表觀遺傳調(diào)控與骨質(zhì)疏松癥的研究進展

鄭 潔，郭海英，潘思京，張鵬飛

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 第二臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.陜西中醫(yī)學(xué)院 針灸推拿系，陜西 咸陽 712046)

短篇綜述

表觀遺傳調(diào)控與骨質(zhì)疏松癥的研究進展

鄭 潔1，2，郭海英1*，潘思京1，張鵬飛1

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 第二臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.陜西中醫(yī)學(xué)院 針灸推拿系，陜西 咸陽 712046)

表觀遺傳指所有不通過 DNA序列改變就能影響基因表達的、可遺傳的調(diào)控方式，包括 DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和微小RNA(miRNA)等。骨質(zhì)疏松的發(fā)生與環(huán)境和遺傳因素的相互作用密不可分，其中涉及多種表觀遺傳調(diào)控機制。

表觀遺傳; 骨質(zhì)疏松癥; DNA甲基化; 組蛋白修飾; 微小RNA

骨不僅具有支持軀體、保護內(nèi)臟器官的作用，還兼具多種代謝功能，尤其在維持機體礦物質(zhì)平衡中發(fā)揮著重要作用。骨組織自發(fā)育階段就始終處于骨吸收與骨形成不斷循環(huán)的動態(tài)平衡，這一過程被稱為骨重塑。當(dāng)骨吸收大于骨形成時，就會引起骨量減少，進而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。表觀遺傳(epigenetics)指所有不通過 DNA序列改變就能影響基因表達的、可遺傳的調(diào)控方式，包括 DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和微小RNA(miRNA)等[1]。近年的研究發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳機制在包括骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生中起到了不可忽視的作用。本文將近年來表觀遺傳機制在骨代謝及骨質(zhì)疏松癥發(fā)病中的研究進展作一綜述。

1 表觀遺傳調(diào)控與骨形成

骨形成是間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs) 通過遷移、增殖、分化，在骨吸收部位形成成骨細胞，并介導(dǎo)新骨組織形成的過程，其中MSCs 的成骨分化是骨形成的核心過程[2]。研究發(fā)現(xiàn)，MSCs 的成骨分化涉及多種復(fù)雜的表觀遺傳調(diào)控機制，包括DNA甲基化、miRNA和組蛋白修飾。

1.1 DNA甲基化與成骨分化

DNA甲基化主要發(fā)生在CpG雙核酸位點。通常DNA甲基化會抑制所調(diào)控基因的表達而在組織特異性基因沉默、基因組印記及染色體穩(wěn)定性維持等過程中發(fā)揮重要功能。堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)是由成骨細胞分泌并催化骨礦化的酶，其活性在成骨細胞保持較高水平而在骨細胞逐漸降低。研究發(fā)現(xiàn)，人成骨細胞和骨細胞的ALP啟動子區(qū)具有相反的DNA甲基化譜，前者ALP啟動子區(qū)呈低甲基化，后者ALP啟動子區(qū)呈高甲基化，表明DNA甲基化途徑可抑制ALP在骨細胞的表達[3]。成骨細胞骨轉(zhuǎn)移中，硬化蛋白編碼基因(SOST)在成骨細胞的低表達與SOST啟動子區(qū)高甲基化密切相關(guān)[4]。骨髓MSCs中核心結(jié)合因子(Runx2)、骨鈣蛋白(BGLAP)及骨橋蛋白的高表達常伴隨過渡性CpG島低甲基化，表明CpG島的低甲基化參與了成骨分化的調(diào)控[5]。

1.2 miRNA與成骨分化

miRNA是一種普遍存在的內(nèi)源性單鏈小分子非編碼蛋白質(zhì)的RNA，由21～25個核苷酸組成，miRNA通過與目的基因結(jié)合介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控。miRNA陣列分析顯示，MSCs向成骨細胞分化過程中，一些miRNA表達水平的變化會影響目的基因的轉(zhuǎn)錄，進而調(diào)控MSCs成骨分化[6]?，F(xiàn)已證實，Runx2和Smads等關(guān)鍵成骨轉(zhuǎn)錄因子的表達均受到miRNA的調(diào)控。miR-204和其同源物miR-211，以及miR-133、miR-135b等對Runx2的表達具有抑制作用[7-8]。反過來，Runx2也調(diào)控一些參與成骨過程的miRNA的表達[9]。此外，miR-23a ～ 27a ～ 24-2復(fù)合物可通過對人特異性富含AT序列結(jié)合蛋白2(SATB2)的負(fù)向調(diào)控抑制成骨過程[9]。miR-29a和miR-29c參與調(diào)節(jié)Wnt信號通路并抑制骨結(jié)合素的表達[10]。與以上miRNA對成骨分化的負(fù)向調(diào)控作用相反，還有一些miRNA對成骨過程具有促進作用。miR-335-5p抑制Dkk1(Wnt信號通路的抑制劑)，提高Wnt信號通路活性，促進成骨分化[11]。

