信號(hào)素3A在骨自穩(wěn)態(tài)與骨重塑中的作用

尹鵬濱，唐佩福，張里程，呂厚辰

解放軍總醫(yī)院 骨科，北京 100853

信號(hào)素3A在骨自穩(wěn)態(tài)與骨重塑中的作用

尹鵬濱，唐佩福，張里程，呂厚辰

解放軍總醫(yī)院 骨科，北京 100853

信號(hào)素3A(semaphorin 3A，Sema3A)屬于軸突導(dǎo)向因子超家族的成員。近來研究發(fā)現(xiàn)，該蛋白在骨自穩(wěn)態(tài)和骨重塑過程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。本文從Sema3A的生物學(xué)特性、細(xì)胞調(diào)控作用和對(duì)骨骼系統(tǒng)的神經(jīng)分布影響等方面出發(fā)，對(duì)Sema3A在骨自穩(wěn)態(tài)和骨重塑中的作用進(jìn)行綜述，為臨床骨質(zhì)疏松藥物靶點(diǎn)研究提供參考。

信號(hào)素3A；骨自穩(wěn)態(tài)；骨重塑

1.2 Sema3A受體 Sema3A受體是一類附著于細(xì)胞表面，能特異性識(shí)別結(jié)合Sema3A的蛋白分子。Kolodkin等[5]在對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)中的Sema3A進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其受體是由神經(jīng)纖毛蛋白質(zhì)1(Neuropilin1)跨膜糖蛋白和PlexnAs共刺激受體組成的復(fù)合體。其中Neuropilin1跨膜糖蛋白的胞外區(qū)補(bǔ)體結(jié)合蛋白同源結(jié)構(gòu)域與b1/b2結(jié)構(gòu)域共同構(gòu)成與Sema3A相結(jié)合的區(qū)域，識(shí)別結(jié)合Sema3A；而PlexnAs共刺激受體則通過其胞內(nèi)部分介導(dǎo)系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行信號(hào)傳遞，發(fā)揮Sema3A的功能[6]。而Rohm等[6]通過對(duì)Nrp缺乏(Nrp-/-)、PlexnA缺乏(PlexnA-/-)以及缺乏Sema結(jié)合域的Nrp1sema-小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，Sema3A在骨骼系統(tǒng)中，其受體與神經(jīng)系統(tǒng)相同，同樣為Neuropilin1/PlexnAs復(fù)合體。

2 骨自穩(wěn)態(tài)與骨重塑

骨骼是動(dòng)態(tài)變化的器官，在生長(zhǎng)、發(fā)育過程中，骨骼系統(tǒng)持續(xù)存在舊骨吸收、新骨生成的生理活動(dòng)，以維持骨骼在長(zhǎng)度及質(zhì)量上保持穩(wěn)定，即稱為骨自穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，骨骼自穩(wěn)態(tài)的維持涉及多種細(xì)胞、細(xì)胞因子、生化刺激物質(zhì)共同調(diào)節(jié)，以確保骨吸收與骨形成達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，該過程被稱為骨重塑[7]。

骨骼基本多細(xì)胞單位(basic multicellular units，BMU)由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞、相應(yīng)的血管神經(jīng)以及細(xì)胞外成分共同組成，是骨組織新陳代謝的基本單元[8-9]。骨重塑即發(fā)生于BMU，由舊骨吸收階段、轉(zhuǎn)換階段、新骨形成階段組成[10-11]。也有學(xué)者如Teti[12]認(rèn)為，骨重塑過程還應(yīng)包括靜止階段和激活階段。在舊骨吸收階段，因受到機(jī)械應(yīng)力改變或微損傷的刺激，破骨前體細(xì)胞被招募到特定骨表面，在以核因子κB受體活化因子配體(RANKL)為主等細(xì)胞因子作用下定向分化為破骨細(xì)胞，對(duì)該部位的骨骼進(jìn)行吸收；而轉(zhuǎn)換階段，則是在大量的自分泌、旁分泌甚至內(nèi)分泌因子的作用下，逐漸將骨祖細(xì)胞招募到骨破壞吸收區(qū)，定向分化為成骨細(xì)胞；同時(shí)破骨細(xì)胞分化及功能逐步受到抑制，以維持兩種細(xì)胞功能的平衡。新骨形成階段，大量成熟的成骨細(xì)胞構(gòu)建新骨單元，并進(jìn)行骨礦化，實(shí)現(xiàn)骨骼形態(tài)功能的恢復(fù)。同時(shí)，成骨細(xì)胞還通過相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)一步抑制破骨作用，從而避免新生骨再次被破骨細(xì)胞破壞吸收[7]。

3 Sema3A在骨重塑過程中的調(diào)節(jié)作用

Hayashi等[13]通過對(duì)缺乏編碼小鼠骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)轉(zhuǎn)基因小鼠(Tnfrsf1b-/-)骨質(zhì)疏松相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，除OPG外，Sema3A也具有抑制破骨細(xì)胞的效應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Sema3A也參與成骨細(xì)胞功能調(diào)控，并且在骨重塑過程以及維持骨自穩(wěn)態(tài)的過程中占有重要地位[14]。

