细胞缝隙连接与骨及相关疾病研究进展

黄卫民，张小敏，陶　亮

(1新疆医科大学第六附属医院，乌鲁木齐　830002；2中山大学中山医学院药理学教研室，广州　510080)



·综述·

细胞缝隙连接与骨及相关疾病研究进展

黄卫民1，张小敏2，陶亮2

(1新疆医科大学第六附属医院，乌鲁木齐830002；2中山大学中山医学院药理学教研室，广州510080)

骨稳态的维持依赖于成骨细胞、骨细胞、破骨细胞三者间的相互调节。三者的分化、存活及功能的调节则依赖于细胞缝隙连接。Cx43既可以直接调节成骨细胞与破骨细胞间动态平衡，又可以通过调节骨细胞基因表达间接调控成骨细胞与破骨细胞间动态平衡，而Cx45的功能则与Cx43相反。Cx37是破骨细胞分化所必需的。Cxs在软骨组织、韧带、肌腱中的作用研究甚少。同时，研究表明Panx1、Panx2、Panx3在骨及软骨细胞中表达，但其功能尚不明确。

细胞缝隙连接; 成骨细胞; 骨细胞; 破骨细胞

骨稳态是成骨细胞和破骨细胞功能平衡的结果，一旦两者间平衡打破，骨骼系统就会出现病理性改变，如骨质疏松、骨肉瘤、风湿性关节炎等。基本多细胞单位，是骨重建的基本功能单位包括破骨细胞、成骨细胞、骨细胞，它们通过功能耦联调节骨量稳态。成熟骨细胞呈星状或树突状，大量突起相互连接，组成一个发达的骨陷窝网络系统。骨细胞通过黏附分子附着于周围基质及邻近细胞，而细胞缝隙连接(Gap Junction，GJ)连通骨细胞、成骨细胞以及破骨细胞形成一个复杂而精密的网络结构，三者的增殖分化及功能的动态调节则依赖于GJ，本文就细胞缝隙连接与骨及相关疾病的研究进展综述如下。

1　细胞缝隙连接

细胞缝隙连接(Gap Junction,GJ)是相邻2个细胞间的一种膜蛋白通道，在多种组织系统中(如中枢神经系统、心肌系统、肌肉骨骼系统等)广泛表达。GJ基本组成单位是连接子(Connexon,Cx)，6个Cx环绕在一起组成半通道(Hemichannel)，相邻2个细胞上的半通道对接而成一个全通道GJ。GJ介导直接的细胞间通讯(Gap Junction Intercellular Communication，GJIC)。GJ允许分子量<1 ku的小分子物质自由扩散,易化相邻细胞间电和化学偶联[1]。最近研究表明，Cxs可以传递包括核酸在内的大分子，表明GJ介导多种功能偶联[2]。目前研究表明，人体中有21种Cxs基因[1]，Cx43(GJA 1基因编码)是表达水平最高、最广泛的Cx。另外，Cx45(GJC 1基因编码)、Cx46(GJA 3基因编码)及Cx37(GJA 4基因编码)也在骨骼肌肉系统中表达。最近研究发现，细胞缝隙连接存在另一种组成亚基，Pannexin。由Panx1、Panx2和Panx3基因所编码的3个pannexins与Connexins具有极为相似的拓扑结构，主要形成沟通胞浆与外界环境的半通道，在骨骼系统中同样具有广泛表达[3]。

1.1Cxs在骨骼系统中的表达Cx43是骨骼系统中表达最为丰富的缝隙连接蛋白，在骨细胞、成骨细胞、破骨细胞中均广泛表达，Cx45、Cx46则主要表达于成骨细胞[4]。最近研究发现，Cx37同Cx43一样，广泛表达于成骨细胞、破骨细胞、骨细胞中[5]。

在软骨、韧带、肌腱组织中，同样存在Cxs的表达。其中Cx43在这3种组织中均有表达，其次是Cx32，而Cx45、Cx46特异表达于软骨细胞[6]，Cx40则特异表达于韧带组织中[7]。

