转化生长因子－β在骨代谢中作用机制的研究进展

王凯 宋敏，2* 文皓楠 黄凯 张亚彬

1．甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000

2．甘肃中医药大学附属医院，甘肃兰州730020

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是以骨代谢紊乱、骨微结构改变为主要特征，具有强烈遗传影响性的多因素疾病［1］。随着全球老龄化的加剧，OP的发病率呈逐年升高趋势，后期并发重要部位的脆性骨折极易致残、致死［2］，是严重危害中老年人健康的世界性难题。骨骼的健康依赖于完整的结构和充足的骨量，骨吸收与骨形成之间严格的调节机制是维持骨组织微环境稳定的重要保证。骨代谢是成骨细胞和破骨细胞主导的，多种细胞因子共同参与的生理过程，转化生长因子－β在骨代谢过程中对成骨细胞和破骨细胞具有双重调节作用［3－4］，在维持骨吸收与骨形成的平衡状态中具有重要意义。本文就转化生长因子－β对成骨细胞与破骨细胞的作用机制作一综述，以期拓宽防治OP的思路。

1 转化生长因子－β的结构与分型

转化生长因子－β(transformation growth factorβ，TGF－β)是1981 年 Roberts等［4］在诱导大鼠成纤维细胞增殖过程中发现并分离的多肽蛋白，是一类具有保守二聚体结构的多效能细胞因子超家族［5］，具有广泛而复杂的生物学活性。随着研究的不断深入，对该庞大家族群的认识也日趋完善，目前已知至少有40多种相关蛋白，TGF－β与骨形态形成蛋白是其主要的组成成员，在细胞分化迁移与增殖凋亡的调控中发挥着关键作用［6］。人体内的大部分细胞、组织都可以分泌TGF－β，但在骨组织中成骨细胞、破骨细胞、骨细胞及软骨细胞均可分泌TGF－β［7］，骨组织局部微环境为TGF－β的生成提供了最为适宜的场所。因此，骨组织内TGF－β的浓度是其他组织的100倍，是TGF－β主要的储存库。转化生长因子－β是结构相同或相似、相对分子质量为12500的两个单体通过二硫键结合形成的二聚体多肽，前体蛋白是不具有生物活性的大分子复合物，当机体温度或内环境酸碱度发生改变时可被直接激活［8］转变成具有功能活性的同源二聚体，在骨重建过程中刺激骨形成，从而发挥相应的生物学效应。目前 TGF－β 已知的亚型有 6种，TGF－β1、TGF－β2及TGF－β3是哺乳动物特有的3个亚型，由于3种亚型64%～82%的氨基酸序列相同而高度同源，同源区是由8个半胱氨酸形成的氨基酸簇，所以结构呈现出一定的相关性，羧基端序列不同造成了各亚型之间作用机制的不同［9］。

1.1 TGF－β1

TGF－β1是TGF－β多功能超家族中最为重要的成员［10］，主要在内皮细胞和结缔组织中表达，其表达时间较TGF－β2和TGF－β3最长，对骨质再建及骨基再生过程的调控意义重大。TGF－β1还能有效地刺激胶原纤维和其他细胞外因子的生成与积聚，促进多种器官纤维化，尤其在肝脏组织中，TGF－β1能诱导肝星状细胞借助上皮间质转化为成纤维细胞，以加速肝纤维化的进程［11］。研究表明，TGF－β1还具免疫调节的功能［12］，且作用范围较广。

1.2 TGF－β2

TGF－β2属于成骨细胞趋化因子，主要在分化成熟的上皮细胞中表达，能通过促进细胞外基质的合成调节骨基质形成，具有诱导成骨的潜力［13］。TGF－β2在直接刺激骨祖细胞增殖的同时，在ERK/丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)活化过程中［14］也具有诱导作用，间接促进骨祖细胞向成骨细胞的分化，与骨组织的生长发育密切相关。TGF－β2还具有促炎性细胞因子的功能，能在机体氧化应激状态下迅速作出应答［15］，发挥自身免疫调节作用，使机体尽快适应内环境在短时间内的改变。

1.3 TGF－β3

TGF－β3主要来源于骨质，成骨细胞及关节软骨也是TGF－β3的生成场所，最初生成的TGF－β3不具有任何活性贮存在基质中，在机体创伤愈合过程中由于体内酸碱环境发生改变时被相应的蛋白激酶激活，从而在后期可以调节成骨细胞的增殖［16］，促进骨质的形成和成熟。TGF－β3与TGF－β1及β2在结构序列上相似，均是由110～140个氨基酸残基多肽链构成的二聚体，相对分子质量为25 000，但TGF－β3与骨形态蛋白联合后在诱导成骨细胞分化时的双向调控作用更加持久。TGF－β3在骨生长代谢过程中通过形成积极的反馈机制来调控骨改建，对来源于间充质的细胞也可产生一定的作用，尤其对前软骨干细胞的增殖及基质蛋白的钙化具有显著的正向调节作用［17］。

