初级纤毛及IFT系统与骨骼发育的研究进展

陈靖综述 何苇审校

遵义医科大学附属口腔医院口腔颌面外科，贵州 遵义 563000

初级纤毛(primary cilia，PC)是感知和传导细胞内外信号从而调节细胞行为的基本感官细胞器[1]。在20世纪60 年代，科学家就发现软骨细胞中存在纤毛[2]。随后的研究表明，纤毛也存在于成骨细胞、骨细胞和间充质干细胞中。颌面骨从胚胎发育以及发育完成后不断重塑改建以适应和满足外界环境变化的一切骨行为都被视为一动态过程。而PC在颌面骨发育及改建过程中则扮演着敏感、平衡的角色[3-4]。PC被认为是胚胎骨发育和维持出生后生长板软骨和关节软骨生长发育的化学传感器和机械传感器[5-6]。许多信号通路如Hedgehog (HH)和Wnt 信号通路的传导与PC密切相关，而且是骨骼发育所必需。目前，越来越多的研究已将骨发育与PC 功能联系起来。本文旨在综述PC在骨发育中的作用，特别是PC依赖纤毛内转运(intraflagellar Transport，IFT)系统层面与骨和软骨形成之间的调控关系，以期最终可能为骨骼和颌面骨发育畸形和相关骨疾病的修复提供新的思路。

1 PC

PC又称静纤毛，是突出于细胞膜表面的一种高度分化的细胞结构，较为普遍的存在于多种非造血组织细胞的细胞膜表面[7]。每个细胞只有一根PC，相较于动纤毛而言，PC缺乏运动所需的两个单中心为微管和动力蛋白臂，因此PC 缺乏合成其自身组装和维持所需蛋白质的能力，故需要依赖于纤毛内转运(intraflagellar transport，IFT)家族蛋白来进行物质转运。IFT最早是在固定的衣藻鞭毛内发现，在其他不同物种中也被研究过，发现它的基本行为都是较保守的。Kozminski 等[8]检测了绿藻衣藻鞭毛中轴丝相关的运动，这是一个公认的纤毛研究模型，这种转运机制即被称为IFT。

纤毛发生过程中，轴丝的伸长和细胞膜的突起形成PC。轴丝构建和纤毛膜蛋白需要排列在特定结构中，以确保PC 发挥正确功能，因此蛋白合成需要很好的调控。蛋白质的生物合成发生在内质网，并通过高尔基体输送到PC，当蛋白质到达PC的基底部时，蛋白质的转运机制是保证纤毛蛋白质正确转运和排列的关键。IFT蛋白不仅负责调控初级纤毛内物质的双向转运，还负责介导细胞质与PC 之间的各种信号分子的传递及交换运输。根据生化特性和运输方向的不同，IFT 蛋白被分为两大类，即IFT-A 复合体和IFT-B复合体[9]。其中IFT-A复合体在Dynein-2 的驱动下主要介导由纤毛顶部向基底部的逆向转运(retrograde)，IFT 蛋白包括IFT144、IFT140、IFT139、IFT122、IFT121和IFT43，而IFT-B复合体在kinesin-2的帮助下主要介导由纤毛基底部向顶部的顺向转运(antero-grade)，IFTB 蛋白有IFT172、IFT88、IFT81、IFT80、IFT74/72、IFT57/55、IFT52、IFT46、IFT27、IFT20[10-11]。由于初级纤毛必需通过IFT 蛋白介导信号分子蛋白的转运，IFT 是负责调控纤毛内物质双向运输的家族蛋白，通过与轴丝连接介导细胞质与纤毛之间物质的交换运输，并持续工作。因此IFT 中任何一个蛋白的缺失都有可能导致初级纤毛异常，从而出现多种发育和细胞信号缺陷，形成纤毛相关疾病。如神经退行性疾病、肥胖、失明、多囊肾、多指畸形、癌症及代谢紊乱等.

