破骨细胞维持的骨形成和骨吸收的平衡被破坏所造成〔8〕，而多项研究〔9,10〕表明NF-κB与成骨细胞及破骨细胞有着紧密的联系，据此，我们就NF-κB信号通路和骨质疏松之间的关系展开综述。

1NF-κB信号通路

1.1NF-κB的组成转录因子NF-κB由一组五个同源和异源二聚体蛋白组成，它们分别被命名为NF-κB1(p50及其前体p105)，NF-κB2(p52及其前体p100)，p65/RelA，c-Rel和RelB。这些成员在N 端均含有一个Rel同源结构域(RHD)〔11〕，能与特异的DNA 发生结合，其中RelA、RelB和c-Rel在C 端有一个转录激活区(TAD)，p50 和p52 没有转录激活区，须依靠和其他转录因子共同作用来调节基因的转录〔12〕。

1.2NF-κB的激活途径NF-κB的激活途径可以分为经典途径和非经典途径。

经典途径的发生是由多种促炎症细胞因子或病原体相关分子模式(PAMPs)诱导，它们可与Toll样受体(TLR)〔13〕、B细胞受体(BCR)和T细胞受体(TCR)〔14〕以及白介素-1受体(IL-1R)〔15,16〕相结合，从而促进靶基因的表达〔17〕。当细胞处在静息状态时，NF-κB与其抑制蛋白IκB紧密结合，大部分IκB的C端含有3~8个锚蛋白重复基序，并通过该基序与NF-κB结合，覆盖其Rel同源结构域的核定位序列，抑制NF-κB的活性〔18〕。当细胞受外界刺激时，IκB蛋白被快速磷酸化后被蛋白酶体降解，解离的NF-κB进入细胞核后调节多种目的基因的表达〔19〕。而IκB的磷酸化是通过活化的IKK调控的，IKK有3个组成成分：IKKα(IKK1)、IKKβ (IKK2)、IKKγ。IKKγ可以选者性地与IKKβ相结合〔20〕，继而引起IKB的磷酸化，这些磷酸化的IKB被聚合泛素化，然后在蛋白酶体中被降解，释放p50/p65二聚物，二聚物转移至胞核后启动涉及细胞免疫、炎性反应及细胞的增殖、迁移、趋化、黏附等基因的表达〔21,22〕。

非经典途径的发生主要是由B细胞激活因子〔22〕、淋巴毒素β(LTβ)〔18〕、CD40配体〔23〕、CD30配体等诱导，通过激活NF-κB受体活化因子配体(RANKL)，活化NF-κB诱导激酶(NIK)，而NIK可直接磷酸化，继而激活IKKα，IKKα是调控NF-κB非经典途径的核心，IKKα可进一步活化p100，使其发生磷酸化，生成了p52/RelB核转运因子复合物，从而调节下游靶基因的表达〔24〕。近年来，随着对肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF)家族中的TRAF3研究的深入，发现NIK与TRAF3的相互作用可使前者持续分解，进而激活NF-κB非经典途径，但是NF-κB受体活化因子(RANK)与TRAF3具有较强的结合力，可与NIK竞争结合TRAF3，当TRAF3与Rank或其他细胞因子相结合后，可发生分解，其结果导致NIK的稳定化，无法发生磷酸化，进而抑制NF-κB非经典途径的激活〔25〕。

2OP

目前，OP已经成为最为常见的十种常见病之一，而OP所导致的病理性骨折的发病率已经超过了乳腺癌、脑卒中和心肌梗死的总和〔26〕，在老年人，尤其是老年妇女中，其发病率高达60%以上，并且在未来的25年，OP患病人数还将会有大幅度的增加，甚至增加一倍以上。

OP的病理性骨量减少和结构变化有以下几个形式：(1)骨骼形成发育的紊乱导致的骨量形成不足和强度减弱。(2)骨吸收的增加导致的骨量丢失和骨小梁微观结构的改变。(3)在骨改建过程中，骨吸收大于骨形成〔27〕。这些病理改变的病因有很多，包括运动、阳光照射等物理因素，钙离子、维生素摄取量等营养因素，雌激素、甲状旁腺激素等激素因素以及种族、性别和年龄等因素〔28〕。

