Rab蛋白与骨质疏松症关系浅析

尹雨晴 张洁 陈燕

1.湖南中医药大学护理学院，湖南 长沙 410208 2.湖南省中医药研究院附属医院，湖南 长沙 410006

骨质疏松症 (osteoporosis，OP) 作为一种常见的代谢性骨病[1]，主要由多因素导致骨量减少及对骨微结构的破坏，表现为骨脆性增加，发病人群以绝经后妇女及老年人最为多见。改革开放以来，随着我国社会经济发展水平的不断提高，生活条件及医疗卫生水平日益改善，加速了人口老龄化的进程，呈现出骨质疏松的发生率逐年上升。因而，人们对骨质疏松症的关注度越来越高，世界卫生组织(WHO)将其列为三大老年病之一[2]。

基于此现状，Rab蛋白作为细胞间信息传递的重要媒介，因其在骨质疏松症发生、发展过程中所扮演的角色而备受关注。Rab蛋白，作为Ras超家族中的一员，是一种小G蛋白，目前发现已有70余种，它们主要位于亚细胞器中，对胞内蛋白质的囊泡转运起着尤为重要的作用。它们通过在GTP和GDP结合状态作为分子开关，当与GTP结合时“开”，当与GDP结合时“关”。Rab蛋白被认为是细胞器标记，每个Rab蛋白调节细胞内运输的不同环节，Rab蛋白调节囊泡运输和外泌体形成与定向转运，由此得以发挥其生物学功能[3]。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨再生的种子细胞，在发挥正常骨代谢功能中扮演着重要角色，其成骨分化功能的缺陷是骨质疏松发生的重要原因。BMSCs除了能直接分化成骨外，其旁分泌物质(白细胞介素6、胰岛素样生长因子1、碱性成纤维细胞生长因子等)也能大大促进成骨细胞增殖、迁徙、分化和矿化的能力，尤其是BMSCs分泌的外泌体(exosome,Exo)具有携带源细胞生物信息如蛋白质、小分子RNA、Rab蛋白等定向运输到靶标发挥生物学功能。由此可知，BMSCs可通过分泌外泌体调节成骨细胞增殖、迁徙、分化和矿化，其生物学效能的发挥与其分泌的外泌体中携带的Rab蛋白密切相关。因此，本文就 Rab 蛋白与骨质疏松症关系的研究进展作一综述。

1 骨质疏松症的发病机制

骨质疏松症大致可分为原发性(绝经后骨质疏松症和老年型骨质疏松症)、继发性和特发性三大类。引发各类骨质疏松的骨丢失病因繁杂，并且骨质疏松的发病机制没有被系统地报道过，但任何原因所致的峰值(BMI)下降，骨吸收增加和形成不足都可以引起骨量降低和骨脆性增加，从而导致骨质疏松症的发生。研究表明，激素调控(尤其是雌激素)[4-5]、相关细胞因子[如 TGF-13、白细胞介素、肿瘤坏死因子(TNF)等]的影响[1]、年龄[6]、运动[7-8]等因素都与骨质疏松的发生密切相关。其中，雌激素对骨质疏松症的产生与发展尤为重要，雌激素通过ER介导刺激成骨细胞增值、分化，抑制破骨细胞活性，从而调控骨再建周期中骨形成和骨吸收的平衡。有报道[9]指出，人骨组织上ER的数量在一定程度上决定了是否发生骨质疏松及发病的严重程度。同时，也有学者[10-11]提出氧化应激(oxidative stress，OS)和炎症是绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，PMOP)的重要发病机制，其结论的得出主要是由于相关的叉头框蛋白Fox O转录因子、Nox(NADPH氧化酶)、白介素-17等出现相应变化。

2 Rab蛋白与骨质疏松关系研究

2.1 Rab蛋白

Rab蛋白是小GTP酶属Ras超家族，每一个Rab蛋白都特异地分布在控制细胞内囊泡运输的不同亚细胞的膜结构上，并发挥着独特的调控作用。真核细胞中广泛存在着一类分子量为20～27 kDa之间的小分子Rab蛋白，依赖GTP激活的一类小GTP酶。所有Rab蛋白的共同的生物效应机制就是GTP分子开关，这些 GTPases 在与GDP结合时，处于失活状态，当与GTP结合时处于激活状态，两种状态的转换由特定的调节因子完成。其参与细胞内囊泡运输，可以到达指定的效应位点，这和Rab蛋白准确、精细的靶向运输密切相关，调控胞外分泌，包括外泌体的释放，定向作用于靶细胞，由此以发挥其生物学作用[12]，但目前对于Rab蛋白如何精准到达指定位点的相关机制尚不明确。另外，Rab 蛋白的异常表达与多种疾病的发生、发展密切相关。例如，Rab1a与舌癌细胞[13]，Rab5a、Rab7与甲状腺腺癌细胞[14]，Rab25与前列腺癌、膀胱移行上皮细胞癌、侵袭性乳腺肿瘤细胞以及卵巢上皮细胞[15-19]，均有相关研究证实以上Rab蛋白亚型对相应肿瘤细胞的增殖、分化及其转移能力影响较大，在对应疾病的发生、发展中有不可忽视的作用。

