肌骨共生相关信号通路研究进展

刘晏东，邓 强，张彦军，李中锋，彭冉东，郭铁峰，王雨榕，陈 博

1甘肃中医药大学，兰州 730030 2甘肃省中医院，兰州 730050

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量降低、骨组织微结构损坏、骨脆性增加、易发生骨折为特征的全身代谢性骨病。而肌少症(sarcopenia，SP)是以进行性全身肌量减少和功能减退为主要特征的综合征，可导致患者身体残疾、生活质量下降及死亡等不良后果。基于二者共同的病理生理机制及密切相关性，逐渐衍生出“肌少-骨质疏松症(osteosarcopenia，OS)”这一概念，以描述肌肉与骨骼同时发生衰减的现象[1]。肌肉与骨骼在位置上毗邻，既可互相释放机械信号以协调骨密度和肌质量，又可分泌如肌抑素、鸢尾素、骨钙素和骨保护素等生化因子相互调节[2]，信号通路作为肌肉与骨骼之间重要的信号传递途径，如发生异常，则会导致OS的发生[3]。因此，本文就Hedgehog(Hh)、Hippo、mTOR和MAPK等成骨与成肌相关信号通路进行综述，以期为OS的靶向治疗提供新思路。

1 Hh信号通路

Hh信号通路是一种高度保守的信号传导通路，主要由Hh配体、贴片受体(patched，Ptch)、平滑受体(smoothened receptor，Smo)、融合抑制因子(suppressor of fused homolog，Sufu)和转录因子(glioma-associated oncogene homolog，Gli)构成[4]。

1.1 成肌方面

Hh信号通路是肌肉早期发育必需的通路之一，且靶向不同的肌纤维群。Hayes等[5]通过使用环巴胺阻断Hh信号通路，发现被阻断Hh信号传导的快速肌肉细胞在胚胎中停止生长，说明Hh信号通路对正常肌球蛋白链的表达至关重要，此外，Hh信号通路传导和层粘连蛋白γa1能够维持肌球蛋白MF20和F310的正常表达，在肌纤维生长过程中协同作用，二者同时缺乏则会引起胚胎中肌肉分化异常。Shh(Sonic hedgehog)是Hh家族成员之一，可与Wnt通路共同参与成肌过程，包括肌源性调节因子的表达、肌谱系细胞发育、存活和增殖以及肌纤维类型的选择[6]。但目前尚无针对两条信号通路之间相互作用的机制研究。Hamilton等[7]研究发现，成人骨骼肌再生期间Shh表达上调，其受体和靶基因Ptc1在再生肌肉中显著增多；若Shh表达受抑制，则会影响肌源性调节因子 Myf-5 和 MyoD 的活化，降低胰岛素样生长因子-1(insulin like growth factor-1，IGF-1)表达水平和卫星细胞数量，最终导致肌肉萎缩。此外，Vicario等[8]研究发现，Shh与MAPK/ERK和PI3K/AKT通路的协同作用对肌肉细胞的增殖和分化至关重要，并以类似于IGF-1的方式影响这些途径。Hh信号通路可促进肌肉生长，但由于相关研究有限，激活Hh信号通路尚存在一定的风险，实现对Hh信号通路的精准调控并非易事。

1.2 成骨方面

Hh信号通路在成骨方面同样具有重要作用。首先，Hh信号通路可促进骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化。Ohba等[9]研究发现，重组N末端Shh(shhN)可促进BMSCs的增殖和成骨分化，增强碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性、成骨相关基因表达和基质矿化。Hou等[10]研究发现，利拉鲁肽可通过激活Hh信号通路促进成骨细胞MC3T1-E1的增殖和分化，并抑制由血清剥夺诱导的细胞凋亡。此外，Hh信号通路在骨发育和骨修复过程中可与其他信号级联(Wnt、BMP和PTHrP)协同起效，但具体机制目前尚不明确。Zhang等[11]通过敲除小鼠体内Osx-Cre靶向的骨祖细胞和软骨细胞中Smo(Hh通路的关键分子)以灭活Hh信号通路后发现，小鼠的骨形成减少，骨髓脂肪增多，且Hh信号通路可通过上调Wnt信号传导以调节成骨细胞与脂肪细胞的分化。在干预方面，Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2，Runx2)作为成骨细胞分化的启动因子，可在成骨细胞分化过程中增强ALP活性和Ⅰ型胶原蛋白(collagen typeⅠ protein，COL1)表达，并上调Shh表达水平[12]。辛伐他汀可增强成骨分化能力，Hh信号通路也参与辛伐他汀诱导的BMSCs骨分化过程，表现为COL1、ALP和骨钙素(osteocalcin，OCN)的表达上调以及ALP活性增加[13]。此外，多种miRNA也参与由Hh信号通路介导的成骨过程，例如，miR-342-3p已被确定为OP治疗剂，可通过下调Sufu以激活Shh信号加速人脐带来源的间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cells，UCMSCs)的成骨分化[14]。这些研究表明Hh信号通路主要通过介导成骨细胞的增殖，然而尚无明确证据显示Hh通路对破骨细胞具有抑制作用。

