泛素特异性蛋白酶调控骨重建的研究进展

骨是人体内最重要的器官之一，具有保护器官、支持肌肉运动等功能。骨需要经过不断地重建以维持其结构和功能的完整性。骨重建包括骨吸收与骨形成，分别由破骨细胞和成骨细胞协同完成。骨重建的过程受到多种因素共同调节，以维持成骨细胞与破骨细胞之间的耦联平衡，实现骨稳态

。越来越多的研究证明，泛素特异性蛋白酶（ubiquitin-specific proteases，USPs）在调节成骨细胞和破骨细胞的发育和功能方面起重要作用

。本文就USPs 对骨重建的影响及其作用机制的研究进展作一综述。

1 泛素依赖的蛋白质水解系统

泛素化修饰是蛋白质降解的主要途径之一。蛋白质的泛素化过程是泛素激活酶E1、泛素结合酶E2、泛素连接酶E3 协同作用的级联催化反应。在ATP 的参与下，泛素被E1 激活并转运至E2，E3与载有泛素的E2 以及靶蛋白相互作用，介导泛素连接到靶蛋白，引导蛋白质进入蛋白酶体被降解。级联反应中的任意一个环节都会影响到蛋白的泛素化过程。其中，E3 是该级联反应的关键酶，决定了反应速率及底物的特异性

，在调节骨稳态方面，也起到重要作用

。

泛素化修饰的可逆性是由去泛素化酶实现的。去泛素化酶通过去除靶蛋白上的泛素分子，调节蛋白质的功能和稳定性

。迄今为止，人类基因组可编码100 余种去泛素化酶，根据其催化结构域的不同，可分为两大类共七个亚家族，其中USPs、泛素羧基末端水解酶（ubiquitin C-terminal hydrolases，UCHs）、卵巢肿瘤相关蛋白酶（ovarian tumor proteases，OTUs）、MJD 结构域蛋白酶家族（Machado-Joseph disease protein domain proteases,MJDs/Josephins）、单核细胞趋化蛋白诱导的蛋白酶家族（mococyte chemotactic protein induced protein,MCPIPs）和锌指含泛素肽酶1（zinc finger containing ubiquitin peptidase 1, ZUP1）属于半胱氨酸蛋白酶；含JAB1/PAB1/MPN 结构域的金属蛋白酶家族（JAB1/PAB1/MPN domain - containing metallo - enzymes,JAMMs）属于金属蛋白酶

。

2 USPs 与骨重建

2.1 USPs 对成骨作用的影响

研究表明，USP4 可通过多种机制影响成骨分化过程

。Wnt/β-catenin 经典信号通路在成骨细胞分化的早期阶段具有重要意义。Dishevelled（Dvl）蛋白是Wnt 通路中的重要成分，泛素化的Dvl蛋白可激活下游信号分子，稳定β-catenin 蛋白

。Zhou 等

发现，USP4 通过水解Dvl 蛋白上多泛素链，抑制Wnt 经典信号通路，降低成骨分化能力。此外，转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)信号通路在调节成骨分化以及骨的形成中也发挥重要作用

。TGF-β 在与细胞膜表面受体结合后，使受体调节的SMAD 蛋白（R-SMAD）磷酸化，活化的R-SMAD 与通用型的SMAD4 蛋白形成异多聚体，该复合物被转运至细胞核中调控靶基因表达

。研究表明，USP4 可作为SMAD4 蛋白的去泛素化酶，在TGF-β 信号通路中发挥正调控作用，促进间充质干细胞的增殖与分化过程

。

USP15 可抑制β-catenin 蛋白的泛素化降解，加强Wnt 信号通路，对成骨细胞的发育过程起正向调控作用

。此外，Herhaus 等

研究发现，小鼠成肌细胞中USP15 的缺失会降低其骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）诱导的成骨分化能力。USP15 可作为BMP 受体和SMAD 等蛋白的去泛素化酶，促进BMP 诱导的SMAD 蛋白的磷酸化过程。因此USP15 基因的缺失会抑制BMP 诱导的SMAD 磷酸化和BMP 靶基因的转录，降低成肌细胞中BMP 诱导的成骨分化能力。

USP15 和USP34 不仅影响成骨细胞分化和发育，还可通过调节NF-κB 信号通路影响骨吸收作用。USP15 和USP34 可作为IκBα 蛋白的去泛素化酶，提高IκBα 蛋白的稳定性，抑制NF-κB 信号通路和破骨分化过程