2.2 Rab蛋白与骨质疏松症关系的研究进展

谈及骨质疏松症的发生与防治，不可忽视的是BMSCs对于成骨分化的作用。BMSCs是具有多向分化潜能的间质干细胞，源于中胚层间充质，主要分布在全身结缔组织及器官间质中，尤以骨髓组织中含量最为丰富， 具有向骨原性干细胞分化的潜能，进而分化形成软骨细胞、成骨细胞，以完成骨的构建过程[20]。研究[21]表明，当BMSCs数量逐渐减少时，成骨细胞减少，骨组织不断丢失、骨含量减少，从而导致骨质疏松症，这与BMSCs分泌的外泌体可携带源细胞生物信息(如Rab蛋白、小分子RNA等)并且能定向运输到靶标以发挥其生物学功能的能力下降有着密切联系。而从另一方面看，有研究指出[22]，破骨细胞的存活依赖于Rab家族GTP酶的活性，并且广泛用于临床治疗骨质疏松症的双膦酸盐药物是通过阻止小GTP酶的异戊二烯化作用，抑制破骨细胞活性，并诱导破骨细胞凋亡，从而达到治疗骨质疏松的目的。然而，并非所有的Rab蛋白都与骨质疏松症存在联系，也并非所有Rab蛋白对骨质疏松的影响都是一致的，现主要介绍三个与BMSCs关系密切的Rab蛋白，即Rab27a、Rab27b及Rab23。

2.2.1Rab蛋白与成骨细胞的关系：Rab27a、Rab27b，此二者同属Rab27系列，Rab27a在氨基酸水平上与Rab27b有71%的同一性，并且在某些情况下对Rab27b生物学功能的发挥具有补偿作用[23-24]。有研究[25-26]报道，Rab27a和Rab27b在成骨细胞中表达并且参与刺激依赖型RANKL从成骨细胞中的分泌溶酶体中释放。并且有研究[27]表明，Rab27b介导的抗坏血酸可诱导成骨细胞，这对于涉及骨蛋白分泌和沉积缺陷的疾病有着重要意义。

2.2.2Rab蛋白与破骨细胞的关系：Rab蛋白对破骨细胞亦有调节作用。有研究[28]在MC3T3-E1细胞(鼠成骨细胞前体细胞系)、RAW-D细胞(鼠巨噬细胞系RAW264.7的亚克隆，其具有高分化成OCLs的亚克隆)中均测得Rab27a和Rab27b的mRNA水平，定量时PCR分析显示RAW-D细胞中Rab27a的mRNA水平比MC3TC-E1细胞中的高4.5倍。而破骨细胞是由分化的巨噬细胞形成的多核细胞，由此可见Rab27a与破骨细胞关系更为密切。并且，Rab27a缺陷型破骨细胞其骨吸收活性明显受损，由此表明Rab27a在维持破骨细胞的正常功能具有重要作用。该研究[28]还指出，Rab27a缺陷诱导多核巨细胞，其中各种破骨细胞标记基因(例如RANK，Ctsk和CTR)的 mRNA水平，与对照组相比显著增高。若通过干扰Rab27a RNA的释放来降低OVX小鼠(卵巢切除小鼠)中的循环外来体的水平，在体内实验中可以观察到成骨细胞活性的上调[29]，但是，其破骨细胞活性却随之增强，并且随着Rab27a水平降低，破骨细胞中miR-214水平增加。另外，Rab27a的消耗会导致破骨细胞表型异常，对于破骨细胞中的调节多核和溶酶体相关细胞器的细胞表面受体的正常转运，具有调节作用[25,28]。

2.2.3Rab蛋白与软骨细胞的关系：软骨形成是一个多步骤的复杂过程，通过协调控制骨髓间充质细胞促使其分化为由II型胶原(Col2)和其他细胞外基质蛋白表达所标记的成熟软骨细胞，而这些成熟的细胞又可以成为由X型胶原蛋白表达标记的肥大软骨细胞。然后，肥大软骨细胞发生凋亡，在软骨内成骨过程中留下成骨细胞或破骨细胞侵入的支架。有研究[30]表明，软骨细胞的分化主要受转录因子如Sox9控制。有实验通过逆转录病毒插入对ATDC5细胞进行诱变，并分离出两个不能分化的突变克隆，对这些克隆进行逆向PCR分析揭示逆转录病毒DNA被插入Rab23的启动子区域基因，导致Rab23表达增加。其研究结果显示，Rab23的上调确实可以抑制软骨形成分化，同时伴随着基质基因如II型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的下调。另外，Rab23的siRNA表达降低也会导致软骨形成分化受到抑制，以及促使软骨形成的主要调节因子Sox9的下调。然而，Sox9表达与Gli1相关，该研究[31]发现Rab23表达的下降也会使软骨细胞中Gli1的表达降低。由于Rab23被认为参与细胞内蛋白质运输的重要媒介[32-33]，不能排除Sox9的表达可能需要通过Rab23这一关键因素的可能性，并Rab23的缺失将是导致Sox9下调的一个重要因素。

3 小结

近年来，人们对骨质疏松症防治的关注度越来越高，且随着干细胞技术的发展，越来越多的专家、学者运用间充质干细胞、脂肪干细胞等移植技术治疗多种疾病。有文献[34]报道，通过移植BMSCs可逆转骨质疏松。由此可见，BMSCs对成骨分化的重要作用。除此之外，BMSCs旁分泌物质也能大大促进成骨细胞增殖、迁徙、分化和矿化的能力，其旁分泌物质主要有白细胞介素6、胰岛素样生长因子1、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、转化生长因子β等；另外，BMSCs分泌的外泌体携带的Rab蛋白定向运输到靶点精准发挥其生物学作用，对成骨分化具有重要影响。并且，不同亚型的Rab蛋白其作用亦不相同，Rab27b与成骨细胞联系密切，Rab27a对破骨细胞具有独特地调节作用，而Rab23的表达则与软骨细胞的分化密切相关。综上所述，对Rab蛋白进行有针对性的深入研究具有重要的现实意义，且Rab蛋白有望成为防治骨质疏松症药物开发的新靶点。