破骨细胞细胞膜融合的研究现状

李心照， 康非吾

（上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院口腔颌面外科，上海 200072）

破骨细胞是在特定的情况下由造血系统中的单核细胞融合而成的多核细胞， 是目前发现的唯一一个具有骨吸收功能的细胞。 它的分化过程复杂而有序， 破骨细胞的体积大小与骨吸收功能相关， 所以融合过程对于破骨细胞的骨吸收功能活性至关重要。 细胞融合是2 个或多个单核细胞形成多核细胞的过程， 对多核细胞的发育及行使功能至关重要。

近年来，人们对破骨细胞融合相关分子机制的研究越来越多，这就为治疗破骨细胞相关的骨代谢疾病提供了新的治疗靶点。 本文旨在对一些破骨细胞融合的研究现状进行综述。

1 破骨细胞融合的过程

细胞融合通常见于受精发生、胎盘生成、炎症形成、肌肉和骨骼发育等过程中，并在每个过程中起到了不可替代的作用。 破骨细胞的融合过程包括2 个破骨细胞前体细胞间相互识别后， 细胞质膜变形，其磷脂双分子层相互接触，形成外层小叶混合的半融合结构， 接着内层小叶融合形成融合孔，融合孔缓慢扩张，使得细胞内容物完全混合，即完成细胞融合[1]。

2 破骨细胞融合的机制

1 个多核破骨细胞形成的过程中包括多种类型的细胞融合，例如2 个单核细胞之间的融合，1 个多核细胞与1 个单核细胞的融合，以及2 个多核细胞之间的融合。 而形成多核破骨细胞的过程中以1 个单核细胞和1 个多核细胞间的融合为主。 这是一个多基因调控且多因素控制的过程， 其中核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）及巨噬细胞集落刺激因子 （macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）为最主要的2 类细胞因子。 RANK 与其受体结合后激活TRAF6 信号通路， 同时激活下游的NF-κB 和MAPK 通路，最终激活转录因子活化T 细胞核因子c1（nuclear factor of activated T-cells，NFATc1），增加了破骨相关基因的表达， 调控破骨细胞的分化融合，从而促进破骨细胞形成[2-3]。

3 破骨细胞融合的影响因素

3.1 物理因素

3.1.1 低氧 在异常的低氧状态下，低氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是目前发现的在骨组织或细胞中适应低氧微环境最直接的调控因子。 本课题组在前期的研究[4]过程中发现，HIF-1αfl/fl/ctsk-cre C57 破骨细胞条件性敲除小鼠原代单核细胞诱导分化的Trap 染色结果可见，CKO 组小鼠细胞未见明显分化，Trap 阳性面积和数量明显小于对照组， 表明HIF-1α 的缺失显著抑制RANKL 及M-CSF 诱导的破骨细胞分化及生成的数量。 Huang 等[5]的研究表明，缺氧可促进口腔鳞癌细胞与人永生化口腔上皮细胞的自发融合，为细胞融合和癌症之间的联系提供一个新的思路。

3.1.2 微重力和辐射 微重力下缺乏负重和宇宙辐射都被认为是造成航天员骨质丢失和骨质疏松症的风险因素。 研究者在体外模拟微重力条件，用不同剂量的γ 射线照射细胞，发现仅0.1 Gy 剂量的辐射就可以刺激破骨细胞融合，包括Trap 和树突状细胞特异性跨膜蛋白 （dendritic cell-specific transmembrane protein，DC-STAMP）的表达增加。然而，当剂量超过0.5 Gy 时，破骨细胞融合减少。 而与辐射暴露相比， 模拟微重力诱导了更高程度的细胞融合，且这2 种环境因素的影响呈相加效应[6]。

3.2 化学因素

3.2.1 多糖 糖尿病会引起一系列的骨代谢性疾病。有研究表明，高糖在RANKL 诱导单核细胞向破骨细胞分化的过程中会抑制c-fos、NFATc1 等转录因子的表达，从而影响破骨细胞的分化[7]。 而c-fos、NFATc1 等在破骨细胞分化融合中也起到一定的作用[2]，因此我们推测高糖可能在细胞融合过程中发挥作用。

3.2.2 无机磷 在患有严重的肾功能衰竭并伴有骨代谢障碍的高磷血症患者中，其血清中的无机磷（Pi）会升高。 Arioka 等[8]的研究表明，Pi 通过抑制鼠破骨细胞前体细胞中的NFATc1 和DC-STAMP 表达来抑制破骨细胞生成。 可能是Pi 通过抑制c-fos的表达， 影响转录因子AP-1 结合位点抑制了DCSTAMP 启动子活性。

3.3 生物因素

3.3.1 炎症 有学者证明了四环素类抗生素米诺环素成功地抑制了肿瘤坏死因子-α （tumor necrosis factor α，TNF-α） 诱 导 的MDA-MB-435 癌 细 胞 与M13SV1 乳腺上皮细胞的融合[9]。除RANKL 外，TNF-α、脂 多 糖（lipopolysaccharide，LPS）、肽 聚 糖（peptidoglycan，PGN）均可诱导细胞融合，而在不同的处理下，融合过程中NFATc1 和DC-STAMP 的表达量无明显差异。