1.2Panxs在骨骼系统的表达Panx1和Panx3在骨骼系统中广泛表达[8-9]，Panx3在成骨细胞、颅盖骨细胞以及增生的软骨细胞等多种细胞中表达。Panx1主要表达于成骨细胞中，在牙周韧带中也有表达，但在肌腱中尚无文献报道Panx1的表达。Panx2表达具有局限性,尚未有文献报道其在骨组织存在表达。

2　细胞缝隙连接在肌肉骨骼系统中的生物学功能

2.1Cxs对骨组织细胞增殖分化及功能的调控作用

2.1.1Cx43对成骨细胞增殖分化及功能的调节作用多数研究表明，Cx43对成骨细胞的分化及功能具有调节作用。Lecanda等[10]的研究发现，Cx43整体敲除的KO小鼠，由于成骨细胞功能障碍而不能存活，而条件性敲除成骨细胞Cx43 的KO小鼠，虽然能够存活，但由于成骨细胞分化障碍，表现出骨渐进性增生[11]；在体外研究中，上调Cx43的表达或者增加Cx43的偶联，能够促进成骨细胞的分化，而抑制Cx43的表达及GJ功能，则抑制成骨细胞分化[12]。

有学者从药物应用角度进一步证实了Cx43对成骨细胞的调控作用。双磷酸盐类骨保护药物，能够通过开放Cx43半通道[13]，发挥骨保护活性；当敲除Cx43时，其保护活性明显减弱[14]。间歇给予PTH是FDA唯一批准的增加骨量的治疗方法，当敲除Cx43时，PTH介导的骨矿化速率则降低[15]。

2.1.2Cx43对破骨细胞增殖分化及功能的调节作用Cx43对破骨细胞的调节，主要是通过成骨细胞/破骨细胞间RANKL/OPG/Cx43轴产生间接调节，其直接调节功能报道较少。体外实验，当抑制破骨细胞GJ，能够抑制破骨细胞的融合[16]。而Cx37在破骨细胞再生中则具有明确的生物学作用[17]，Cx37 KO 小鼠的破骨细胞，不仅细胞体积小，胞核缺失，而且破骨细胞标记物明显减少，Notch信号通路活性显著上调。

破骨细胞的分化，除了受成骨细胞和骨细胞中Cx43的调控外[9]，也受自身Cxs表达的调节。当在破骨细胞分化前，敲除Cx43表达，表现出股骨远端松质骨破骨细胞明显减少，皮质骨厚度增加，骨小梁间隙缩窄，这些均表明破骨细胞骨吸收功能降低[18]。

2.1.3Cx43 C末端功能区与其生物学功能的相关性Cx43依赖的通道功能是维持皮质骨形成和骨基质强度所必须的，而Cx43 C末端则是维持松质骨体积和成骨细胞功能必不可少的。有学者构建了R67W和Δ130-136缺失，2种Cx43点突变的小鼠模型，前者与野生型小鼠间不存在表型差异，而后者则表现出骨量增加，皮质骨骨细胞凋亡增加，这些特异性症状同Cx43全敲除的小鼠具有相似性[19]，而当过表达Δ130-136时，则具有明显的骨细胞毒性[20]。而Cx43 C末端缺失(Δ245)的小鼠由于成骨细胞功能障碍导致松质骨体积减小[21]。

2.2Cx43对肌肉骨骼系统的功能调节作用Cx43对肌肉骨骼系统的发育和功能同样具有调控作用。敲除Cx43的小鼠，与同窝出生的Cx43阳性小鼠相比，表现出体质量降低和肌肉抽搐的症状。而成熟成骨细胞和骨细胞敲除Cx43表达，对体质量并不产生影响[22]，说明Cx43对肌肉发育的调节主要是由未成熟的成骨细胞和骨细胞介导的，具体分子机制有待进一步研究。

