Sema 3A/NRP-1信号通路与骨代谢的研究进展

严小凤 冯正平

重庆医科大学附属第一医院内分泌科,重庆 400016

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种慢性骨代谢疾病,其特征在于骨密度降低、骨强度下降以及脆性骨折的风险增加,机制是成骨细胞与破骨细胞之间的骨代谢平衡被打破[1]。随着老龄化社会的不断加重,我国罹患骨质疏松症的人群急速增长,在我国50岁以上老人中,OP的患病率达19.2%[2]。OP常伴有脆性骨折,其导致的高致残率、高死亡率严重降低患者的生活质量。OP具体发病机制目前尚未完全明确,信号素3A(semaphorin 3A,Sema 3A)/神经纤毛蛋白1(neuropilin-1,NRP-1)是其中研究热点。已有报道发现,信号素不仅能抑制骨吸收,同时还促进骨形成[3]。本文对Sema 3A/NRP-1信号通路调节骨代谢的分子机制进行综述,以期对临床防治OP提供理论依据。

1 Sema 3A/NRP-1信号通路

信号素分子家族由20多种糖蛋白组成,这些糖蛋白能够指导细胞迁移和神经轴突的生长[4]。此外,它们还参与了多种生物学过程,例如轴突延伸、心脏功能、血管生成、肿瘤形成、免疫细胞的调节[5],以及骨稳态[6]。其中,信号素家族成员中,Sema 3A是首个被发现于脊椎动物体内,在大脑和骨骼在内的多种组织中均有表达[7]。Sema 3A的受体主要是神经纤毛蛋白1,Sema 3A是Sema 3A/NRP-1信号通路的启动蛋白。

神经纤毛蛋白1为Ⅰ型跨膜糖蛋白,分子质量为120～130 kD,其结构分区特殊,由一个胞内区、跨膜螺旋和胞外区组成[8]。不同分区能够发挥不同的功能,主要是通过结合相应的调节因子,在调节神经发育、血管生成、免疫调节等方面发挥重要作用[9]。NRP-1作为Sema 3A的辅助受体在骨代谢中发挥作用,它主要由破骨细胞前体产生,以高亲和力结合Sema 3A的细胞外配体,并可与其他跨膜分子(Plexins)结合形成全受体,该全受体执行信号转导和下游的募集分子[10]。Sema 3A与NRP-1通过多种途径同步促进骨形成与抑制骨吸收而发挥有效的骨保护作用。

2 对成骨细胞的影响

Sema 3A/NRP-1信号通路调节成骨细胞的增殖分化。笔者研究已发现[11],在2型糖尿病患者中,Sema 3A与骨密度和骨钙素等诸多骨代谢指标呈正相关,而骨钙素主要由成骨细胞分泌,这也证实了Sema 3A对成骨细胞起着正向调控作用,其分子机制如下。

2.1 促进Wnt/β-catenin信号通路的传导

Wnt/β-catenin信号通路是一种重要的骨代谢途径。在这条信号通路中,作为Wnt信号通路关键调节因子的β-连环蛋白在细胞信号传导过程中起重要作用,其在胞质中积累继而向胞核转位,是该信号通路被激活的标志[12]。β-连环蛋白的缺失使破骨细胞数量增加,成骨细胞的数量减少,影响骨的正常生理功能,导致骨质疏松。目前,大多数研究支持Sema 3A可促进成骨细胞增殖分化。Hayashi等[13]研究发现,经Sema 3A处理过的Sema基因敲除小鼠β-连环蛋白的核转位得到上调,刺激成骨细胞分化,抑制脂肪形成,促进了骨形成。刘复州等[14]发现前列腺癌患者多死于肿瘤骨转移,表现为大量成骨细胞异常增加。癌组织中Sema 3A和NRP-1的表达较正常组织增多。他们的实验证实,在高转移性的、具有明显促成骨细胞增殖活性的前列腺癌细胞系中,Sema 3A高表达,且其表达与该癌细胞系促成骨细胞增殖活性呈正相关。前列腺癌细胞通过增加Sema 3A的表达从而增加NRP-1的表达,二者激活Wnt/β-catenin信号通路从而介导了成骨细胞过度活化。这些都证实了Sema 3A与NRP-1通过刺激Wnt/β-catenin信号通路对骨代谢的正向调节作用。

