皮肤桥蛋白与骨形成的研究进展

王效杰

(沈阳医学院基础医学院人体解剖学教研室，辽宁沈阳110034)



皮肤桥蛋白与骨形成的研究进展

王效杰

(沈阳医学院基础医学院人体解剖学教研室，辽宁沈阳110034)

摘要皮肤桥蛋白(dermatopontin,DPT)是富有酪氨酸残基的酸性蛋白,是一种重要的细胞外基质蛋白。研究发现DPT可以通过多种途径影响骨的形成，并且在骨组织的损伤修复过程中起重要作用。目前已经有研究表明DPT可以与维生素D受体、Ⅰ型胶原蛋白、转化生长因子等分子的相互作用调控骨组织的发生与发展。因此，研究DPT与骨组织的关系，对组织工程学的发展至关重要。本文综述了DPT对骨组织发生、发展过程中关键分子蛋白的影响，进而揭示其存在的潜在机制。

关键词皮肤桥蛋白；维生素D受体；Ⅰ型胶原蛋白；骨形成

皮肤桥蛋白(dermatopontin，DPT)作为细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中的非胶原蛋白，分子量为22 kDa，最初是在提纯牛皮肤的核心蛋白多糖实验中被发现的[1]。DPT是富含酪氨酸残基的酸性蛋白，并被证实其中约一半的酪氨酸残基被硫酸化。这种硫酸化的酪氨酸，在ECM蛋白间的相互作用中至关重要[2]。DPT在ECM非胶原蛋白中所占比例非常高，然而DPT的功能至今尚未完全阐明。研究发现DPT在上皮细胞中作为多功能黏附分子存在[3-4]；DPT在一些肿瘤中的表达量下调[2,5]；DPT在维持皮肤弹性和胶原蛋白聚集中起重要作用[6]。

骨组织拥有矿化的ECM，与组织相连接，为身体提供支撑并且影响钙离子与磷酸盐的代谢。成骨细胞在成骨过程中分泌ECM，随后形成羟基磷灰石晶体参与成骨。同时大型多核破骨细胞在骨吸收中发挥积极作用。骨形成与骨吸收，即骨代谢，这一过程受局部与全身因素的调节[7]。越来越多的证据表明：在人体的生长、衰老与病变的过程中骨组织与体内其他器官存在着一定的相互作用：成骨细胞分泌羧基化的骨钙素可以促进胰岛β细胞分泌胰岛素进而调节能量代谢[8]。脂肪来源的激素瘦素作用于其特定的下丘脑受体，增加交感神经在骨中的活性，并发挥抗成骨作用[9]。由嗜铬细胞分泌的5-羟色胺结合前体成骨细胞中的5-羟色胺受体进而抑制其增殖[10]。因此在这一领域对成骨细胞生物学功能与信号转导通路的研究具有重要意义。

1DPT对维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)的影响

在成骨细胞VDR的表达可以被甲状旁腺激素、糖皮质激素转化生长因子-β和表皮生长因子所调控，同时也被其配体1,25-二羟维生素D3(1,25-dihydroxy vitamin D3，1,25D3)自身所调控[11]。VDR的表达直接决定了1,25D3对成骨细胞增殖与分化的促进作用。在很多对人类成骨细胞与骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSC)的研究中表明：1,25D3可以促进骨形成与矿化[12-16]。1,25D3不直接参与矿物质沉积的这一过程，它更倾向为矿化提供一个外环境于ECM中。1,25D3调控成骨细胞分化标记蛋白碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)[17]和各种骨ECM蛋白：如胶原蛋白A1、Ⅰ型前胶原蛋白等[18]。有研究表明缺乏VDR基因的小鼠表现生长延迟，严重的骨缺损，免疫异常，且在15周龄时，过早死于低钙血症[19]。有报道提示DPT对骨形成过程存在一定的影响[20]，进一步的研究表明DPT可以被视为VDR的一个下游靶基因，当VDR基因过表达时可导致DPT蛋白的表达量上调，因此，抑制DPT表达可以抑制MSC的成骨分化[21]。