3.3.2 膜蛋白 DC-STAMP 是由Tm7s4 基因编码的7 次跨膜蛋白， 在树突状细胞或白细胞介素4（interleukin 4，IL-4） 活化的巨噬细胞中首次被发现。 它在破骨细胞形成过程中对细胞间融合至关重要。DC-STAMP 能够在RANKL 的刺激下表达增加，且在DC-STAMP 缺陷小鼠体内外破骨细胞的多核性完全消失，但破骨细胞分化标志物表达正常，表明破骨细胞细胞融合而不是分化需要DC-STAMP[10]。在体外，抗DC-STAMP 单克隆抗体成功地阻断了破骨细胞的形成，在体内DC-STAMP-/-的条件性敲除小鼠具有轻度骨质疏松症，并仅形成具有有限吸收能力的单核细胞[11]。

破骨细胞多次跨膜蛋白 （osteoclast stimulatory transmembrane protein， OC-STAMP） 是一种与DCSTAMP 在结构与功能上都类似的6 次跨膜蛋白，属于G 蛋白偶联受体超家族成员，编码基因在结构上高度保守。 它也受到RANKL/RANK 信号通路的调控。Witwicka 等[12]发现，6 周的OC-STAMP 基因缺陷小鼠股骨的干骺端Trap 阳性区数目较少且面积较小，但血清中骨转换标志正常。与M-CSF 和RANKL培养时，单核细胞没有融合，通过慢病毒转染恢复敲除细胞中的OC-STAMP 可恢复融合和吸收。

CD47 即整合素相关蛋白， 其可以作为信号调节蛋白a（signal regulatory protein-a，SIRP-a）的配体影响破骨细胞前体细胞之间的识别进而影响破骨细胞融合。在体外实验中，敲除或抑制CD47 的活性可导致Trap 阳性的多核破骨细胞数量明显减少[13]。

CD44 是一种细胞表面糖蛋白， 在多核破骨细胞中，共聚焦显微镜显示骨桥蛋白（osteopontin，OPN）和CD44 在运动性破骨细胞中高度共存。在OPN 缺失和CD44 缺失小鼠产生的破骨细胞中， 细胞移动和伪足突起减少，细胞融合受损，破骨细胞的运动性和吸收活性明显受损[14]。

ATP6v0d2 是破骨细胞质膜中质子泵的重要组成部分， 是骨吸收过程中细胞外酸化的辅助物质。Lee 等[15]认为，小鼠ATP6v0d2 的缺失可引起有缺陷的破骨细胞生成，导致骨量显著增加，ATP6v0d2 缺乏并不影响破骨细胞的分化或v-ATPase 活性，但是破骨细胞前体融合需要ATP6v0d2。

人内源性逆转录病毒HERVW1 的包膜蛋白Syn cytin-1（Syn-1）在胎盘滋养细胞中高度表达，在人类胎盘生成中介导融合，已被证明在破骨细胞生成中同样发挥作用。 Syn-1 的表达促进了2 个多核破骨细胞之间的融合，但不能促进2 个单核破骨细胞前体之间的融合。 抑制Syn-1 的活性可以同时抑制多核破骨细胞的形成和破骨细胞成熟的生化标记物Trap 的表达[16]。

ATP 是P2X7 受体（purinergic receptor，P2X7R）的激动剂，P2X7R 的短暂激活可以导致膜的快速去极化， 在几秒钟内发生膜渗透性状态的变化。P2X7R 具有成孔作用， 使用P2X7R 的抑制剂或降低P2X7R 基因表达会显著抑制破骨细胞前体间的融合[17]。

3.3.3 细胞因子 巨噬细胞炎性蛋白1-α 也称趋化因子配体3（chemokine ligand 3，CCL3），是一种调节巨噬细胞向炎症关节转运的趋化因子。Jordan 等[18]关于CCL3 在炎性关节炎中作用的研究显示，抑制破骨细胞相关的CCL3 减少了破骨细胞前体细胞的融合和破骨细胞的骨吸收功能，同时减轻了关节炎相关的骨丢失。

B 细胞淋巴瘤6（B-cell lymphoma 6 protein，Bcl6）可抑制破骨细胞分化，并抑制DC-STAMP、NFATc1、组织蛋白酶K 等破骨细胞基因的表达。Bcl6 基因缺陷小鼠表现出破骨细胞生成增强和骨量减少[19]。

4 破骨细胞融合的生理病理学意义与展望

破骨细胞的融合过程十分复杂，其中涉及到了很多细胞因子及信号转导通路的调控，目前已知的DC-STAMP、CD 分子、Syn-1 等因子在破骨细胞融合过程中发挥了重要作用。 生理状态下，由成骨细胞介导的新骨形成和破骨细胞介导的骨质吸收之间保持着一种动态平衡，以此来保持骨骼系统的强度和完整性。 而当机体处于如骨质疏松、类风湿性关节炎、 牙周炎等病理状态时，DC-STAMP 等破骨细胞融合蛋白表达增加， 导致破骨细胞过度融合，破坏成骨与破骨之间的平衡，造成溶骨性破坏。 然而破骨细胞的大小与其生物学功能直接相关，并且破骨细胞在骨代谢的过程中发挥着不可替代的功能，对于维持骨环境的稳态必不可少。 因此，破骨细胞形成过程中细胞融合这一关键步骤的研究，能够帮助我们进一步了解破骨细胞的生物学机制，为临床上治疗相关的骨代谢疾病提供新的思路。