2 TGF－β与成骨细胞

成骨细胞由骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSCs)分化而来，在骨代谢过程负责骨形成的同时，还能主导破骨细胞的生成及活性，这与骨吸收和骨形成之间的脱偶联机制［18］有关。TGF－β对成骨细胞的作用机制相当复杂，最基本的模式是成骨细胞合成并分泌大量的TGF－β，然后与细胞膜上的特异性受体结合后又作用于自身［19］，促进细胞外基质的合成，影响成骨细胞的增殖分化。TGF－β还可作用于成骨细胞的前体细胞，即骨髓中成骨细胞祖细胞，当机体TGF－β水平减低或人为进行TGF－β抗体干预后，成骨细胞前体细胞的增殖活力明显受到抑制，导致成骨细胞数量减少。

2.1 TGF－β/Smad信号转导途径

Smad蛋白介导的TGF－β/Smad信号通路主要是通过配受体结合的方式发挥作用，TGF－β受体(TβR)与其他信号受体所介导的跨核膜转运有所不同，TGF－β 必须同时与 TβR－I和 TβR－II两种受体结合后才能启动信号转导。TGF－β选择性地与成骨细胞膜上的Ser/thr激肽酶II型受体相结合，使配体内部结构发生相应的改变，并磷酸化TβR－I形成TβR－I－配体－TβR－II三聚体复合物［20］。TβR－III不含激酶活性区，不能直接参与信号转导，但在受体复合物形成过程中具有重要的调节作用。携带信号传递信息的三聚体受体复合物通过细胞膜后，使受体调节型Smad(R－Smad)被TβR－I磷酸化［21］，紧接着共同通路型Smads(Co－Smads)与其特异性结合形成复合物异位进入细胞核内。细胞内的信号传导反应主要是在Smad蛋白富含脯氨酸(Pro)的高度保守结构区域MH1(Mad homology domain－1)内进行，发夹样结构与DNA上的SBE直接结合，导致特定靶基因的转录与表达，调控成骨细胞的增殖、分化及I型胶原蛋白的合成［22］，从而促进骨的形成。

2.2 TGF－β诱导成骨细胞自噬

自噬(autophagy)是细胞通过形成自噬体的方式对自身蛋白或受到损害的细胞器进行分解再利用，既可以清除细胞内的异常组分，又可以实现自身营养的供给，是细胞在应激状态下维持内环境稳定的一种适应性机制和正常生理代谢过程［23］。自噬对与骨代谢相关的细胞具有重要作用，在退变过程中自噬可以协助清除骨细胞内损害的成分，把衰老对骨细胞产生的不良影响［24］降到最低。骨重建过程中，成骨细胞自噬活性的降低会直接对骨形成产生负面影响，造成骨骼质量下降、骨质疏松的发生。究其原因，活跃的自噬行为在基质处于低氧微环境时可以为细胞创造“自给自足”式的营养供应，为细胞器的加速更新［25］提供能量，同时还可以丰富胞浆中的肌动蛋白，在成骨细胞向骨细胞转化的过程中起到促进作用。自噬的活化受到严格的基因调控［26］，其发生主要依赖I型微管相关蛋白1轻链3(microtubule－associated protein 1 light chain 3，LC3)向II型LC3的转换。研究表明，TGF－β能诱导成骨细胞的自噬活性，使其转录生成更多的 LC3 m RNA，进一步翻译为相关蛋白［27］，而且在一定时间段内LC3 m RNA表达水平与TGF－β的作用时长呈正相关，TGF－β能通过调控与自噬有关的基因促进成骨细胞的增长。

2.3 TGF－β对雌激素受体的作用

雌激素是人体重要的内源性激素，通过对人体多系统的调控作用来维持正常的生长发育与生殖繁衍。在OP的发病机制中，雌激素水平的降低可直接导致骨转换失衡、骨代谢微环境紊乱以及骨量减少。雌激素对骨代谢的调节主要是借助于雌激素受体(estrogen receptor，ER)［28］结合后对相关细胞因子产生作用，使相应的信号通路受到刺激，产生一系列的生物效应。目前已知的ERα和ERβ亚型，均属于核受体超家族，基因序列具有高度的同源性，成骨细胞以及它的前体细胞都可以表达ERα和ERβ，ERα是雌激素在骨组织中的主要作用受体，而ERβ在ERα功能缺陷或异常时能起到部分替代作用［29］。ERα和ERβ的活性及数量受雌激素分泌水平高低的影响，随着年龄的增长或女性绝经后，ERα和ERβ的表达水平明显降低，导致老年性骨质疏松和绝经后骨质疏松的发生。雌激素与成骨细胞内的ERα及ERβ受体结合后刺激成骨细胞释放生物活性因子并分泌胶原酶，通过提高Ⅰ型胶原mRNA在成骨细胞中的表达水平［30］促进成骨细胞的增殖分化，增强其成骨能力，优化骨组织重建。这一过程涉及复杂的信号通路，同时也需要相关细胞因子(如TGFβ、Wnt、BMP 等)的参与。研究表明 TGF－β 能够诱导激活促使ER发生磷酸化的活化激酶，从而提高雌激素受体的表达水平，并对TGF－β的作用浓度在一定范围内呈现依赖性［31］。

