Wnt信号通路与骨细胞生物力刺激信号转导间的关系
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇Wnt信号通路与骨细胞生物力刺激信号转导间的关系范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[摘要]wnt信号通路是体内重要的信号调节系统之一，而骨细胞作为骨组织中最主要的应力感受细胞，受载后可引起其内部Wnt信号通路的快速激活，最终调节其基因表达，影响骨改建。该激活过程受诸多调控因子的影响。本文就Wnt信号通路与骨细胞生物力刺激信号转导间的关系，以及该信号转导过程中Wnt信号通路的调控因子等研究进展作一综述。
[关键词]Wnt信号通路；骨细胞；生物力刺激；信号转导
[中图分类号]Q 256[文献标志码]A[doi]10.3969/j.issn.1673-5749.2012.03.013
The relationship between Wnt signaling pathway and mechanotransduction in osteocytesLi Xin, Zhu Zhimin.（Dept. of Prosthodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China）
[Abstract]As one of the most important regulatory systems, Wnt signaling pathway is stimulated very quickly by biomechanical stimulation in osteocytes, which function as key mechanosensory cells in bone. The stimulating procedure is influenced by lots of factors and finally results in regulation of gene expression and bone remolding. This review concludes the research advances concerning the relationship between Wnt signaling pathway and mechanotransduction in osteocytes, and major regulatory factors on the pathway’s stimulation.
[Key words]Wnt signaling pathway；osteocyte；biomechanical stimulation；signaling transduction
生物力刺激对骨组织的生理病理过程具有重要的意义[1-2]。目前的研究进展显示，骨在应力作用下的改建，是由应力感受细胞接收到生物力应力信号后，经翻译加工，产生一定的生物化学信号物质以“告知”生物效应细胞，引导其产生相应的生物学效应的生物力转导过程[3]。骨细胞在成熟的骨组织内数量多且分布广泛，彼此通过间隙连接形成极高的交联度，被认为是生物力转导中最主要的应力感受细胞。
Tatsumi等[4]给在骨细胞表面特异性表达白喉毒素受体（diphtheria toxin receptor，DTR）的转基因小鼠注射白喉毒素，致70%～80%的骨细胞消融，对该种小鼠进行悬尾试验，结果在骨细胞缺乏时，机体不能感受到载荷的降低，故而不会出现由此导致的骨丧失。由此证明，骨细胞对骨生物力转导具有重要的作用。生物力激活的骨细胞内的Wnt信号通路，在多种调控因子作用下调节相应基因的表达，影响骨的改建。
1骨细胞与Wnt信号通路