Cx43是成骨细胞和骨细胞应对机械负荷所必需的[23]。多项研究表明，不论是敲除软骨祖细胞[24]、成熟的成骨细胞和骨细胞[9]、单一骨细胞[25]的Cx43，机械负荷引起的骨形成是增加的，关于Cx43如何调节机械应激下骨形成的分子机制，目前尚不明确。

2.3Cx37对骨组织细胞增殖分化的调节作用Cx37是最近发现广泛表达于成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的另一种缝隙连接蛋白[4,13]。Cx37对骨组织细胞的调控作用具有性别相关性。Cx37整体敲除导致骨量增加，而这个特点在雄性小鼠中尤为显著[4]。日本的一项人群研究同样表明，携带Cx37-319P 等位基因与携带Cx37-319S的男性相比，前者表现出躯体高大及椎间盘、颈椎和股骨转子骨密度高的特征[26]。针对这一点，有学者认为骨量增加是由于破骨细胞分化障碍导致破骨细胞数量减少，骨吸收降低所引起的[13]。

2.4Cxs在软骨、韧带和肌腱中的生物学功能研究Cxs在软骨，韧带和肌腱中的生物学功能报道较少，主要是对于机械负荷的调节作用。Cx43通道开放能够介导软骨，韧带和肌腱对力的传导[27]。而在肌腱中，Cx43和Cx32具有相反的生物学作用[28]，关于其作用机制及其他方面的功能尚未见报道。

2.5Pannexs对骨组织细胞增殖分化的调节作用Panx1 和Panx3表达于成骨细胞中[8]，在成骨细胞分化过程中，其表达是上调的[29]。当用siRNA干扰Panx3表达时，能够抑制成骨细胞再生。体内腺病毒过表达Panx3时，能够提高小鼠跖骨成骨细胞再生和增加骨长度。Panx3的这种生物学功能不仅仅是通过介导细胞间或细胞与外界环境的信息交流发挥的，还能对内质网上的钙通道发挥调节作用。Panx1在成骨细胞中的生物学作用及Panx1和 Panx3在破骨细胞中的角色，目前还未进行研究。

3　细胞缝隙连接与骨相关疾病的关系

Cxs表达与骨发育异常相关。Cx43基因突变能够引起眼齿指发育不良症(ODDD)[30]、颅骨干骺端发育不良症[31]。G60S-Cx43小鼠，除了具有骨量降低的表型外，还表现出进行性骨髓减少[32]、脂肪细胞增多的症状[24]。

在多种骨肿瘤疾病中，Cxs的表达也不尽一致。在湿疹样癌，异常成骨细胞高表达Cx43[16]，而在骨巨细胞瘤、骨尤文肉瘤中，Cx43表达明显下调，其下调程度与预后呈正相关[33]，这些均表明Cx43对于正常骨代谢具有重要的调节作用。

Cxs参与多种疾病的发生，不仅与Cxs自身表达及涉及通路相关，还与疾病状态及发病的细胞微环境相关，然而其具体发病机制目前尚未有深入研究。

4　总结与展望

Cx43在成骨细胞和破骨细胞分化、细胞内信号转导、骨量获取及维持机械负荷中的生物学功能得到了大量研究和证实。Cx43 C末端与生物学功能的相关性也得到了初步探讨，也有研究揭示了Cx37在骨稳态中的生物学作用。然而，针对其他Cxs与Panxs在肌肉骨骼系统中的生物学功能的研究却相对较少，深入研究Cxs与Panxs对肌肉骨骼系统的调节作用的多样性，不仅能够为治疗相关疾病提供新靶点，也对提高现有治疗药物的治疗效果具有重大意义。

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(本文编辑王艳)

新疆维吾尔自治区科技支撑计划项目(201233150)

黄卫民(1967-)，男，副教授，主任医师，硕士生导师，研究方向：脊髓损伤与骨质疏松。

陶亮，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：细胞缝隙连接与疾病，E-mail:taol@mail.sysu.edu.cn。

R329.2

A

1009-5551(2016)11-1474-04

10.3969/j.issn.1009-5551.2016.11.032

2016-02-23]