2.2 通过神经支配发挥骨保护作用

Sema 3A是一种重要的轴突引导分子,在神经系统的发育中起着关键调节作用[15]。NRP-1也早被报道参与了神经系统的调控。

Sema 3A的表达与神经支配的建立并行,因此,Sema 3A也有可能通过调节神经系统从而调节骨重塑。NRP-1 同样参与了调节,从神经元突触的细化加工再到正确定位,NRP-1都起着重要作用[16]。Hayashi等[13]发现,成骨细胞源性Sema 3A基因缺失小鼠体内Sema 3A在骨中的表达显著降低,但其骨代谢指标并没有明显改变。与之相比较,神经元细胞源性Sema 3A缺失小鼠则表现出明显的低骨量,这与全身Sema 3A基因敲除小鼠的检测结果相似,这表明所观察到的骨量异常可归因于神经元细胞源性Sema 3A的缺乏。既往研究[6]揭示了Sema 3A与其受体NRP-1之间的结合是骨细胞分化的关键作用。另一方面,Yu等[17]通过研究证实,Sema 3A通过与雪旺细胞相互作用,使得成骨分化增加,并随Sema 3A浓度的增加而升高。NRP-1缺失后神经系统雪旺细胞的迁移显著受损。故在Sema 3A/NRP-1相关的成骨过程中,神经细胞参与成骨分化,并且受Sema 3A与NRP-1的调控。Ma等[18]研究硅化胶原支架时发现硅诱导大鼠感觉神经产生Sema 3A,刺激成骨和血管生成。但也有与之不同的研究结论,Nitzan等[19]通过研究大鼠与兔的视觉神经发现,抑制Sema 3A反而能够促进细胞迁移、轴突生长和视网膜神经节细胞存活。

目前的基础研究表明,Sema 3A和NRP-1可能通过调控神经系统进而影响骨代谢过程。

3 对破骨细胞的影响

3.1 Sema 3A抑制OPG/RANK/RANKL通路

核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)由成骨细胞分泌,激活造血干细胞上的RANK受体并促进破骨细胞成熟,在破骨细胞功能中发挥了重要作用[20]。丛状蛋白(Plexins)和信号素一样最初是在神经系统中被发现,后来研究显示它也与血管发生、心血管发育、上皮细胞侵袭性生长、肿瘤发展有关。其中的丛状蛋白A1(Plexin A1)是一种单次跨膜蛋白,是Sema 3A受体之一。RANKL通过下调NRP-1,使PlxnA1-NRP1复合物形成减少,释放出其中的Plexin A1,继而诱导其形成PlxnA1-TREM2-DAP12复合物。通过增加Sema 3A、NRP-1,使得稳定的全受体Sema3A-NRP1-PlxnA1形成增多,游离的Plexin A1则减少,进而抑制RANKL所诱导的PlxnA1-TREM2-DAP12复合物的形成[21],该复合物参与诱导破骨细胞的分化,从而阻碍了RANKL 诱导的破骨细胞成熟,最终达到减少骨吸收的作用。

3.2 Sema 3A增强抗氧化应激能力

在骨代谢过程中,过量ROS可直接诱导骨组织损伤,抑制骨髓中成骨细胞的分化,并在破骨形成过程中作为炎症介质激活相关通路,引起骨吸收[22]。研究表明,ROS的生成与衰老和雌激素缺乏密切相关,这是由于氧化应激防御能力的下降[23]。还有研究发现[24],β-Catenin在对抗氧化应激的防御机制中也起着重要作用,这是由于它除了能起到介导TCF/Lefs转录的重要作用外,还是FoxOs的重要激活剂。被激活的FoxOs转录因子通过参与自由基清除、DNA修复和细胞凋亡的基因来对抗氧化应激。目前研究已经发现Sema 3A能够促进β-连环蛋白的表达[13]。由此可以得出Sema 3A能够间接增强骨细胞对抗氧化应激的能力,从而对抗氧化应激所致的骨吸收。