2DPT与Ⅰ型胶原蛋白的关系

Ⅰ型胶原蛋白是ECM的重要组成部分，它的聚集是纤维化过程的标志。尽管Ⅰ型胶原蛋白在大多数组织与器官中均有表达，但其仅仅由成骨细胞、成牙本质细胞、成纤维细胞合成分泌[22]。MacBeath等[23]于1994年报道猪DPT同系物影响胶原原纤维的形成：在胶原溶液中添加低浓度的DPT(20 μg/ml)，原纤维形成加速，这种DPT对胶原原纤维形成的影响，伴随着短暂的时间滞后性，并且在胶原溶液冷却后延迟纤维的解聚。由于DPT可以影响胶原原纤维的合成，我们可以合理地推断DPT通过与胶原分子相互作用进而调节纤维的合成过程。然而，我们并没有发现它们之间的作用位点。经过一系列的实验证明DPT与固态的胶原蛋白之间存在着一定的剂量依赖关系，并且Ⅰ型胶原蛋白的α1与α2双链与DPT之间的相互作用几乎相同[4]。这种DPT对Ⅰ型胶原蛋白的作用可能是通过特定的氨基酸序列。体外研究发现，Ⅰ型胶原蛋白分别通过调节ERK信号通路影响骨桥蛋白(osteopontin，OPN)的表达情况；调控FAK信号通路改变ALP的表达[24]。ALP与OPN均为骨形成的经典标志物，因此DPT/Collagen Ⅰ/ERK/FAK信号转导通路在骨的形成与骨损伤修复过程中有重要意义。综上所述，DPT参与胶原纤维的合成过程，但其与Ⅰ型胶原蛋白相互作用的具体机制尚为完全阐明。

3DPT与转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)

DPT作为ECM的重要组成部分，它具有上调TGF-β生物活性的能力[25]。TGF-β长期以来被视为骨细胞的趋化因子，在骨的损伤与修复过程中，骨细胞会沿着有损伤的骨组织与血小板释放的，呈梯度分布的TGF-β因子向创面迁移[26]。TGF-β通过刺激骨祖细胞分化与促进细胞周期抑制剂p57Kip2的降解促使成骨细胞的数量增加[27]。TGF-β调节骨基质蛋白和蛋白酶的合成，包括ALP、Ⅰ型胶原蛋白、骨钙素(osteocalcin，OCN)、OPN和基质金属蛋白酶13(matrix metalloproteinase，MMP13)[28]。在小鼠实验模型中，导致低骨密度表型的直接原因是TGF-β通路信号增强(通过TGF-β配体的过表达)，同样这种现象也可以被逆转(通过沉默影响TGF-β的关键基因Smad3)[29]。这些小鼠模型清楚地说明在骨改建过程中成骨细胞和破骨细胞活性与TGF-β之间的相互作用，以及对骨质量的影响[30]。这样来看DPT作为TGF-β的结合蛋白之一，在成骨过程中尤为关键。

4DPT与核心糖蛋白(decoirn，DCN)

DPT与DCN同为ECM的重要组成部分，DCN由一个DS链与一个核心蛋白构成。DCN是抗黏附蛋白，通过结合DPT抑制其细胞黏附活性[4]。在体外培养人骨髓瘤细胞的实验中发现，DCN通过上调p21并且诱导细胞凋亡进而抑制人骨髓瘤细胞的生长。进一步实验利用慢病毒转染在MSC细胞中过表达DCN基因，通过实验检测发现，DCN可以为MSC细胞与成骨细胞提供适宜生长的细胞微环境，并且具有抗骨髓瘤细胞生长的作用[31]。在大鼠牙槽骨损伤修复过程中，ECM蛋白参与功能性组织的形成。45～50 kDa富含亮氨酸重复序列的核蛋白DCN是这一过程的关键蛋白[32]。DCN可以调节胶原原纤维的形成[33]，与生长因子如TGF-β、TNF-α相互作用[34-35]，并且调节羟基磷灰石的形成与生长发育[36]。我们推测DCN与DPT在ECM中是以复合体的形式存在，DCN与DPT对骨形成的调节，以及对成骨细胞生物活性的影响仍需要更进一步的研究。

5小结与展望

DPT广泛存在于ECM中，可以与VDR、胶原原纤维、DCN、TGF-β等信号因子相互作用调节骨形成与骨损伤的修复。然而，DPT直接或间接调控其他细胞转导通路的基质尚未阐明。进一步研究DPT对成骨细胞生物活性的影响为组织工程学开创新的思路。

参考文献：

[1]Choi HU, Johnson TL, Pal S, et al.Characterization of the dermatan sulfate proteoglycans, DS-PGI and DS-PGII, from bovine articular cartilage and skin isolated by octyl-sepharose chromatography[J].J Biol Chem,1989,264(5):2876-2884.