3OP与NF-κB信号通路的关系

OP与NF-κB信号通路主要通过成骨、破骨细胞相关联，成骨细胞起源于骨髓间充质干细胞，主要负责骨基质的合成、分泌及矿化，破骨细胞来源于造血干细胞，由多核巨细胞组成，主要行使骨吸收功能。

3.1OP与成骨、破骨细胞OP的主要变化是骨量减少和骨的微观结构的变化，而这一变化产生的原因主要是在骨改建的生理过程中，骨吸收和骨形成的平衡遭到破坏。这其中，成骨细胞和破骨细胞组成的骨代谢单位(BMUs)通过自分泌和旁分泌各种细胞因子又发挥着最主要的作用〔29〕，破骨细胞在多位点、同时地发挥它的破坏和吸收作用〔30〕，而同时成骨细胞又会在这些骨吸收区形成新的骨组织。它不仅体现了个骨量的丢失和骨再生的能力、骨基质的更新能力，还体现了整个骨组织的适应能力。OP通过多种信号通路，调节成骨、破骨细胞的黏附、增殖、分化及凋亡能力，从而打破机体的骨改建平衡，造成骨量的流失，导致病理性骨折的发生。

3.2NF-κB信号通路与成、破骨细胞

3.2.1NF-κB信号通路与成骨细胞早期的研究中已经发现在敲除掉p50/p52基因的小鼠中，无法形成破骨细胞，且成骨细胞的数量增多〔31〕。随后又在多发面发现了NF-κB与成骨细胞之间的关联。Chang等〔10〕又发现在IKK显性基因沉默的转基因小鼠体内，成骨细胞活性的提高，骨密度和骨体积都有显著增加，除此之外，当NF-κB p65 高表达时，多个成骨因子的表达及细胞外基质的矿化也受到了明显地抑制。在成骨细胞的表面，存在雌激素受体(ER)、细胞因子的受体〔32〕,这些因子能促进成骨细胞中NF-κB 活化〔33〕，而雌激素与雌激素受体结合，能抑制这些细胞因子的释放，从而能抑制NF-κB 的表达，使其活性能够稳定在一个正常的水平，进而有利于成骨细胞的增殖分化〔34〕，但在OP模式动物中，由于缺少足够的雌激素及其受体，使NF-κB异常活化，从而抑制了成骨细胞的增殖和分化〔33〕。

3.2.2NF-κB信号通路与破骨细胞已有研究〔35〕证实NF-κB在破骨细胞的生长和成熟过程中起着十分重要的作用，而NF-κB的5个二聚体蛋白均起着不同的作用。通过单基因敲除NF-κB1或NF-κB2小鼠模式动物发现，破骨前体细胞能正常分化成破骨细胞，相反，发现其IL-1的表达有所增加，从而促进了破骨细胞的形成〔36〕。但是在双基因敲除NF-ΚB1和NF-κB2的小鼠模型中发现，其破骨前体细胞无法继续分化成破骨细胞，且一些与破骨分化相关的因子：TRAP、降钙素受体等的表达也受到了抑制。这都表明NF-κB1或NF-κB2通过调节细胞的分化来影响破骨细胞。在C-Rel基因敲除的小鼠动物模型中发现其各种炎症因子表达及骨磨损均有不同程度的减弱。在RelB基因敲除的小鼠中发现，其破骨细胞的形成受到了阻碍，且对RANKL诱导无应答〔37〕，而在RANKL诱导破骨前体细胞形成破骨细胞的早期发现RelA的表达有极速且短暂的增加，推测RelA在破骨细胞形成的早期发挥着一定的作用〔38〕。

4总结

OP的控制与治疗被越来越多的医生和研究者所重视，由于其发病机制的研究并不完全，临床现有的治疗方法相对局限，并且都具有一定的副作用。例如作为预防治疗绝经后妇女OP的一线药物的雌激素替代药物，在抑制骨吸收的同时，长期服用可增加子宫癌的风险〔39〕；双膦酸盐是迄今为止最有效的骨吸收抑制剂之一，可干扰破骨细胞的活性和存活能力，进而抑制骨吸收和骨转化，平衡骨代谢〔40〕，但是近年来，大样本量的临床研究发现，此类药物会提高颌骨骨髓炎的发病率；维生素D可通过加速成骨细胞基因合成，促进骨的矿化，但是需要配合足量钙的摄入，同时其作用效果相对较为局限。