2 Hippo信号通路

Hippo信号通路是一种进化信号通路，主要由STE20样激酶(mammalian sterile20-like kinase，MST)1/2、肿瘤抑制因子(serine/threonine protein kinase，LATS)1/2、重组人WW结构域结合蛋白 (recombin-ant human WW domain-binding protein，WBP)1、MOB激酶激活剂(recombinant human MOB kinase activator，MOBA)1、Yes相关蛋白(yes-associated protein，Yap)、具有PDZ结合基序转录共激活因子(transcriptional co-activator with PDZ-binding motif，TAZ)以及TEA结构域(TEA domain family member，TEAD)家族成员组成[15]。

2.1 成肌方面

虽然已在体内外肌源性细胞中鉴定出多种Hippo成分，但其在肌肉质量调节中的作用研究较少。但可以明确的是，Hippo信号通路在肌源性细胞及卫星细胞的增殖、分化及死亡等不同生物过程中发挥重要作用。阮凌等[16]研究发现，在小鼠C2C12细胞增殖过程中，Yap Ser127磷酸化较低且Yap定位于细胞核，而在细胞分化后，Yap Ser127磷酸化增加约20倍并由细胞核转移至细胞质。这说明Hippo信号通路的核心效应因子Yap的mRNA和蛋白质表达在肌源性细胞增殖期间上调，在其分化期间下降。Setiawan等[17]研究发现，Yap活性增加可促进卫星细胞活化并扩大卫星细胞衍生的成肌细胞池，也可与TEAD共同激活成肌细胞中的肌特异性胞苷-腺苷-胸苷元素以促进肌肉再生。此外，TAZ对骨骼肌的促进功能虽弱于Yap，但其可通过刺激蛋白质合成来预防药物导致的肌肉萎缩。除单独作用外，Hippo信号通路还可与其他信号通路协同作用调节骨骼肌质量，包括TGF-β途径、Wnt途径、Sonic-Hedgehog途径及Akt-mTOR途径[18]。这表明Hippo信号通路在体外肌肉生成及体内肌肉发育过程中发挥重要作用，未来可针对如何实现Hippo信号通路的精准调控及调控程度开展进一步研究。

2.2 成骨方面

Yap/TAZ作为Hippo信号通路的关键下游效应因子，可通过促进成骨细胞增殖和抑制破骨细胞分化调节骨稳态。但Yap/TAZ在破骨细胞中的作用尚未明确。Yang等[19]研究发现，Yap/TAZ敲除小鼠破骨细胞过度增殖会加速骨量减少。另有研究表明，敲除Yap和TAZ的转基因小鼠由于成骨细胞形成减少以及破骨细胞数量增加导致OP[20]。这说明Hippo信号通路可抑制RANKL诱导的破骨细胞活动，相反，若Hippo信号通路缺失可导致OP发生。而Hippo信号通路抑制破骨细胞分化的机制可能是Yap/TAZ与TGF激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)结合后共同抑制NF-κB信号传导。Yap/TAZ在促进成骨细胞分化方面同样具有重要作用，Zarka等[21]发现成骨细胞中Yap/TAZ的高表达可增加骨量，而成骨细胞中的Yap/TAZ敲除则会导致OP发生。Yu等[22]研究发现，骨骼干细胞中过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(peroxi-some proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)缺失小鼠会导致TAZ的表达水平降低，进而导致成骨细胞的数量和功能降低。此外，TAZ还可与Runx2等转录因子结合以促进成骨细胞分化。而TAZ和细胞内散乱蛋白(dishevelled，DVL)的相互作用可阻止酪蛋白激酶介导的DVL磷酸化对Wnt/β-Catenin信号传导的抑制。Li等[23]研究发现，源于BMSCs的外泌体可通过Hippo信号通路转移miR-186以促进去势大鼠的成骨作用，这说明Hippo信号通路对雌激素也有一定的调节作用。综上所述，Hippo信号通路在成骨过程中发挥关键作用，但Hippo信号通路在诸多类型的细胞中均有影响，因此可能会对其他细胞的正常功能产生干扰。目前该通路信号传导的具体机制仍不完善，从而限制了该通路在治疗肌骨衰减中的应用，后续仍有待进一步研究。