此外，組蛋白修飾及染色質(zhì)重塑在成骨分化進程中也發(fā)揮了不可忽視的調(diào)節(jié)作用。多種成骨相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子可在目標(biāo)啟動子區(qū)誘導(dǎo)染色質(zhì)重塑[12]。組蛋白上的很多氨基酸可以通過各種翻譯后的可逆的共價鍵修飾，包括甲基化、乙?；⒘姿峄头核鼗?，形成理論上數(shù)目繁多的特定的“組蛋白密碼”來形成“開放”或“關(guān)閉”的局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，或是決定何種蛋白結(jié)合到特定 DNA 區(qū)域，從而調(diào)節(jié)多種 DNA 功能。研究發(fā)現(xiàn)，Runx2、AP-1、ATF4和Smads等成骨相關(guān)基因均受組蛋白修飾調(diào)控[13]。

2 表觀遺傳調(diào)控與骨吸收

2.1 DNA甲基化、組蛋白修飾與破骨細胞分化

破骨細胞是唯一的骨吸收細胞，破骨細胞激活構(gòu)成了骨重塑的重要環(huán)節(jié)。破骨細胞分化是由成骨細胞系統(tǒng)啟動，后者通過釋放細胞因子及其他一些因子調(diào)控破骨細胞功能及其分化[14]。其中，骨保護蛋白(OPG)、NF-кB受體激活劑(RANK)和NF-кB受體激活劑配體(RANKL)構(gòu)成了成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞生成及功能發(fā)揮的重要系統(tǒng)，多種細胞因子或激素最終通過RANKL-RANK-OPG系統(tǒng)完成對破骨細胞的分化、成熟的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化依賴機制通過影響人骨組織中RANKL和OPG的基因轉(zhuǎn)錄參與調(diào)控破骨細胞分化[15-16]。

組蛋白去乙?；敢种苿┑捏w外實驗證實，組蛋白乙酰化也參與了破骨細胞的活性的調(diào)節(jié)[17]。 RANKL與其受體RANK(位于破骨細胞前體的細胞膜上)結(jié)合后，可誘導(dǎo)激活性T細胞細胞核因子(NFATc1)的活化及核轉(zhuǎn)移，通過誘導(dǎo)多種目的基因的表達促進破骨細胞的分化[18]，而NFATc1活性可能受到Jmjd3(一種組蛋白去甲基化酶)及miR-146a的調(diào)控[19-20]。

2.2 miRNA與破骨細胞分化

除了DNA甲基化和組蛋白翻譯后修飾，miRNA在破骨細胞發(fā)生中也發(fā)揮了正性或負(fù)性的調(diào)控作用。miRNA的生成必須通過Dicer酶(雙鏈RNA專一的RNA內(nèi)切酶)對初始miRNA(pri-miRNA)的切割。體外實驗發(fā)現(xiàn)，破骨細胞特異性Dicer酶的缺失可抑制破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收過程，提示miRNA在破骨細胞生成及骨吸收過程中發(fā)揮了正性調(diào)控作用[21]。還有研究發(fā)現(xiàn)，miR-21 和 miR-155可下調(diào)一些破骨細胞分化抑制性基因的表達而促進破骨細胞的分化[22-23]。此外，不僅成骨細胞可調(diào)節(jié)破骨細胞的活性，破骨細胞也能影響成骨分化，其機制可能涉及miRNA調(diào)控[24]。