Wnt蛋白家族由19种高度保守的富含半胱氨酸的非可溶性分泌型糖蛋白组成。Wnt蛋白从组织学角度分为Wnt-1、Wnt-3a、Wnt-8和Wnt-10b经典型，Wnt-4、Wnt-5a和Wnt-11非经典型。经典型Wnt蛋白与跨膜蛋白低密度脂蛋白受体相关蛋白（low density lipoprotein receptor-related protein，LRP）-5、6以及卷曲蛋白（frizzle，Frz）受体结合形成复合物，使细胞质内的蓬松蛋白（dishevele，Dsh）磷酸化并转移到细胞膜上，从而抑制糖原合成酶激酶（glycogen synthase kinase，GSK）-3β对β-连环蛋白的磷酸化，β-连环蛋白蓄积并进入细胞核，与T细胞因子/淋巴细胞增强子结合并调节基因转录[5-6]，从而构成了经典的Wnt/β-连环蛋白信号通路；非经典型Wnt蛋白以不依赖于β-连环蛋白转录功能的形式激活Wnt信号通路，包括非经典的Wnt/钙离子通路、平面细胞极性通路和蛋白激酶A通路[7-8]。
Wnt信号通路参与了骨对生物力刺激的适应性反应，且在作为最主要应力感受细胞的骨细胞中存在着Wnt信号通路的激活[9-10]。生物力可诱导骨细胞中β-连环蛋白核向迁移，然而问题在于这种现象缘于生物力刺激诱导的骨细胞内功能性Wnt蛋白产物的形成，还是其直接作用于β-连环蛋白的结果呢。Santos等[11]分析了MLO-Y4骨细胞样细胞受脉动流体作用后，其内与经典Wnt信号通路相关的蛋白，例如Wnt-3a，分泌型卷曲相关蛋白（secreted frizzle-related protein，sFRP）-4，LRP-5、6，β-连环蛋白等以及与非经典通路相关的蛋白Wnt-5a等的表达。结果除Wnt-5a外，其余均在MLO-Y4骨细胞中表达上调。在该试验中，MLO-Y4骨细胞由流体剪切力诱导的Wnt经典靶基因cd44、连接蛋白（connexin，cx）-43和c-jun的表达均可被Wnt拮抗剂sFRP-4明显降低。由此证实，生物力刺激可调控骨细胞中Wnt信号通路蛋白的表达。
此外，LRP-5对骨生物力转导亦具有重要的作用。lrp-5－/－基因小鼠的尺骨受载后的成骨反应降低了88%～90%，而成骨细胞的招募和激活未受影响。lrp-5基因发生G171V突变的小鼠在废用状态下较野生型小鼠的骨量丧失明显减少，而因非生物力原因如卵巢摘除丧失的骨量，二者间差异无统计学意义[12]。以上结果证实，LRP-5影响骨生长代谢的主要方式是其对生物力信号的反应。在生物力刺激下，LRP-5在MLO-Y4骨细胞中的表达为MC3T3-E1成骨细胞样细胞的66倍，即LRP-5可能在骨细胞Wnt信号通路生物力刺激信号转导中扮演着重要的角色[11]。
2骨细胞中Wnt信号通路的调控因子
Wnt信号通路之所以能够在受载后得以快速激活，是多种调控因子在生物力作用下对其产生影响的结果。其中，备受关注的因子有一氧化氮、地诺前列素、硬化蛋白（sclerostin/SOST）、细胞外蛋白（dickkopf，DKK）-1和雌激素受体（estrogen receptor，ER）-α等。
2.1一氧化氮
一氧化氮是体内已知的介导骨对生物力刺激发生合成代谢反应的早期信号分子。内皮和神经元一氧化氮合酶在骨细胞中均有表达，且二者在骨折患者的骨细胞中的表达水平均有所下降，即一氧化氮调节作用削弱以最大限度地控制骨吸收[13]。一氧化氮的合成在分离出的骨细胞受到生物力刺激后得以快速增多。以（0.7±0.3）Pa、5 Hz的脉动流体作用于体外培养的MLO-Y4骨细胞之后30 min，可维持细胞内β-连环蛋白水平的稳定并由此引发Wnt信号通路的激活，且该效应可被外源性一氧化氮合酶抑制剂N-硝基-精氨酸甲酯所抑制[14]；而脉动流体从加力后5～60 min，可明显地提高MLO-Y4骨细胞中的一氧化氮合成；同时，N-硝基-精氨酸甲酯可阻止该细胞中Wnt靶基因cd44、cx-43和c-jun的表达增高[13]。以上结果皆证实，一氧化氮的确参与了生物力刺激诱导的骨细胞早期Wnt信号通路的活化。
2.2地诺前列素
地诺前列素作为局部调控因子，在骨改建过程中同样扮演着重要的角色。Kamel等[15]证实，外源性地诺前列素的加入可引起MLO-Y4骨细胞中β-连环蛋白的核向迁移，各种水平的脉动流体剪切力均可以快速诱导多量的地诺前列素合成。Liu等[16]使用68 kPa、0.5 Hz的循环水压作用于MLOY4骨细胞，引起了时间依赖的地诺前列素合成的关键酶环加氧酶（cyclo-oxygenase，COX）-2的mRNA水平增高（其在1 h后上调65%，2 h后上调作用受到抑制)。该结果可使细胞内地诺前列素合成增多并由半通道向细胞外释放，经自分泌途径最终促进成骨[7]。