3 TGF－β与破骨细胞

破骨细胞(osteoclast，OC)来源于造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)，成熟的破骨细胞结构与单核巨噬细胞类似［32］，直径在100 μm以上，属于巨大的多核细胞，主要位于哈弗斯系统内骨膜的内表面。破骨细胞是人体唯一能够溶解骨组织的细胞，骨吸收的作用能启动旧骨基质的清除和新骨的重塑，使骨重塑周期保持稳态化。骨质疏松的发生［33］是破骨细胞活性异常、功能太过活跃造成的不良结果，骨吸收能力强于骨形成，最终导致骨量流失、骨质量下降。因此，抑制破骨细胞的活化与增殖是治疗骨质疏松的重要手段，研究表明TGF－β可抑制破骨细胞的形成和分化，还能诱导破骨细胞的程序性死亡［34］。

3.1 TGF－β与OPG/RANKL/RANK系统

OPG/RANKL/RANK能在破骨细胞的分化成熟过程中起到关键作用，是维持骨代谢平衡的重要信号传导通路。核因子 κB受体活化因子配体(receptor activator of NF－кB ligand，RANKL)能与破骨细胞或破骨细胞前体细胞表面的RANK相结合，激活的RANK通过核转录因子NF－κB将信号呈递并转运至细胞核内，刺激 c－Fos的表达增强［35］，c－Fos与活化的T细胞核因子结合后调控与破骨细胞生成相关的特异性基因开始转录，促进破骨细胞的分化，最终生成具有增强骨吸收活性的成熟破骨细胞并抑制其凋亡。骨保护素(osteoprotegerin，OPG)属于肿瘤坏死因子受体超家族的重要成员，在和破骨细胞膜表面的RANK结合时，与RANKL属于一种竞争关系，且结合能力强于RANKL［36］，从而有效地阻止RANKL与RANK结合，明显阻断能够引起破骨细胞链式反应的信号传递，抑制破骨细胞的形成，在破骨细胞的增殖分化、成熟过程中起到负性调节作用。OPG/RANKL/RANK信号系统在促进骨吸收的同时，骨髓基质及成骨细胞分泌一定量的OPG使OPG/RANK比例保持在适当水平［37］，以防止骨吸收过度。与骨代谢相关的大部分细胞因子都参与OPG/RANKL/RANK信号轴的调控，TGF－β可以上调成骨细胞表达OPG的水平，大量表达的OPG与RANKL竞争性结合后拮抗RANK的作用，能有效地抑制破骨细胞的分化成熟。研究发现，在TGF－β高浓度环境中，OC分化受到抑制;低浓度的TGF－β可以提高巨噬细胞集落刺激因子水平和RANKL/OPG比例［38］，对破骨细胞的分化具有促进作用。

3.2 TGF－β在免疫应答中的作用

免疫系统中T淋巴细胞也与破骨细胞的增殖分化密切相关，Th1和Th2细胞均属于CD4+T细胞的亚群，能通过分泌IFN－γ和IL－4的方式抑制破骨细胞前体细胞向成熟破骨细胞的发育，在骨质吸收的调控过程中影响破骨细胞的活性，减少骨质的吸收。Th17细胞在破骨细胞的成熟和骨质吸收过程中具有双重调节作用［39］，TGF－β是诱导Th17细胞形成的关键细胞因子［40］，高浓度的TGF－β通过与IL－6和IL－21联合使IL－23受体表达的上调来促进Th17细胞的生成。体内激素水平降低，可直接影响TGF－β的生成，TGF－β分泌减少导致对T细胞的抑制作用减弱［41］，尤其在女性绝经期前后，机体内分泌系统紊乱，T细胞功能活跃通过连锁反应的调节方式影响骨质疏松的发生。在免疫微环境中，TGF－β作用的发挥与细胞表面分子的表达及其他因子分泌的不同而有所差异，如TGF－β可直接抑制Th1和Th2，导致IFN－γ和TNF－α等细胞因子生成减少，对破骨细胞的抑制作用减弱;也可诱导Th17细胞的分化，增强免疫应答，使破骨细胞的活性增加，加快骨质的吸收。如何将TGF－β在免疫调节中的具体作用转化成治疗骨质疏松的有效手段是今后研究的重心。

4 结语

成骨细胞与破骨细胞共同维持着骨吸收与骨形成之间的平衡，骨代谢紊乱造成骨量的过度丢失是骨质疏松发生的主要原因。TGF－β作为具有广泛生物活性的蛋白多肽，是成骨细胞与破骨细胞之间不可或缺的偶联调节因子，TGF－β通过自分泌或旁分泌的方式，不仅能诱导成骨细胞的增殖分化，促进骨的形成，还能加快破骨细胞的凋亡，抑制骨的吸收。国内外大量的研究表明TGF－β对成骨细胞和破骨细胞具有双重调节作用，其作用机制与TGF－β浓度的不同而一直倍受争议，目前仍未彻底阐明。因此，在TGF－β参与骨代谢的确切机理方面还需要做深入的研究，才能为探索以TGF－β为靶点防治OP提供有力的理论依据。