[2]Yamatoji M, Kasamatsu A, Kouzu Y, et al.Dermatopontin:a potential predictor for metastasis of human oral cancer[J].Int J Cancer, 2012,130(12):2903-2911.

[3]Okamoto O, Hozumi K, Katagiri F, et al.Dermatopontin promotes epidermal keratinocyte adhesion via alpha3beta1 integrin and a proteoglycan receptor[J].Biochemistry, 2010,49(1):147-155.

[4]Okamoto O, Fujiwara S.Dermatopontin, a novel player in the biology of the extracellular matrix[J].Connect Tissue Res, 2006,47(4):177-189.

[5]Fu Y, Feng MX, Yu J, et al.DNA methylation-mediated silencing of matricellular protein dermatopontin promotes hepatocellular carcinoma metastasis by alpha3beta1 integrin-Rho GTPase signaling[J].Oncotarget, 2014,5(16):6701-6715.

[6]Takeda U, Utani A, Wu J, et al.Targeted disruption of dermatopontin causes abnormal collagen fibrillogenesis[J].J Invest Dermatol, 2002,119(3):678-683.

[7]Feng X, McDonald JM.Disorders of bone remodeling[J].Annu Rev Pathol, 2011,6:121-145.

[8]Ferron M, McKee MD, Levine RL, et al.Intermittent injections of osteocalcin improve glucose metabolism and prevent type 2 diabetes in mice[J].Bone, 2012,50(2):568-575.

[9]Takeda S, Elefteriou F, Levasseur R, et al.Leptin regulates bone formation via the sympathetic nervous system[J].Cell, 2002,111(3):305-317.

[10]Collet C, Schiltz C, Geoffroy V, et al.The serotonin 5-HT2B receptor controls bone mass via osteoblast recruitment and proliferation[J].FASEB J, 2008,22(2):418-427.

[11]van de Peppel J, van Leeuwen JP.Vitamin D and gene networks in human osteoblasts[J].Front Physiol, 2014,5:137.

[12]Prince M, Banerjee C, Javed A, et al.Expression and regulation of Runx2/Cbfa1 and osteoblast phenotypic markers during the growth and differentiation of human osteoblasts[J].J Cell Biochem, 2001,80(3):424-440.

[13]Jφrgensen NR, Henriksen Z, Sorensen OH, et al.Dexamethasone, BMP-2, and 1,25-dihydroxy vitamin D enhance a more differentiated osteoblast phenotype:validation of an in vitro model for human bone marrow-derived primary osteoblasts[J].Steroids, 2004,69(4):219-226.

[14]van Driel M, Koedam M, Buurman CJ, et al.Evidence for auto/paracrine actions of vitamin D in bone:1alpha-hydroxylase expression and activity in human bone cells[J].FASEB J, 2006,20(13):2417-2419.

[15]van Driel M, Koedam M, Buurman CJ, et al.Evidence that both 1alpha,25-dihydroxy vitamin D3 and 24-hydroxy lated D3 enhance human osteoblast differentiation and mineralization[J].J Cell Biochem, 2006,99(3):922-935.

[16]Zhou YS, Liu YS, Tan JG.Is 1, 25-dihydroxy vitamin D3 an ideal substitute for dexamethasone for inducing osteogenic differentiation of human adipose tissue-derived stromal cells in vitro?[J].Chin Med J (Engl), 2006,119(15):1278-1286.

[17]Labudzynskyi DO, Lisakovska OA, Shymanskyy IA, et al.The role of vitamin D3 in the regulation of the mineral metabolism in experimental type 1 diabetes[J].Biomed Khim, 2014,60(5):567-575.

[18]Woeckel VJ, Alves RD, Swagemakers SM, et al.1Alpha,25-(OH)2D3 acts in the early phase of osteoblast differentiation to enhance mineralization via accelerated production of mature matrix vesicles[J].J Cell Physiol, 2010,225(2):593-600.

[19]Mathieu C, Van Etten E, Gysemans C, et al.In vitro and in vivo analysis of the immune system of vitamin D receptor knockout mice[J].J Bone Miner Res, 2001,16(11):2057-2065.

[20]Derfoul A, Perkins GL, Hall DJ, et al.Glucocorticoids promote chondrogenic differentiation of adult human mesenchymal stem cells by enhancing expression of cartilage extracellular matrix genes[J].Stem Cells, 2006,24(6):1487-1495.

[21]Pochampally RR, Ylostalo J, Penfornis P, et al.Histamine receptor H1 and dermatopontin:new downstream targets of the vitamin D receptor[J].J Bone Miner Res, 2007,22(9):1338-1349.