3 mTOR信号通路

mTOR信号通路是一种合成代谢通路，可对肌骨再生发挥正向作用，mTOR拥有两个不同的催化亚基，即mTORC1和mTORC2[24]。

3.1 成肌方面

肌肉生长受多种因素调节，如机械负荷、营养摄取等，而mTOR是肌细胞活力的主要调节因子，也是干预SP的希望靶标。mTOR信号通路的活性常因内源性和外源性因素的不同(如氧化还原平衡、营养可用性、体力活动)而存在差异。而该通路的激活是通过分子反馈环实现的，该分子反馈环可阻断mTORC1上AKT的激活，因此是肌肉生长或蛋白质合成的交叉点[25]。丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶可能是肌细胞增殖和存活的关键，可通过调节mTORC1和mTORC2影响肌纤维代谢、生长和增殖。而激活PI3K-AKT-mTORC1轴可促进蛋白质合成并抑制蛋白分解，从而保持肌肉细胞稳态，促进肌肉再生[26]。此外，调节肌再生与神经肌肉接头的稳定具有密切联系，而mTORC1信号传导被抑制可触发肌纤维去神经支配，从而影响骨骼肌再生[27]。运动对Raptor(mTORC1重要的支架和调节蛋白)的调节研究表明，mTORC1可能在骨骼肌强烈收缩下控制蛋白质合成[28]，因此运动可作为促进成肌的重要方式。葡萄糖和氨基酸等营养素能够通过mTOR通路激活肌蛋白并促进其合成。但在老年人中，肌纤维组成会向慢肌纤维转变，快肌纤维中葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter type 4，GLUT4)表达也会相应减少，同时肌肉在胰岛素刺激下利用葡萄糖的能力降低[29]，这说明通过补充营养素可有效逆转SP。综上，mTOR通路对于促进肌再生具有重要作用，但过度活化和持续高活性可能会产生负面影响。因此，通过这一机制靶向治疗SP时，需谨慎平衡其激活程度。

3.2 成骨方面

mTOR途径在调节骨骼发育的多个方面发挥重要作用。研究发现，抑制mTORC1信号传导可抑制小鼠BMSCs的成骨分化。相反，IGF-1可通过激活mTORC1信号传导以刺激BMSCs向成骨细胞分化[30]。骨形成信号Wnt配体(如Wnt3a和Wnt7b)可通过PI1K-AKT信号激活mTORC3。而抑制mTORC1信号传导则会阻止Wnt7b诱导ST2细胞向成骨细胞分化，表明Wnt7b可通过激活mTORC1促进骨形成。此外，BMP2也可通过mTORC1依赖性机制诱导成骨发生[31]。这说明mTORC1已成为介导IGF-1、Wnt和BMP等骨合成因子的常见效应物，而mTORC1的失调可能导致OP的发生。一项研究通过敲除小鼠Raptor使 mTORC1 失活，并通过敲除破骨细胞前体中含有LyzM-Cre的Tsc1以激活mTORC1，分别增加或降低了破骨细胞的数量[32]，说明mTORC1可通过直接作用于破骨细胞以抑制骨吸收。此外，mTORC1还可通过抑制NF-κB和NFATc1活性而抑制破骨细胞分化。因此，mTORC1信号传导可能通过直接和间接作用对破骨细胞谱系产生特异性影响，但对其具体作用机制值得进一步研究[33]。与mTORC1类似，mTORC2也可通过调节成骨或破骨细胞增殖与分化改善OP。除刺激成骨细胞分化中的相关因子外，成骨细胞前体中的mTORC2信号传导还通过调节RANKL的表达间接促进骨形成[32]。尽管mTOR信号通路在OP的治疗中具有一定潜力，但也存在使用mTOR信号调节剂的剂量与时机、靶向性、耐药性、安全性等问题。未来研究需进一步探索有效的药物剂型和治疗策略以解决上述问题，提高治疗效果及安全性。