。此外，Li 等

指出，USP34 和USP15 在功能上并不完全重叠，USP15 并不足以弥补USP34 缺失时带来的失衡。USP15 与USP34 在骨形成和骨吸收中都有调节作用，由此推测，二者可能成为骨重建过程的重要调节因子。

与USP7 类似，USP34 也可通过控制Axin 蛋白的含量来调节Wnt 信号通路，但其对成骨作用的影响还有待进一步的研究

。Guo 等

通过敲除小鼠USP34 基因后发现，小鼠MSC 的成骨分化能力下降，出现骨量减少的结果，USP34 可作为去泛素化酶稳定SMAD1 和RUNX2 蛋白，调控成骨分化和骨形成过程。

综上，USPs 主要通过作用于Wnt 信号通路中的关键因子影响成骨作用。除了Wnt 信号通路，TGF-β/BMP 等信号通路在调节成骨分化以及骨的形成中也发挥着重要作用，但USPs 通过这些机制影响骨重建的研究相对较少。研究显示，USP9x 与USP11 都可参与调控TGF/BMP 信号通路，这两种USPs 可能通过该途径影响成骨作用

。

在Wnt/β-catenin 经典信号通路中，SCF（Skp1-Cullin1-F-box）复合体作为一种E3 泛素连接酶，参与β-catenin 蛋白泛素化降解过程

。Baek 等

研究证明，USP53 可与SCF 复合体连接，抑制βcatenin 蛋白的泛素化过程，促进Wnt 信号通路。当提高USP53 的表达时，间充质干细胞的成骨分化能力也随之增强。

要说白丽筠对我的诱惑，可真不小。首先她的漂亮就令我倾倒，其次她的财富使我一旦选择了她，就可免除半辈子的奋斗，可以说是提前进入了小康。这两条对我都有很强的魅力。可是，所谓“成也萧何败也萧何”，正是这两条优势，成了白丽筠嫁人的负面得分。因为美丽，众人关注，便对她的恶闻广为传播；而一个年轻未嫁的女子，竟有房子车子，这件事更容易使人联想到烟花女子的暧昧与不干净。

4)与社交网络的互动不够密切，不够关注分享的强大功能，让个人的AR有趣体验只是成为个人的体验，而无法进行广泛的传播，与当前强大的互联网及其相关思维格格不入。

研究证明，USP18（UBP43）可降低小鼠的破骨分化能力。干扰素刺激因子（IFN-stimulated gene，ISG）是一种类泛素蛋白，蛋白质的ISG 化与泛素化类似，通过酶级联反应进行共价修饰

。USP18 可作为ISG 修饰系统的解聚酶，负向调节IFN 信号通路，从而影响细胞内的ISG 化过程

。在敲除USP18 蛋白基因的小鼠体内，IFN 信号增强，破骨相关的细胞因子增加，导致RANKL 介导的破骨分化能力增强，骨量减少

。

从图9中可以看出，n相 同的情况下，σ随着的增大近似呈线性增长。n 分别为3、4、6、8时，-=55W/cm2时的最大热应力分别为=5W/cm2时最大热应力的5.72倍、5.66倍、5.52倍和5.51倍，分别增大了0.331、0.291、0.251和0.23Gpa。即当热流密度增大11倍时，各热沉的最大热应力增大5.5倍以上，增大显著。

2.2 USP 对破骨作用的影响

总体看，中央农村工作会议前瞻性地提出的20字乡村振兴战略方针，既是对党的十六届五中全会实施的社会主义新农村建设内容的进一步丰富和完善，也是对原来提出的“经济繁荣、设施完善、环境优美、文明和谐”的社会主义新农村建设目标的进一步明确和清晰，完全符合新形势下农村建设现实需要，符合全面建成小康社会的目标要求。因此，从思想认识高度上看，它标志着我们党和政府对农村建设和发展的认识产生了质的飞跃，推动农业农村发展的理论体系更加完备并切合中国实际；从实践上看，它标志着我们党和政府参与农村建设发展的伟大实践更注重务实性和可操作性，更具社会感召力和传播力。

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甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）在激活成骨细胞与促进成骨方面具有积极作用