3 表觀遺傳調(diào)控與骨質(zhì)疏松癥

以上研究表明，表觀遺傳機制在很大程度上決定著細胞分化的方向，在骨重塑中發(fā)揮著重要作用。骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生與遺傳因素和環(huán)境因素的相互作用密不可分，其中涉及多種表觀遺傳學(xué)變化。大鼠孕產(chǎn)期飲食限制會引起編碼糖皮質(zhì)激素受體和過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARα)基因的甲基化水平改變，這一變化會持續(xù)到母鼠斷奶后并可遺傳給下一代[25-26]。有人報道，3種DNA多態(tài)性可以改變調(diào)控人成纖維細胞生長因子2(FGF2)基因水平的特異性miRNA的結(jié)合親和力，這有助于判斷骨質(zhì)疏松癥的易感性[27]。局部黏著激酶(FAK)信號途徑是成骨分化中骨力學(xué)信號傳導(dǎo)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，miR-138可抑制FAK的表達，阻礙成骨過程，與骨質(zhì)疏松的發(fā)生密切相關(guān)[28]。

4 展望

以上研究證實，表觀遺傳機制影響著骨骼發(fā)育及骨質(zhì)疏松癥發(fā)病的風(fēng)險。

但DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA表達參與骨質(zhì)疏松癥發(fā)病的具體機制還有待闡明。表觀遺傳微陣列、高通量測序等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用將有助于在全基因組基礎(chǔ)上建立一套完整的關(guān)于正常骨和骨疾病的表觀遺傳譜。疾病特異性表觀遺傳標(biāo)志物的識別將有助于臨床診斷與預(yù)防。DNA甲基化/去甲基化和miRNA比RNA更加穩(wěn)定，可嘗試被應(yīng)用于骨質(zhì)疏松癥的臨床治療。同時，現(xiàn)有調(diào)控骨代謝的治療手段也同樣值得深入研究，以揭示其可能存在的表觀遺傳調(diào)節(jié)機制。

[1] Esteller M. Cancer epigenetics for the 21st century: what’s next[J]. Genes Cancer, 2011, 2:604-606.

[2] Hadjidakis DJ, Androulakis Ⅱ. Bone Remodeling[J]. Ann N Y Acad Sci, 2006, 1092:385-396.

[3] Delgado-Calle J, Sanudo C, Sanchez-Verde L,etal. Epigenetic regulation of alkaline phosphatase in human cells of the osteoblastic lineage[J]. Bone, 2011, 49:830-838.

[4] Delgado-Calle J, Sanudo C, Bolado A,etal. DNA methylation contributes to the regulation of sclerostin expression in human osteocytes[J]. J Bone Miner, 2012, 27:926-937.

[5] Arnsdorf EJ, Tummala P, Castillo AB,etal. The epigenetic mechanism of mechanically induced osteogenic differentiation[J]. J Biomech, 2010, 43:2881-2886.

[6] Gao J, Yang T, Han J,etal. MicroRNA expression during osteogenic differentiation of human multipotent mesenchymal stromal cells from bone marrow[J]. J Cell Biochem, 2011, 12:1844-1856.

[7] Huang J, Zhao L, Xing L,etal. MicroRNA-204 regulates Runx2 protein expression and mesenchymal progenitor cell differentiation[J]. Stem Cell, 2010, 28:357-364.

[8] Schaap-Oziemlak AM, Raymakers RA, Bergevoet SM,etal. MicroRNA hsamiR-135b regulates mineralization in osteogenic differentiation of human unrestricted somatic stem cells[J]. Stem Cells Dev, 2010,19:877-885.

[9] Hassan MQ, Gordon JA, Beloti MM,etal. A network connecting Runx2, SATB2, and the miR-23a～27a～24-2 cluster regulates the osteoblast differentiation program[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2010,107:19879-19884.

[10] Kapinas K, Kessler C, Ricks T,etal. miR-29 modulates Wnt signaling in human osteoblasts through a positive feedback loop[J]. J Biol Chem, 2010, 285:25221-25231.

[11] Zhang J, Tu Q, Bonewald LF,etal. Effects of miR-335-5p in modulating osteogenic differentiation by specifically downregulating Wnt antagonist DKK1[J]. J Bone Miner Res, 2011, 26:1953-1963.

[12] Gordon JA, Hassan MQ, Koss M,etal. Epigenetic regulation of early osteogenesis and mineralized tissue formation by a HOXA10-PBX1-associated complex[J]. Cells Tissues Organs, 2011,194:146-150.