2 骨骼的生长发育

骨骼的生长在人的一生中可以分为两个基本过程，始于幼年骨发育，骨重塑于成年后并伴随终生。在幼年骨发育过程中，骨的形状以及大小的变化使得机体适应机械负荷。成年后，骨骼系统始终处于一种动态平衡中，在这过程中由成骨细胞形成和破骨细胞吸收来维持这种平衡状态，两者成年后骨动态平衡的过程就是骨重塑的过程。骨重建对骨稳态的维持和骨骼损伤的修复至关重要，骨形成和骨吸收的平衡一旦被打破，就可能造成骨质疏松等疾病[12]。

颌面骨在胚胎时期主要由神经嵴细胞和中胚层细胞发育而来[13]。骨骼都是由间充质细胞发育而来，间充质细胞在生长因子的调控下分化为软骨细胞和成骨细胞等。脊椎动物的骨骼有两种主要发育机制：一种是膜内成骨，颌面骨中的上颌骨及下颌骨体的生长发育就是以膜内成骨方式进行，表现为骨缝的沉积和表面骨的改建；而下颌支和颞下颌关节中的髁突则是通过另一种软骨内成骨的方式进行[14]。颞下颌关节是由下颌骨的髁突、颞骨的关节面以及之间的关节盘构成。髁突在下颌骨关节运动功能行使中作为直接负载的结构、在出生后的下颌骨生长发育中都扮演着发源地的角色。行使说话及咀嚼功能时，需要髁突软骨来保持下颌的平稳运动，髁突软骨下骨是髁突骨改建与骨重塑的最终呈现区域，其富含神经血管，感受应力的同时为软骨提供营养，在解剖结构上具有更活跃的改建基础。软骨是骨骼系统的重要组成部分，具有分泌软骨基质、缓冲应力冲击、承载重量、维持关节正常活动等独特功能。软骨细胞是软骨组织中的主要细胞，高度分化、增殖和再分化的能力有限。软骨细胞具有生物力学反应性和应激耐受能力。

一些纤毛疾病表现为严重的骨骼和颅面骨发育不良，如Ellis-van Creveld综合征、Jeune窒息胸廓营养不良和短肋多指综合征，表现为短骨、窄胸伴短肋骨和多指[15]。这些研究证实了PC 在正常骨骼发育和修复中所起的关键作用，而骨形成主要由成骨细胞和软骨细胞执行，PC功能障碍与骨骼及颅面骨畸形之间的联系说明了初级纤毛在调节成骨细胞和软骨细胞。也已有研究报道PC参与成骨细胞的排列和极化以及成骨细胞分化和骨形成[16]。在成熟的关节软骨中，PC识别、协调和调节许多细胞信号和过程，执行化学和机械敏感功能。IFT蛋白在髁突软骨发育中的重要性也已有报道，异常的信号通路对软骨下骨改建从而导致颞下颌关节骨关炎[17]。

3 PC及其IFT蛋白对骨发育的调控

PC 存在于各类骨骼细胞类型中，如骨细胞、成骨细胞及其前体细胞，软骨细胞作为一种非增殖期细胞也被证实存在PC，且每个软骨细胞仅有1 根PC[18]。PC不仅存在于骨骼细胞中，也已被证明参与了成骨细胞的排列、极化以及成骨细胞的分化和骨形成，对软骨细胞正常生理功能的维持也至关重要，表现为可协助软骨细胞的胞吞作用、促进增殖并调控凋亡[19]。在这些骨发育细胞中PC 是许多信号机制转导的舞台，对骨骼系统的发育、分化和出生后的动态平衡是必不可少的，在骨骼发育早期，PC 完整性是软骨组织细胞形态和成骨正常发育的基础。目前国内外均有报道，PC 在调节生长板功能和骨骼系统发育信号中发挥着关键作用[20]，同时，在改建期间，PC可通过介导某些受体、离子通道和转运蛋白，以改变自身长度或弯曲程度的途径来响应各种外界机械刺激进行适应性改建[21]。而且PC自身结构和功能的维持对于力学刺激对软骨细胞生长发育调控也至关重要[22]。