。研究表明，PTH 诱导成骨细胞增殖的机制与USP2（UBP41）表达量上调有关

。USP2 作为PTH 受体PTH1R 的去泛素化酶，可抑制PTH1R 的泛素化降解过程。PTH1-34 诱导的小鼠成骨细胞的增殖与USP2 密不可分。

USPs 除了对成骨细胞起作用，还可影响破骨细胞的分化和功能从而调节骨重建。破骨细胞分化过程主要受到核因子κB 受体活化因子配体（receptor activator of nuclear kappa B ligand, RANKL）的调控。在RANKL 参与的信号通路中，RANKL 通过激活NF-κB 信号通路引发下游级联反应，促进破骨细胞特异基因表达。在静息状态下的NF-κB 经典信号通路中，NF-κB 与抑制性IκBα 蛋白形成复合物，阻碍NF-κB 转移至细胞核发挥功能。IκB 激酶（IκB-kinases，IKK）可使IκBα 蛋白磷酸化并从NF-κB 上脱落，激活NF-κB 通路。肿瘤坏死因子受体相关因子6（tumor necrosis factor receptor-associated factor 6，TRAF6）上的多聚泛素链可促进其与IKK 的相互作用，激活IKK 蛋白，进而激活NF-κB信号通路

。圆柱瘤基因（cylindromatosis，CYLD）作为USPs，可降低TRAF6 蛋白的泛素化水平，抑制RANK 介导的信号通路，抑制破骨细胞分化过程［23］。

USP7 又称疱疹病毒相关性泛素特异性蛋白酶（herpes virus-associated ubiquitin specific protease，HAUSP），在人脂肪干细胞（human adipose-derived stem cells，hASCs）成骨分化能力方面具有促进作用。Tang 等

研究发现，USP7 的表达与hASCs 和骨髓间充质干细胞的成骨分化水平成正相关，敲除USP7 基因会抑制小鼠体内的骨生成过程。此外，USP7 还 参 与 调 节Wnt/β-catenin 经 典 信 号 通路

。在缺乏Wnt 信号激活时，β-catenin 蛋白连接到由轴蛋白（Axin）、结直肠腺瘤息肉蛋白与糖原合成酶激酶（glycogen synthetase kinase3，GSK3）形成的复合体，在酪氨酸蛋白激酶1 和GSK3 的作用下磷酸化，进而泛素化被蛋白酶体降解

。 USP7 作为Axin 蛋白去泛素化酶，可提高Axin 蛋白含量，抑制Wnt 通路诱导的MSC 成骨分化过程

。Runt 相关转录因子（runt-related transcription factor 2,RUNX2）是成骨分化以及骨生成过程中必不可少的转录因子

。Kim 等

研究发现，被酪氨酸蛋白激酶2 磷酸化后的RUNX2 会募集USP7，避免RUNX2 蛋白被泛素依赖的蛋白酶体降解，进而促进成骨作用。

综上，USPs 影响破骨作用与RANKL 参与的信号通路有密切关系。相较于USPs 对成骨作用的研究，对于骨吸收的研究相对较少且作用机制类似。除RANKL 外，巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）也是破骨细胞分化过程中必不可少的因子之一。

2.3 USPs 对骨重建调控的其他影响

除了影响骨重建中的骨吸收与骨形成作用，USPs 对骨的影响还体现在其他方面。Nguyen 等

发现，受到机械刺激后，在前列腺素及其受体的作用下，胫骨中的CYLD 蛋白含量下降，导致骨细胞中TGF-β 信号通路受到抑制，从而抑制TGF-β 介导的SMAD2/3 蛋白的磷酸化过程。CYLD 对于机械负荷介导的SMAD2/3 蛋白的抑制和负荷诱导的骨形成过程都是必不可少的。邹浩等

研究发现，在循环牵张力作用下人牙周膜干细胞的成骨分化能力增强的过程中，细胞内的USP12 表达量上调，这提示USP12 与人牙周膜干细胞的成骨分化呈正相关。

在种植体骨结合方面，多项研究揭示USPs 发挥了重要作用。在磨损颗粒引起的骨溶解中，吞噬细胞的激活与促炎因子的释放受到NF-κB 和磷脂 酰 肌 醇3 激 酶（phosphatidylinositol-3-kinases，PI3K）-蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）信号通路的调节。NLRC5（NOD-like receptor family CARD domain containing 5）是一种模式识别受体，可通过抑制IKK 的磷酸化抑制NF-κB 通路，对PI3K/AKT 通路也具有负向调节作用

。Fang 等

研究指出，USP14 作为NLRC5 的去泛素化酶，可提高NLRC5 对NF-κB 和PI3K/AKT 信号通路的抑制作用，减弱钛颗粒诱导的小鼠骨溶解过程。Xue等

构建了小鼠股骨及上颌骨的种植体模型，通过体内实验证实USP34 可通过提高SMAD 和RUNX2 蛋白的稳定性促进BMP 信号通路，而在敲除间充质干细胞内USP34 基因的小鼠体内，种植体与骨结合过程受到明显的抑制。