地诺前列素信号与Wnt信号通路间的交互作用，尚涉及骨细胞表达的地诺前列素受体和整联蛋白途径：由半通道释放的地诺前列素与骨细胞表达的地诺前列素受体结合，导致三聚体G蛋白和与之关联的受体激活。其中，一方面Gβγ亚单位激活磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K），致蛋白激酶B磷酸化，最终通过GSK-3β磷酸化维持细胞内β-连环蛋白水平的稳定和Wnt信号通路的活化；另一方面，Gα亚单位与轴抑制蛋白（axis inhibitor，Axin）结合，促进β-连环蛋白降解复合物的解聚[7]。PI3K抑制剂LY-294002和局部黏着斑激酶-14抑制剂可抑制脉动流体诱导的MLO-Y4骨细胞中β-连环蛋白的稳定和Wnt靶基因cd44、cx-43、细胞周期蛋白D1及c-fos的表达上调[14]。这不仅证实了PI3K在以上作用机制中的地位，还为黏着斑激酶-14介导的整联蛋白途径参与地诺前列素和生物力介导的信号通路共同诱导的经典Wnt/β-连环蛋白信号通路激活理论提供了有力的证据。
2.3硬化蛋白
硬化蛋白/SOST单克隆抗体（Scl-Ab）皮下注射右下肢制动的大鼠模型试验[17]和基因敲除的小鼠模型试验[18]证实，由sost基因编码的硬化蛋白是骨形成强有力的负调控因子，其特点是分子中含有的一个胱氨酸结模体[19]，可促进成骨细胞程序性死亡，抑制成骨细胞增殖。sost mRNA在许多组织尤其是在胚胎发生过程中表达，但就硬化蛋白而言，有研究认为其在不同的骨形成细胞中有差异性表达[20]；亦有研究[21]认为其只在出生后埋于矿化基质中的终末分化细胞（如骨细胞）中表达，在成骨细胞、破骨细胞或骨表面衬里细胞中不表达。
硬化蛋白抑制由Wnt信号通路介导的骨形成机制尚无定论，比较清楚的是其与LRP-5、6分子的头两个β-螺旋结构域结合后，拮抗由后者引起的Wnt信号通路的活化[19]。因Wnt信号通路存在于骨细胞中，故硬化蛋白可能通过诱导骨细胞中其他下游信号活化（后者被传递至成骨细胞）而发挥抑制骨形成的作用[7，10]。
骨细胞中硬化蛋白的表达受多种因素的调控，其中包括生物力[20]。Robling等[22]以尺骨加载和鼠尾悬吊下肢减载法研究生物力对硬化蛋白表达的影响，结果在加载后的骨密质和骨小管中，硬化蛋白染色阳性的骨细胞数均明显下降，同时伴成骨率增高，且受力越大的部位，以上变化越显著；而下肢减载后，硬化蛋白染色阳性的骨细胞数无明显变化，sost mRNA转录水平的变化差异亦无统计学意义。另外，sost基因敲除的转基因鼠骨受载后，其经典Wnt信号通路不发生改变[23]。骨细胞靶向消融的转基因小鼠，经鼠尾悬吊减载后，其sost mRNA水平不变[4]。以上结果均证明了骨细胞分泌的硬化蛋白受生物力调控，经Wnt信号通路引起成骨受限的理论的合理性；然而，该结果是单纯由生物力致使sost转录受抑制所引起的，或者可同时引起蛋白水解酶基因的表达致硬化蛋白水平下调，尚需进一步的研究。
2.4细胞外蛋白-1
MacDonald等[24]建立了Dkk-1低表达的转基因小鼠模型，用显微CT观察其8周大时的骨切片，结果显示骨小梁数目及其体积和厚度均明显增高，其程度与Dkk-1水平呈反比。该结果在平时受力最频繁的大腿骨尤其明显。Dkk-1可通过与跨膜蛋白LRP-5、6以及穿膜蛋白（kremen）结合，使LRP内化并降低其与Wnt和Frz形成复合体的能力，故被认为是经典的Wnt信号通路的负调控因子。Dkk-1在成人骨组织中主要由成熟的成骨细胞和骨细胞表达[7]。在Robling等[22]的试验中，尺骨加力24 h可引起dkk-1基因的转录水平下调49%，但与sost基因相比较，dkk-1基因的表达水平为前者的1/10左右。即在生物力诱导的Wnt信号通路活化过程中，硬化蛋白较之Dkk-1占有更主导的调节地位。
2.5雌激素受体-α
ER属于转录因子家族成员之一，通过与其配体的结合被激活，从而调控相应基因的表达。例如，ER-α可在骨细胞、成骨细胞和破骨细胞中表达。经典的ER-α途径由雌激素结合至ER-α，使其磷酸化二聚并易与特异性DNA区段结合进而调控转录；非经典的ER-α途径的活化则无需依赖雌激素[25]。