同样PC 的IFT 在骨发育中也起着十分重要的作用。PC本身无法合成用以组装、功能行使和介导细胞内外信息的任何蛋白质，需要依赖IFT 家族蛋白将胞浆中合成的纤毛蛋白运输到纤毛内部的特定位置从而发挥功能，IFT不单是运输蛋白的必需体系，还是初级纤毛内与细胞质之间化学信息双向传递的信号使者。在发育的小鼠肢体中，纤毛蛋白如IFT20、IFT80、IFT88 的缺失会导致软骨内骨形成缺陷。IFT52 的变异也会导致不良的骨骼表现[23]。软骨细胞内IFT40的缺失可影响髁突软骨发育，造成髁突软骨形态及软骨下骨矿化改变，导致软骨基质分泌异常和细胞凋亡增加。IFT20 在髁突软骨的动态平衡中发挥着重要作用，有研究显示软骨细胞中IFT20 的缺失严重减弱了纤毛介导的HH 信号，并显著减少了X 型胶原的产生水平，Yamaguch 等[24]采用条件性基因敲除模型小鼠，即在小鼠软骨细胞中特异性敲除了IFT20，观察到小鼠软骨细胞IFT20 缺失会导致小鼠肢体伸展缩短，表明IFT20的表达在软骨内成骨过程中起着关键作用，强调了IFT20在软骨内成骨过程中调节成纤维细胞生长因子的关键重要性，而成纤维生长因子信号则控制着纤毛的长度[23]。IFT20在髁突软骨的顺式高尔基体中高度表达，髁突软骨中IFT20的缺失降低了软骨细胞的增殖和高尔基体大小，并损害了细胞中的纤毛生成。IFT20通过调节高尔基体和HH信号来维持髁突软骨中的软骨基质[25]。IFT88 是青少年骨骼发育过程中生长板的机械力依赖性调节器，确保青少年整个骨骼系统肢体的协调骨化，IFT88缺失损害破骨细胞向外周生长板的募集。IFT88还参与了下颌发育过程中的软骨形成和成骨，其中部分是通过调节HH信号来实现的[26]。

目前，对于软骨组织如何进行力学信号传递的具体机制仍不明确，现已发现软骨细胞骨架及细胞外基质、机械敏感性离子通道等参与了力学转导过程。随着生物物理学的进一步研究，PC 可作为软骨细胞一种新型力学传感器参与关节软骨的力学转导机制也被逐步认识。

4 相关信号因子与PC相互作用后对骨发育的调控

PC是许多信号通路的信号传导中枢，如酪氨酸激酶受体、转化生长因子-β通路、G蛋白偶联受体、HH、Wnt、Notch通路、骨形成发生蛋白等，它们促进了成骨细胞系的分化[27]。PC 还促进了间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)、成骨前细胞和骨细胞中物理信号的机械传导，以促进成骨及参与骨代谢。

在过去的几十年里，关于软骨内骨化的分子机制国内外都已经取得了巨大的进展。研究者们已经认识到转化生长因子-β/骨形态发生蛋白(TGF-β/BMP)、Wnt和HH信号相互作用以控制骨软骨祖细胞的增殖和存活，而如何能够准确的将生长信号因子传导到细胞内从而控制软骨内成骨的研究仍然在起步阶段。