3 小 结

综上所述，调节骨吸收与骨形成的动态平衡是维持骨稳态的关键。泛素-蛋白酶体系统在调节骨重建中起到了重要的作用，而USPs 是该系统的主要组成部分。近年来，USPs 对骨重建的调节作用不断被发现。但此前的研究更多地侧重于成骨分化与破骨分化过程，除了成骨与破骨细胞，骨细胞在维持骨稳态中也起到了关键作用，但关于USPs 影响骨细胞的研究并不多见。因此，未来的研究应寻找USPs 对骨重建是否具有更多的调节作用，以及其调节作用的具体机制，为临床开发USPs靶向药物，治疗骨骼疾病提供新的思路与途径。

Zhang GR wrote the article. Wu YY, Xiong Y revised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

[1] Kim JM, Lin C, Stavre Z, et al. Osteoblast-osteoclast communication and bone homeostasis[J]. Cells, 2020, 9(9): 2073. doi:10.3390/cells9092073.

[2] Guo YC, Zhang SW, Yuan Q. Deubiquitinating enzymes and bone remodeling[J]. Stem Cells Int, 2018: 3712083. doi: 10.1155/2018/3712083.

[3] Zheng N,Shabek N.Ubiquitin ligases:structure,function,and regulation[J]. Annu Rev Biochem, 2017, 86: 129-157. doi: 10.1146/annurev-biochem-060815-014922.

[4] 孙般若,李春霖,张令强.泛素连接酶在骨形成调节中的作用[J]. 中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志, 2017, 10(6): 572-581.doi:10.3969/j.issn.1674-2591.2017.06.013.Sun BR,Li CL,Zhang LQ.Role of E3 ubiquitin ligase in the regulation of bone formation [J]. Chin Osteoporosis Bone Miner Res,2017,10(6):572-581.doi：10.3969/j.issn.1674-2591.2017.06.013

[5] Mevissen TET,Komander D.Mechanisms of deubiquitinase specificity and regulation[J]. Annu Rev Biochem, 2017, 86: 159-192.doi:10.1146/annurev-biochem-061516-044916.

[6] Clague MJ,Urbé S,Komander D.Breaking the chains:deubiquitylating enzyme specificity begets function[J]. Nat Rev Mol Cell Biol,2019,20(6):338-352.doi:10.1038/s41580-019-0099-1.

[7] Zhou F, Li F, Fang P, et al. Ubiquitin-specific protease 4 antagonizes osteoblast differentiation through dishevelled[J].J Bone Miner Res,2016,31(10):1888-1898.doi:10.1002/jbmr.2863.

[8] Huang P,Yan R,Zhang X,et al.Activating Wnt/β-catenin signaling pathway for disease therapy: challenges and opportunities[J].Pharmacol Ther, 2019, 196(196): 79-90. doi: 10.1016/j.pharmthera.2018.11.008.

[9] Guasto A, Cormier-Daire V. Signaling pathways in bone development and their related skeletal dysplasia[J].Int J Mol Sci,2021,22(9):4321.doi:10.3390/ijms22094321.

[10] Nickel J, Ten Dijke P, Mueller TD. TGF-β family co-receptor function and signaling[J]. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai),2018,50(1):12-36.doi:10.1093/abbs/gmx126.

[11] Zhou F,Xie F,Jin K,et al.USP4 inhibits SMAD4 monoubiquitination and promotes activin and BMP signaling[J].EMBO J,2017,36(11):1623-1639.doi:10.15252/embj.201695372.

[12] Das T, Song EJ, Kim EE. The multifaceted roles of USP15 in signal transduction[J].Int J Mol Sci,2021,22(9):4728.doi:10.3390/ijms22094728.

[13] Herhaus L, Al-Salihi MA, Dingwell KS, et al. USP15 targets ALK3/BMPR1A for deubiquitylation to enhance bone morphogenetic protein signalling[J]. Open Biol, 2014, 4(5): 140065. doi:10.1098/rsob.140065.

[14] Tang Y, Lv L, Li W, et al. Protein deubiquitinase USP7 is required for osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells[J]. Stem Cell Res Ther, 2017, 8(1): 186. doi: 10.1186/s13287-017-0637-8.

[15] Ji L,Lu B,Zamponi R,et al.USP7 inhibits Wnt/β-catenin signaling through promoting stabilization of Axin[J].Nat Commun, 2019,10(1):4184.doi:10.1038/s41467-019-12143-3.