ER-α可以通过与Wnt信号通路的交互作用调节成骨细胞受生物力刺激后的早期基因表达。在Liedert等[26]的研究中，作为激动剂的雌二醇对生物力引起的MC3T3-E1细胞的Cox-2的表达具有“敏感化”作用（与对照组相比Cox-2表达上调7.2倍），并显示与ER-α相关的“配体特异性”；该“敏感化”作用可受阻于GSK-3β抑制剂，也即为Wnt激动剂的氯化锂。雌激素改变骨对生物力负荷的适应性反应的“阈点”的能力，缘于骨组织细胞中表达的ER-α的数目与功能的间接影响[24]。然而，以上关于ER-α与Wnt信号通路交互作用的研究成果均限于成骨细胞系，其相关机制是否也存在于骨细胞中，尚需进一步的研究。
3结束语
综上所述，骨细胞作为最主要的应力感受细胞，受载后可引起内部Wnt蛋白产物的表达及经典Wnt/β-连环蛋白通路的快速激活。该过程受诸多调控因子的影响，最终调节其基因表达。经典Wnt信号通路在骨细胞生物力刺激信号转导中的作用和反应机制逐渐为人们所了解，但仍有诸多课题有待深入研究。例如应力的种类、大小、频率与细胞中Wnt信号通路激活的量效关系，应力作用下骨细胞内Wnt信号通路调控基因表达的确切机制，骨细胞经Wnt信号通路对其他骨骼细胞的调控机制等等。另外，现有研究仍主要集中在经典Wnt信号通路方面，而对非经典Wnt信号通路在生物力引起骨细胞反应和骨改建过程中可能起到的作用仍缺乏了解。对Wnt信号通路的深入研究有助于认识骨组织的各种生理病理现象，了解应力在某些骨疾病的发病机制和创伤修复过程中的作用，对相关基础研究和临床治疗实践都具有重要的意义。
4参考文献
[1]Wang JH, Thampatty BP. An introductory review of cell mechanobiology[J]. Biomech Model Mechanobiol, 2006, 5（1）：1-16.
[2]郑翼,陈国平,周征,等.机械压力对成骨样细胞增殖活性及功能状态的影响[J].华西口腔医学杂志, 2002, 20（1）：18-20.
[3]Donahue HJ. Gap junctions and biophysical regulation of bone cell differentiation[J]. Bone, 2000, 26（5）：417-422.
[4]Tatsumi S, Ishii K, Amizuka N, et al. Targeted ablation of osteocytes induces osteoporosis with defective mechanotransduction[J]. Cell Metab, 2007, 5（6）：464-475.
[5]Tamai K, Semenov M, Kato Y, et al. LDL-receptor-related proteins in Wnt signal transduction[J]. Nature, 2000, 407（6803）：530-535.
[6]Chen Y, Whetstone HC, Youn A, et al. Beta-catenin signaling pathway is crucial for bone morphogenetic protein 2 to induce new bone formation[J]. J Biol Chem, 2007, 282（1）：526-533.
[7]Bonewald LF, Johnson ML. Osteocytes, mechanosensing and Wnt signaling[J]. Bone, 2008, 42（4）：606-615.
[8]Frances M, Kong WN. Is Wnt signalling the final common pathway leading to bone formation[J]. Mol Cell Endocrinol, 2009, 310（1/2）：52-62.
[9]Jansen JH, Eijken M, Jahr H, et al. Stretch-induced inhibition of Wnt/beta-catenin signaling in mineralizing osteoblasts[J]. J Orthop Res, 2010, 28（3）：390-396.