4 MAPKs信号通路

MAPKs信号通路在肌肉与骨骼相关细胞的生物过程中发挥重要作用。目前已鉴定出的3个MAPK家族成员分别为ERK1/2、P38 MAPK和c-Jun NH2末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。

4.1 成肌方面

MAPKs是骨骼肌中主要的转录因子和调节因子，可响应氧化反应和机械应力。有证据表明，部分刺激可通过MAPKs信号通路影响胰岛素抵抗和蛋白质分解代谢。运动是一种间歇性的细胞应激形式，王屿萌等[34]研究证实，运动可激活大鼠骨骼肌中的ERK1/2、p38 MAPK和JNK通路以增加肌肉再生率。ERK1/2在动物模型中可被柔性运动(阻力运动和耐力运动)快速激活，在接受剧烈运动训练(如骑自行车、游泳等)的人体肌肉中也可被快速激活。作为MAPKs信号通路网络中独立的信号组成部分，p38 MAPK由4个同分异构体(p38α、 p38β、p38δ、P38γ)组成，主要在高强度肌肉收缩时被激活[35]。运动也会通过JNK途径刺激信号传导，且现有研究发现JNK的磷酸化随着肌肉收缩力的升高而呈线性增加[36]。综上所述，3个MAPK信号模块均由运动介导，但激活机制又有所不同。此外，氧化应激是SP的发病机制之一，骨骼肌中造成氧化应激的成分主要是活性氧。IGF-1已被证明可以保护肌细胞免受氧化应激影响而促进肌细胞增殖、分化和存活。而这种保护效应可能是通过PI3K-Akt和ERK1/2 MAPK途径进行的[37]。

4.2 成骨方面

MAPKs通常受辅助蛋白(如细胞支架和磷酸酶)的动态调节，这种特性使MAPKs通路能够调控骨组织的代谢和重塑。典型的ERK-MAPK包括ERK1-MAPK3和ERK2-MAPK1两种亚型，二者均在成骨细胞谱系中高表达。研究表明，ERK-MAPK通路在体内外均可促进成骨细胞分化，主要通过控制成骨细胞调节因子(包括Runx2，ATF4和β-连环蛋白)的活性来完成[38]。MAPK p38α是RANKL介导的破骨细胞增殖的重要调节因子，而p38抑制剂可通过调节MAPK p38α抑制破骨细胞增殖来保存骨量。张旭等[39]研究发现，p38受两种上游MAPK激酶(MAP Kinase Kinase，MKK)调节，即MKK3和MKK6；且MKK3可体外调节破骨细胞的分化，缺乏MKK3可使活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T cells c1，NFATc1)的表达降低。此外，破骨细胞特异性基因蛋白酶K、相关受体和基质金属蛋白酶(matrix metallo-protein，MMP)9的表达均受MKK3的影响，说明MKK3可直接介导破骨细胞增殖。而MKK6可能通过增加促炎因子的产生间接介导破骨细胞增殖。前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)可通过调控成骨细胞的生长和分化增加骨量。而PGE2受体激动剂EP2A和EP4A主要通过激活p38 MAPK、ERK及JNK刺激内源性PGE2生成。虽然MAPK通路可通过调控成骨和破骨细胞抗骨质疏松，但该通路还参与其他生物学过程，因此药物靶向该通路时可能会产生副作用。

综上所述，OS 是严重威胁中老年人身心健康的退行性疾病，目前临床上防治该类疾病主要以OP为着力点，尚缺乏同时针对肌肉和骨骼的靶向治疗方案。目前已知Hh、Hippo、mTOR和MAPK等多种信号通路同时作用于肌肉和骨骼，但其具体机制及相互作用仍缺乏深入认识，不利于OS的基础研究和临床转化。未来应进一步以潜在成肌成骨信号传导为研究着力点，明确信号通路上下游效应因子及其对相应靶点的具体作用，为OS的靶向治疗及药物研发提供新思路。

作者贡献：刘晏东、张彦军负责论文撰写；邓强负责论文指导；李中锋、彭冉东负责论文构思；郭铁峰、王雨榕、陈博负责论文修订。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突