4.1 Hedgehog 信号通路纤毛内转运的有序进行及原纤毛的正常生长和维持，对于HH 信号通路的正常运作至关重要。而当前已有许多研究发现，HH信号通路对于哺乳动物的骨骼和颅面部发育也有至关重要的调节作用，HH 信号通路的突变可能导致颅面畸形，如Hammond 等[28]发现HH信号通路异常会造成脊柱裂、露脑畸形及唇腭裂等[29]；Lorberbaum等[30]也证明了HH信号在胚胎腭突间充质中发生变异会使胚胎口鼻成型发生异常，并导致腭骨的缺损和完全性的腭裂。哺乳动物HH基因有三类：Shh、Ihh、Dhh。初级纤毛的HH 信号传导需要功能正常的IFT 机制，Patches-1(Ptch1)是HH 途径的直接靶点，是成骨细胞分化和骨形成以及骨修复的重要调节器，研究者在IFT52 缺失下研究骨髓间充质干细胞的分化时发现，HH 上调的信号被减弱，Ptch1 的转录水平也显著下降，IFT52 突变小鼠表现出骨骼异常、头面部缺陷。IFT52缺失的MSCs中，SAG介导的HH激活后成骨细胞的分化也不能完全恢复，表明IFT52与HH信号相互影响并介导成骨[28]。IFT80的缺失已被证明扰乱了小鼠MSCs 的PC 发生，并减弱了HH 信号和成骨细胞分化[31]。另一种IFT-A蛋白IFT140在分化的软骨细胞和成骨前体细胞中发现高表达，但随着年龄的增长其表达逐渐减弱，这会进一步导致生长迟缓和侏儒症表型的骨质疏松症以及与增龄性相关的骨丢失[32]。科学家在缺失IFT20的小鼠中发现对于成骨细胞分化非常重要的血小板衍生生长因子表达减少[33]。综上所述，这些研究一致强调了依赖于IFT蛋白的PC通过调节HH信号通路在骨骼以及颅面骨发育中的重要性，同时也进一步为治疗骨相关疾病提供思路。

4.2 Wnt 信号通路Wnt 信号通路分为依赖β-catenin 的经典Wnt 信号通路和不依赖β-catenin 的非经典信号通路。Wnt 信号通路是骨、软骨和关节发育及内稳态的关键调节器，它同时参与膜内成骨和软骨内成骨。是骨和软骨发育中各类生物学过程不可或缺的环节，如间充质细胞的凝聚和分化、成熟关节软骨表型的维持、软骨内成骨过程中肥厚组织的成熟等。Wnt 信号通路除了在骨和软骨发育成熟过程中发挥功能外，对于完全分化后的软骨细胞表型也至关重要。研究还发现了Wnt 信号通路可以在不同的时期对下颌髁突软骨细胞的功能产生调控并参与软骨的发育[34]。这就表明Wnt 信号通路在青春期骨发育、成年期软骨稳态中发挥作用。所以研究Wnt 信号通路在青春期和成年期骨或软骨发育及维持的各类生物学环节对于进一步研究骨或软骨发育不良、骨质疏松、各类骨关节炎及骨折修复等就至关重要。研究发现Ift88 条件性基因敲除的小鼠由于面部中线融合和腭架形成中的严重颅面缺陷而在出生时死亡。此外，在腭裂发生过程中，IFT88介导的纤毛缺陷导致Shh信号下调而Wnt信号上调。除了腭裂缺陷，还表现出上颌突异位过度的骨形成和上颌突异位凋亡[36]。研究还发现IFT88 的缺失下调了Wnt 靶标的表达(Axin2，Lef1，TCF1)。抑制Wnt 信号可能导致软骨生成和血管生成增加。这意味着，依赖于IFT 初级纤毛通过调控Wnt信号通路参与了骨折愈合早期和晚期[37]。

5 结语

综上所述，PC与骨骼的发育及其动态平衡的维持有着密切联系。PC 自身结构及功能以及在其中转导的各种信号通路依赖或非依赖IFT在软骨内成骨及膜内成骨过程中活跃，它通过调控间充质干细胞、成骨细胞、软骨细胞等骨骼细胞来完成骨骼的正常发育及动态平衡的维持。近年来，对于PC、IFT-A、IFT-B及各种信号因子在调节骨细胞行为、骨创伤修复、颌面发育畸形的机制已经取得了很大进展。目前，大多研究已经表明PC依赖于IFT系统并且调节骨发育，但对于不同的IFT 蛋白如何转录调控，以及各种信号分子又是如何在PC 中传递的仍不明确，它们之间的相互作用调控网络十分复杂，还需要进一步的研究。对于PC及相关信号因子对于颌面骨发育的调控，可能会成为研究和靶向治疗颌面骨发育畸形和颌面骨相关疾病，如颞下颌关节骨关节炎的主要方向之一，期待有更多研究帮助研究者们进一步描绘PC 及其相关信号因子与颌面骨发育的调控机制网络图。