[16] Kim JM, Yang YS, Park KH, et al. A RUNX2 stabilization pathway mediates physiologic and pathologic bone formation[J]. Nat Commun,2020,11(1):2289.doi:10.1038/s41467-020-16038-6.

[17] Park HB,Kim JW,Baek KH.Regulation of Wnt signaling through ubiquitination and deubiquitination in cancers[J]. Int J Mol Sci,2020,21(11):3904.doi:10.3390/ijms21113904.

[18] Guo YC, Wang MY, Zhang SW, et al. Ubiquitin-specific protease USP34 controls osteogenic differentiation and bone formation by regulating BMP2 signaling[J]. EMBO J, 2020, 39(20): e105578.doi:10.15252/embj.2020105578.

[19] Cai L, Liu L, Li L, et al. SCF(FBXO28)-mediated self-ubiquitination of FBXO28 promotes its degradation[J].Cell Signal, 2020,65:109440.doi:10.1016/j.cellsig.2019.109440.

[20] Baek D, Park KH, Lee KM, et al. Ubiquitin-specific protease 53 promotes osteogenic differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells[J]. Cell Death Dis, 2021, 12(3): 238. doi:10.1038/s41419-021-03517-x.

[21] Hariri H, St-Arnaud R. Expression and role of ubiquitin-specific peptidases in osteoblasts[J]. Int J Mol Sci, 2021, 22(14): 7746.doi:10.3390/ijms22147746.

[22] Williams LM, Gilmore TD. Looking down on NF-κB[J]. Mol Cell Biol,2020,40(15):e00104-e00120.doi:10.1128/MCB.00104-20.

[23] Yamanaka S, Sato Y, Oikawa D, et al. Subquinocin, a small molecule inhibitor of CYLD and USP-family deubiquitinating enzymes,promotes NF-κB signaling[J]. Biochem Biophys Res Commun,2020,524(1):1-7.doi:10.1016/j.bbrc.2019.12.049.

[24] Schoggins JW. Interferon-stimulated genes: what do they all do?[J].Annu Rev Virol,2019,6(1):567-584..

[25] Jiménez Fernández D, Hess S, Knobeloch KP. Strategies to target ISG15 and USP18 toward therapeutic applications[J].Front Chem,2019,7:923.doi:10.3389/fchem.2019.00923.

[26] Arimoto KI, Löchte S, Stoner SA, et al. STAT2 is an essential adaptor in USP18-mediated suppression of type I interferon signaling[J]. Nat Struct Mol Biol, 2017, 24(3): 279-289. doi: 10.1038/nsmb.3378.

[27] Zhou Q, Cheng C, Wei Y, et al. USP15 potentiates NF-κB activation by differentially stabilizing TAB2 and TAB3[J]. FEBS J,2020,287(15):3165-3183.doi:10.1111/febs.15202.

[28] Li Q,Wang M,Xue H,et al.Ubiquitin-specific protease 34 inhibits osteoclast differentiation by regulating NF-κB signaling[J]. J Bone Miner Res,2020,35(8):1597-1608.doi:10.1002/jbmr.4015.

[29] Nguyen J, Massoumi R, Alliston T. CYLD, a mechanosensitive deubiquitinase, regulates TGFβ signaling in load-induced bone formation[J]. Bone, 2020, 131: 115148. doi：10.1016/j.bone.2019.115148

[30] 邹浩,常茂琳,张珍,等.USP 12促进循环牵张力作用下人牙周膜干细胞的成骨分化过程[J].口腔医学研究,2021,37(6):528-532.doi:10.13701/j.cnki.kqyxyj.2021.06.011.Zou H,Chang ML,Zhang Z,et al.USP 12 promotes osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under cyclic tension [J]. J Oral Sci Res, 2021, 37(6): 528-532. doi：10.13701/j.cnki.kqyxyj.2021.06.011

[31] Wu Y,Shi T,Li J.NLRC5:a paradigm for NLRs in immunological and inflammatory reaction[J]. Cancer Lett, 2019, 451: 92-99. doi:10.1016/j.canlet.2019.03.005.

[32] Fang G,Fu Y,Li S,et al.The USP14-NLRC5 pathway inhibits Titanium particle-induced osteolysis in mice by suppressing NF-κB and PI3K/AKT activities[J]. J Biol Chem, 2020, 295(20): 7018-7032.doi:10.1074/jbc.RA119.012495.

[33] Xue H,Guo Y,Zhang S,et al.The role of USP34 in the fixation of Titanium implants in murine models[J]. Eur J Oral Sci, 2020, 128(3):211-217.doi:10.1111/eos.12696.