NF-κB信号通路是OP发病机制中的重要组成部分，同时，从基因层面提出了一种新的OP治疗方案及相关治疗靶点，对于临床上OP的基因治疗和新药研发有积极的促进作用。

5参考文献

1Brand K,Page S,Rogler G,etal.Activated transcription factor nuclear factor-kappa B is present in the atherosclerotic lesion〔J〕.J Clin Invest,1996;97(7):1715-22.

2Dijkstra G,Moshage H,Jansen PLM.Blockade of NF-kappa B activation and donation of nitric oxide: New treatment options in inflammatory bowel disease〔J〕.Scandinavian Journal of Gastroenterology,2002;37:37-41.

3Akama KT,Van Eldik LJ.Beta-amyloid stimulation of inducible nitric-oxide synthase in astrocytes is interleukin-1 beta- and tumor necrosis factor-alpha (TNF alpha)-dependent,and involves a TNF alpha receptor-associated factor- and NF kappa B-inducing kinase-dependent signaling mechanism〔J〕.J Biol Chem,2000;275(11):7918-24.

4Garg A,Aggarwal BB.Nuclear transcription factor-kappa B as a target for cancer drug development〔J〕.Leukemia,2002;16(6):1053-68.

5Ben-Neriah Y,Karin M.Inflammation meets cancer,with NF-kappaB as the matchmaker〔J〕.Nat Immunol,2011;12(8):715-23.

6Vallabhapurapu S,Karin M.Regulation and function of NF-kappa B transcription factors in the immune system〔J〕. Annu Rev Immunol,2009;27:693-733.

7Beil FT,Seitz S,Priemel M,etal.Pathophysiology and Pathomorphology of osteoporosis〔J〕.Eur J Trauma Emerg Surg,2008;34(6):527-34.

8Zhao QX,Shao JZ,Chen W,etal.Osteoclast differentiation and gene regulation〔J〕.Frontiers in Bioscience-Landmark,2007;12:2519-29.

9Andela VB,Sheu TJ,Puzas EJ,etal.Malignant reversion of a human osteosarcoma cell line,Saos-2,by inhibition of NFkappaB〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2002;297(2):237-41.

10Chang J,Wang Z,Tang E,etal.Inhibition of osteoblastic bone formation by nuclear factor-kappaB〔J〕.Nat Med,2009;15(6):682-9.

11Kaileh M,Sen R.Role of NF-kappaB in the anti-inflammatory effects of tocotrienols〔J〕.J Am Coll Nutr,2010;29(3 Suppl):334S-39S.

12Hayden MS,Ghosh S.Shared principles in NF-kappaB signaling〔J〕.Cell,2008;132(3):344-62.

13O'Neill LAJ.How Toll-like receptors signal: what we know and what we don't know〔J〕?Curr Opin Immunol,2006;18(1):3-9.

14Qiu LQ,Cresswell P,Chin KC.Viperin is required for optimal Th2 responses and T-cell receptor-mediated activation of NF-kappaB and AP-1〔J〕.Blood,2009;113(15):3520-9.

15Brasier AR.The nuclear factor-kappaB-interleukin-6 signalling pathway mediating vascular inflammation〔J〕.Cardiovasc Res,2010;86(2):211-8.

16Lawrence T,Fong C.The resolution of inflammation: anti-inflammatory roles for NF-kappaB〔J〕.Int J Biochem Cell Biol,2010;42(4):519-23.

17Dixit V,Mak TW.NF-kappaB signaling.Many roads lead to madrid〔J〕.Cell,2002;111(5):615-9.

18Simmonds RE,Foxwell BM.Signalling,inflammation and arthritis: NF-kappaB and its relevance to arthritis and inflammation〔J〕.Rheumatology (Oxford),2008;47(5):584-90.

19Vallabhapurapu S,Karin M.Regulation and function of NF-kappaB transcription factors in the immune system〔J〕.Annu Rev Immunol,2009;27:693-733.