4 对骨细胞的影响

4.1 通过促进DMP1的分泌影响骨细胞代谢

牙本质基质蛋白1(dentin matrix protein 1,DMP1)是一种非胶原蛋白,主要表达于骨和牙本质中。目前研究发现,DMP1经蛋白水解酶作用分解成具有化学活性的C-terminal和N-terminal,在促进矿化、调节骨细胞成熟方面起重要作用[25]。Dussold等[26]检测发现,慢性肾病患者由于矿物质和骨代谢过程异常导致骨折风险增加,其血清DMP1水平较健康人群低,且与骨密度和矿物质代谢呈正向相关。Hayashi等[6]敲除小鼠DMP1基因后发现其骨细胞数量比较普通小鼠显著减少,而敲除Sema 3A基因的小鼠也得到了类似结果,同时检测到DMP1低。但经Sema 3A处理后,Sema 3A基因缺陷小鼠表达DMP1增多,骨细胞生存能力增强,骨细胞凋亡减少。同时他们还发现,源自Dmp1+细胞产生Sema3A主要作用于Dmp1+细胞,构成自分泌调节回路,促进DMP1的生成。以上表明Sema 3A通过促进DMP1分泌从而调节骨代谢,促进骨细胞寿命延长。

4.2 激活sGC-PKG通路

Hayashi等[13]研究发现Sema 3A受体复合物可通过sGC(鸟苷酸环化酶)信号传导促进骨细胞存活。使用sGC诱导能激活cGMP(环磷酸鸟苷)依赖蛋白激酶G (PKG),促进雌激素介导的成骨细胞谱系细胞的存活。而通过Sema 3A处理小鼠能得到与sGC激活剂对骨细胞所产生的一致的正向调控作用,具体体现为骨细胞系IDG-SW3细胞中的cGMP水平均显示升高。同时,Sema 3A诱导骨细胞存活的作用能被PKG抑制剂所抑制[6]。说明Sema 3A和sGC激活剂都能诱导PKG下游sGC信号通路的激活,从而保护骨细胞免于凋亡。

5 对免疫系统、细胞因子的影响

免疫系统和细胞因子影响着骨质疏松症的发生发展。共刺激分子、淋巴细胞衍生的细胞因子,在调节骨细胞发育、骨病的发生发展过程中起着重要作用[27]。在自身免疫性疾病如类风湿关节炎中,T淋巴细胞活化后可导致骨量流失。女性绝经后雌激素缺乏,可诱导多种因子表达增加,促进破骨细胞的形成和活化,导致骨吸收增加,骨量减少,形成骨质疏松[28]。

目前研究指出信号素3A参与着免疫系统的调节,从炎症反应的早期到消退阶段都有参与,并调节着众多细胞因子,因此它被认为是一种“免疫信号”[29]。Sema 3A在大多数免疫细胞上都有表达,如T、B细胞和巨噬细胞等。Sema 3A及其受体NRP-1在分化巨噬细胞和活化T细胞的过程中表达增加,这表明它们在调节免疫反应中发挥着重要作用。还有研究报道[30],在树突状细胞和T细胞共培养中加入Sema 3A,能显著抑制T细胞的增殖。与之对照的,如果将Sema 3A直接作用于T细胞,Sema 3A会阻碍抗CD3/CD28诱导的T细胞增殖。相反,当内源性Sema 3A被阻断抗体所中和后,T细胞的增殖出现增加。因此,作为一种有效的免疫调节剂,Sema 3A可能通过调控免疫细胞活化,同时抑制炎症反应,减少骨吸收,从而达到抑制骨破坏的目的。

6 对骨密度的影响

很多研究发现,在终末期肾病[31]、慢性肾病[26]、2型糖尿病[12]、绝经女性[32]等易出现骨质疏松人群中,检测到Sema 3A的水平与骨密度和骨形成指标呈正相关。

综上所述,Sema 3A/NRP-1信号通路对骨代谢过程起着重要作用。它通过参与Wnt、RANK、sGC等多种途径,实现了抑制骨吸收,促进骨形成。由于骨代谢过程的多重调控机制,及信号通路之间的相互交联,使得OP的发病机制变得尤为复杂。Sema 3A/NRP-1信号通路对骨代谢的影响途径仍有诸多值得深入探究之处。