[13] Jensen ED, Gopalakrishnan R, Westendorf JJ. Regulation of gene expression in osteoblasts[J]. Biofactors, 2010, 36:25-32.

[14] Bonewald LF. The amazing osteocyte[J]. J Bone Miner Res, 2011, 26:229-238.

[15] Delgado-Calle J, Saudo C, Fernández AF,etal. Epigenetics mechanisms modulate the expression of genes controlling osteoclast differentiation[J]. J Bone Miner Res, 2011, 26:S449.

[16] Delgado-Calle J, Saudo C, Fernández AF,etal. Role of DNA methylation in the regulation of the RANKL-OPG system in human bone[J]. Epigenetics, 2012, 7: 83-91.

[17] Cantley MD, Fairlie DP, Bartold PM,etal. Inhibitors of histone deacetylases in class I and class II suppress human osteoclastsinvitro[J]. J Cell Physiol, 2011, 226:3233-3241.

[18] Zhao Q, Wang X, Liu Y,etal. NFATc1: functions in osteoclasts[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2010, 42:576-579.

[19] Yasui T, Hirose J, Tsutsumi S,etal. Epigenetic regulation of osteoclast differentiation: Possible involvement of Jmjd3 in the histone demethylation of Nfatc1[J]. J Bone Miner Res, 2011, 26:2665-2671.

[20] Nakasa T, Shibuya H, Nagata Y,etal. The inhibitory effect of microRNA-146a expression on bone destruction in collagen-induced arthritis[J]. Arthritis Rheum, 2011, 63:1582-1590.

[21] Mizoguchi F, Izu Y, Hayata T,etal. Osteoclast-specific Dicer gene deficiency suppresses osteoclastic bone resorption[J]. J Cell Biochem, 2010, 109:866-875.

[22] Mann M, Barad O, Agami R,etal. miRNA-based mechanism for the commitment of multipotent progenitors to a single cellular fate[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107:15804-15809.

[23] Sugatani T, Vacher J, Hruska KA. A microRNA expression signature of osteoclastogenesis[J]. Blood, 2011, 117:3648-3657.

[24] Yu F, Cui Y, Zhou X,etal. Osteogenic differentiation of human ligament fibroblasts induced by conditioned medium of osteoclast-like cells[J]. Biosci Trends, 2011, 5:46-51.

[25] Lillycrop KA, Phillips ES, Torrens C,etal. Feeding pregnant rats a protein-restricted diet persistently alters the methylation of specific cytosines in the hepatic PPAR alpha promoter of the offspring[J]. Br J Nutr, 2008, 100:278-282.

[26] Lillycrop KA, SlateR-Jefferies JL, Hanson MA,etal. Induction of altered epigenetic regulation of the hepatic glucocorticoid receptor in the offspring of rats fed a protein-restricted diet during pregnancy suggests that reduced DNA methyltransferase-1 expression is involved in impaired DNA methylation and changes in histone modifications[J]. Br J Nutr, 2007, 97:1064-1073.

[27] Lei SF, Papasian CJ, Deng HW. Polymorphisms in predicted miRNA binding sites and osteoporosis[J]. J Bone Miner Res, 2011, 26:72-78.

[28] Eskildsen T, Taipaleenmaki H, Stenvang J,etal. MicroRNA-138 regulates osteogenic differentiation of human stromal (mesenchymal) stem cellsinvivo[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108:6139-6144.

Progress of epigenetic regulation in osteoporosis

ZHENG Jie1，2, GUO Hai-ying1*, PAN Si-jing1, ZHANG Peng-fei1

(1.the Second Institute of Clinical Medicine, Nanjing Universtiy of Chinese Medicine, Nanjing 210023;2.Dept. of Acupuncture and Moxibustion, Shanxi Universtiy of Chinese Medicine, Xianyang 712046, China)

Epigenetics is involved in heritable modifications such as DNA methylation, histone modification, chromatin remodeling, as well as miRNA, without changes in DNA sequence. It has been shown that occurence of osteoporosis is closely related to the interactions between the genome and enviroment, in which epigenetic regulation plays an important role.

epigenetics; osteoporosis; DNA methylation; histone modification; miRNA

2013-03-18

2013-05-07

*通信作者(correspondingauthor)： ghying63@126.com

1001-6325(2014)03-0406-04

R 683

A