20Espinosa L,Bigas A,Mulero MC.Alternative nuclear functions for NF-kappaB family members〔J〕.Am J Cancer Res,2011;1(4):446-59.

21Shibata W,Maeda S,Hikiba Y,etal.Cutting edge: The IkappaB kinase (IKK)inhibitor,NEMO-binding domain peptide,blocks inflammatory injury in murine colitis〔J〕.J Immunol,2007;179(5):2681-5.

22Bonizzi G,Karin M.The two NF-kappaB activation pathways and their role in innate and adaptive immunity〔J〕.Trends Immunol,2004;25(6):280-8.

23Hayden MS,Ghosh S.Signaling to NF-kappaB〔J〕.Genes Dev,2004;18(18):2195-224.

24Shifera AS.The zinc finger domain of IKKgamma (NEMO)protein in health and disease〔J〕.J Cell Mol Med,2010;14(10):2404-14.

25Novack DV.Role of NF-kappaB in the skeleton〔J〕.Cell Res,2011;21(1):169-82.

26Jaglal SB,Hawker G,Cameron C,etal.The Ontario Osteoporosis Strategy: implementation of a population-based osteoporosis action plan in Canada〔J〕.Osteoporos Int,2010;21(6):903-8.

27Priemel M,Munch C,Beil FT,etal.Pathophysiology and pathomorphology of osteoporosis〔J〕.Radiologe,2006;46(10):831-8.

28Thomsen JS,Ebbesen EN,Mosekilde L.Relationships between static histomorphometry and bone strength measurements in human iliac crest bone biopsies〔J〕.Bone,1998;22(2):153-63.

29Rodan GA,Martin TJ.Role of osteoblasts in hormonal control of bone resorption-a hypothesis〔J〕.Calcif Tissue Int,1981;33(4):349-51.

30Teitelbaum SL.Bone resorption by osteoclasts〔J〕.Science,2000;289(5484):1504-8.

31Xing L,Bushnell TP,Carlson L,etal.NF-kappaB p50 and p52 expression is not required for RANK-expressing osteoclast progenitor formation but is essential for RANK- and cytokine-mediated osteoclastogenesis〔J〕.J Bone Miner Res,2002;17(7):1200-10.

32Rosen CJ,Kessenich CR.The pathophysiology and treatment of postmenopausal osteoporosis.An evidence-based approach to estrogen replacement therapy〔J〕.Endocrinol Metab Clin North Am,1997;26(2):295-311.

33Jimi E,Aoki K,Saito H,etal.Selective inhibition of NF-kappa B blocks osteoclastogenesis and prevents inflammatory bone destruction in vivo〔J〕.Nat Med,2004;10(6):617-24.

34Yamaguchi M,Weitzmann MN.The estrogen 17beta-estradiol and phytoestrogen genistein mediate differential effects on osteoblastic NF-kappaB activity〔J〕.Int J Mol Med,2009;23(2):297-301.

35Miyazaki T,Katagiri H,Kanegae Y,etal.Reciprocal role of ERK and NF-kappaB pathways in survival and activation of osteoclasts〔J〕.J Cell Biol,2000;148(2):333-42.

36Xing L,Carlson L,Story B,etal.Expression of either NF-kappaB p50 or p52 in osteoclast precursors is required for IL-1-induced bone resorption〔J〕.J Bone Miner Res,2003;18(2):260-9.

37Vaira S,Johnson T,Hirbe AC,etal.RelB is the NF-kappaB subunit downstream of NIK responsible for osteoclast differentiation〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2008;105(10):3897-902.

38Asagiri M,Sato K,Usami T,etal.Autoamplification of NFATc1 expression determines its essential role in bone homeostasis〔J〕.J Exp Med,2005;202(9):1261-9.

39Rodan GA,Martin TJ.Therapeutic approaches to bone diseases〔J〕.Science,2000;289(5484):1508-14.

40Moinzadeh AT,Shemesh H,Neirynck NA,etal.Bisphosphonates and their clinical implications in endodontic therapy〔J〕.Int Endod J,2013;46(5):391-8.

〔2014-03-26修回〕

(编辑滕欣航)