[10]Hens JR, Wilson KM, Dann P, et al. TOPGAL mice show that the canonical Wnt signaling pathway is active during bone development and growth and is activated by mechanical loading in vitro[J]. J Bone Miner Res, 2005, 20（7）：1103-1113.
[11]Santos A, Bakker AD, Zandieh-Doulabi B, et al. Pulsating fluid flow modulates gene expression of proteins involved in Wnt signaling pathways in osteocytes[J]. J Orthop Res, 2009, 27（10）：1280-1287.
[12]Sawakami K, Robling AG, Ai M, et al. The Wnt coreceptor LRP5 is essential for skeletal mechanotransduction but not for the anabolic bone response to parathyroid hormone treatment[J]. J Biol Chem, 2006, 281（33）：23698-23711.
[13]Caballero-Alias AM, Loveridge N, Pitsillides A, et al. Osteocytic expressionof constitutive NO synthase isoforms in the femoral neck cortex：A casecontrol study of intracapsular hip fracture[J]. J Bone Miner Res, 2005, 20（2）：268-273.
[14]Santos A, Bakker AD, Zandieh-Doulabi B, et al. Early activation of the b-catenin pathway in osteocytes is mediated by nitric oxide, phosphatidyl inositol -3 kinase/ Akt, and focal adhesion kinase[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2010, 391（1）：364-369.
[15]Kamel MA, Picconi JL, Lara-Castillo N, et al. Activation ofβ-catenin signaling in MLO-Y4 osteocytic cells versus 2T3 osteoblastic cells by fluid flow shear stress and PGE2：Implications for the study of mechanosensation in bone[J]. Bone, 2010, 47（5）：872-881.
[16]Liu C, Zhao Y, Cheung WY, et al. Effects of cyclic hydraulic pressure on osteocytes[J]. Bone, 2010, 46（5）：1449-1456.
[17]Tian X, Jee WS, Li X, et al. Sclerostin antibody increases bone mass by stimulating bone formation and inhibiting bone resorption in a hindlimb -immobilization rat model[J]. Bone, 2011, 48（2）：197-201.
[18]Li X, Ominsky MS, Niu QT, et al. Targeted deletion of the sclerostin gene in mice results in increased bone formation and bone strength[J]. J Bone Miner Res, 2008, 23（6）：860-869.
[19]Weidauer SE, Schmieder P, Beerbaum M, et al. NMR structure of the Wnt modulator protein sclerostin[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2009, 380（1）：160-165.
[20]Papanicolaou SE, Phipps RJ, Fyhrie DP, et al. Modulation of sclerostin expression by mechanical loading and bone morphogenetic proteins in osteogenic cells[J]. Biorheology, 2009, 46（5）：389-399.
[21]Moester MJ, Papapoulos SE, L觟wik CW, et al. Sclerostin：Current knowledge and future perspectives[J]. Calcif Tissue Int, 2010, 87（2）：99-107.
[22]Robling AG, Niziolek PJ, Baldridge LA, et al. Mechanical stimulation of bone in vivo reduces osteocyte expression of sost/sclerostin[J]. J Biol Chem, 2008, 283（9）：5866-5875.
[23]Lin C, Jiang X, Dai Z, et al. Sclerostin mediates bone response to mechanical unloading via antagonizing Wnt/ beta-catenin signaling[J]. J Bone Miner Res, 2009, 24（10）：1651-1661.
[24]MacDonald BT, Joiner DM, Oyserman SM, et al. Bone mass is inversely proportional to Dkk1 levels in mice[J]. Bone, 2007, 41（3）：331-339.
[25]Lee KC, Lanyon LE. Mechanical loading influences bone mass through estrogen receptorα[J]. Exerc Sport Sci Rev, 2004, 32（2）：64-68.
[26]Liedert A, Wagner L, Seefried L, et al. Estrogen receptor and Wnt signaling interact to regulate early gene expression in response to mechanical strain in osteoblastic cells[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2010, 394（3）：755-759.（本文编辑刘世平）