[22]Belangero PS, Leal MF, Cohen C, et al.Expression analysis of genes involved in collagen cross-linking and its regulation in traumatic anterior shoulder instability[J].J Orthop Res, 2015,doi:10.1002/jor.22984.

[23]MacBeath JR, Shackleton DR, Hulmes DJ.Tyrosine-rich acidic matrix protein (TRAMP) accelerates collagen fibril formation in vitro[J].J Biol Chem, 1993,268(26):19826-19832.

[24]Viale-Bouroncle S, Gosau M, Morsczeck C.Collagen I induces the expression of alkaline phosphatase and osteopontin via independent activations of FAK and ERK signalling pathways[J].Arch Oral Biol, 2014,59(12):1249-1255.

[25]Krishnaswamy VR, Korrapati PS.Role of dermatopontin in re-epithelialization:implications on keratinocyte migration and proliferation[J].Sci Rep, 2014,4:7385.

[26]Tang SY, Alliston T.Regulation of postnatal bone homeostasis by TGFβ[J].Bonekey Rep, 2013,2:255.

[27]Urano T, Yashiroda H, Muraoka M, et al.p57(Kip2) is degraded through the proteasome in osteoblasts stimulated to proliferation by transforming growth factor beta1[J].J Biol Chem, 1999,274(8):12197-12200.

[28]Watabe T, Miyazono K.Roles of TGF-beta family signaling in stem cell renewal and differentiation[J].Cell Res, 2009,19(1):103-115.

[29]Borton AJ, Frederick JP, Datto MB, et al.The loss of Smad3 results in a lower rate of bone formation and osteopenia through dysregulation of osteoblast differentiation and apoptosis[J].J Bone Miner Res, 2001,16(10):1754-1764.

[30]Balooch G, Balooch M, Nalla RK, et al.TGF-beta regulates the mechanical properties and composition of bone matrix[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2005,102(52):18813-18818.

[31]Li X, Pennisi A, Yaccoby S.Role of decorin in the antimyeloma effects of osteoblasts[J].Blood, 2008,112(1):159-168.

[32]Roberts HC, Moseley R, Sloan AJ, et al.Lipopolysaccharide alters decorin and biglycan synthesis in rat alveolar bone osteoblasts:consequences for bone repair during periodontal disease[J].Eur J Oral Sci, 2008,116(3):207-216.

[33]Sugars RV, Milan AM, Brown JO, et al.Molecular interaction of recombinant decorin and biglycan with type I collagen influences crystal growth[J].Connect Tissue Res, 2003,44 (Suppl 1):189-195.

[34]Bi Y, Stuelten CH, Kilts T, et al.Extracellular matrix proteoglycans control the fate of bone marrow stromal cells[J].J Biol Chem, 2005,280(34):30481-30489.

[35]Tufvesson E, Westergren-Thorsson G.Tumour necrosis factor-alpha interacts with biglycan and decorin[J].FEBS Lett, 2002,530(1-3):124-128.

[36]Rees SG, Shellis RP, Embery G.Inhibition of hydroxyapatite crystal growth by bone proteoglycans and proteoglycan components[J].Biochem Biophys Res Commun, 2002,292(3):727-733.

Research Progress in Dermatopontin and Bone Formation

WANG Xiaojie

(Department of Anatomy,Shenyang Medical College,Shenyang 110034,China)

AbstractDermatopontin(DPT)is an acidic protein,rich in tyrosine residues.It is an important extracellular matrix protein.DPT can affect bone formation in many ways,and plays an important role in injury and repairing process of bone tissue.DPT can regulate the occurrence and development of bone tissue through the interaction with vitamin D receptor,collagen I,transforming growth factor etc.So it is important to study the relationship between DPT and bone tissue for the development of tissue engineering.The effect of DPT on the key proteins in the development of bone tissue are summarized and reveal the potential mechanism.

Key wordsdermatopontin;vitamin D receptor;collagen I;bone formation

通讯作者夏书月(1962—)，女(汉)，教授，主任医师，研究方向：慢性阻塞性肺疾病与肺血栓栓塞性疾病的基础与临床研究.E-mail：syx262@126.com

收稿日期2015-10-13

doi:10.3969/j.issn.1008-2344.2015.04.002

中图分类号R34

文献标识码A

文章编号1008-2344(2015)04-0197-03

基金项目沈阳市科技局计划项目(No.F-13-221-9-33)