3.1 Sema3A抑制破骨細(xì)胞分化及功能 破骨細(xì)胞分化及功能成熟過程，必須依賴于RANKL-RANK通路的激活[15]。RANKL蛋白通過特異性結(jié)合破骨前體細(xì)胞薄膜上的RANK受體，從而促發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，通過激活下游兩條通路，即TRAF6-NF-κB和AP-1轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體(包括c-Fos)，從而激活活化T細(xì)胞核因子1蛋白(NFATc1)，促進(jìn)破骨細(xì)胞特異性基因Ctsk、Acp5和Nfatc1表達(dá)，誘導(dǎo)前體細(xì)胞向成熟的有功能的破骨細(xì)胞分化[16-17]。然而，NFATc1同時(shí)需要依賴于髓系細(xì)胞觸發(fā)受體2-自然殺傷激活受體相關(guān)蛋白12(TREM2-DAP12)激活后的鈣信號(hào)作為共刺激分子才能被激活[16,18]。Takahashi等研究發(fā)現(xiàn)，與Sema3A密切相關(guān)的PlexnA1在激活TREM2-DAP12信號(hào)過程中起著重要作用，二者形成PlexnA1-TREM2-DAP12復(fù)合體，為破骨細(xì)胞分化提供共刺激信號(hào)。進(jìn)一步研究證實(shí)，Sema3A正是通過與破骨前體細(xì)胞膜上Nrp1結(jié)合后，與上述復(fù)合體競(jìng)爭(zhēng)PLxnA1，從而阻斷復(fù)合體形成，抑制RANKL通路下游分子的激活，起到抑制破骨細(xì)胞分化及功能成熟的作用[13]。另外Hayashi等[13]還發(fā)現(xiàn)，Sema3A能抑制巨噬細(xì)胞集落刺激因子對(duì)骨髓源性單核/巨噬前體細(xì)胞的趨化作用，從而防止該細(xì)胞向骨吸收區(qū)遷移，減少對(duì)骨質(zhì)破壞[19]。然而，該作用的機(jī)制目前尚不清楚。

3.2 Sema3A促進(jìn)成骨細(xì)胞分化及功能 研究發(fā)現(xiàn)Sema3A-/-小鼠脂肪細(xì)胞分化增殖增加，而成骨細(xì)胞數(shù)量減少，表明缺乏Sema3A有抑制成骨細(xì)胞作用，換言之，Sema3A在機(jī)體內(nèi)有調(diào)控成骨細(xì)胞的功能[13]。既往研究證實(shí)，經(jīng)典Wnt通路是促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，抑制脂肪細(xì)胞的重要信號(hào)通路，其主要通過激活Rac1表達(dá)，使β-catenin即β鏈蛋白在胞核內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)[20-23]。而Sema3A與成骨細(xì)胞中的受體結(jié)合后可借助FARP2(一種鳥嘌呤核苷酸交換因子)上調(diào)Rac1的表達(dá)，使β鏈蛋白在胞核內(nèi)聚集，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化及功能成熟[13]。然而，Sema3A能否趨化成骨細(xì)胞移行至骨損傷區(qū)，目前尚未明確。

3.3 Sema3A改善骨骼感覺神經(jīng)纖維分布 研究發(fā)現(xiàn)，中央及外周神經(jīng)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)骨骼重塑、維持骨自穩(wěn)態(tài)，尤其是多巴胺β羥化酶陽性的交感神經(jīng)對(duì)骨骼有較強(qiáng)的抑制作用[24]。Fukuda等[14]研究發(fā)現(xiàn)，骨骼系統(tǒng)中，神經(jīng)系統(tǒng)來源的Sema3A能夠獨(dú)立作用于骨骼，調(diào)節(jié)骨重塑。通過對(duì)敲除神經(jīng)來源的Sema3A小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，其神經(jīng)系統(tǒng)的骨骼分布出現(xiàn)異常，即降鈣素基因相關(guān)肽陽性的感覺神經(jīng)纖維分布減少而交感神經(jīng)分布正常，同時(shí)小鼠骨量亦有明顯減少；而當(dāng)恢復(fù)感覺纖維分布，或使用人工合成Sema3A進(jìn)行靜脈注射治療時(shí)，小鼠骨量明顯提升[14]。表明Sema3A可通過調(diào)控骨骼感覺神經(jīng)分布影響骨自穩(wěn)態(tài)。另一方面，由于胚胎時(shí)期Sema3A對(duì)于機(jī)體全身的神經(jīng)分布(包括骨骼處)均有重要作用，缺少Sema3A會(huì)引起多處器官的神經(jīng)分布異常[25-27]。因此有可能在胚胎期，Sema3A即能夠通過神經(jīng)纖維調(diào)控骨的形成與破壞。

4 展望

隨著人口老齡化的加劇，人群中骨質(zhì)疏松發(fā)病率日趨升高[28]。骨質(zhì)疏松多數(shù)由于破骨細(xì)胞功能過度活躍，體內(nèi)骨自穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致骨吸收大于骨生成。目前臨床上廣泛使用的雙磷酸鹽類藥物主要作用為抑制破骨細(xì)胞功能，從而減少骨吸收，達(dá)到治療目的[29]。然而，由于缺乏促成骨作用，該藥尚無法恢復(fù)原有的骨骼質(zhì)量及微結(jié)構(gòu)，因此存在諸多不足[30-31]。而Sema3A具有抑制骨破壞、促進(jìn)骨形成的雙重作用，若能將Sema3A作為藥物應(yīng)用于臨床，則有可能抑制骨破壞的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)骨質(zhì)量及微結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，改善骨質(zhì)疏松的治療效果。

1 Kolodkin AL， Matthes DJ， Goodman CS. The semaphorin genes encode a family of transmembrane and secreted growth cone guidance molecules［J］. Cell， 1993， 75（7）：1389-1399.

2 Hayashi M， Nakashima T， Takayanagi H. The regulatory mechanisms of bone metabolism by semaphorin［J］. Clin Calcium， 2012， 22（11）：1693-1699.

3 Goshima Y， Sasaki Y， Yamashita N， et al. Class 3 semaphorins as a therapeutic target［J］. Expert Opin Ther Targets， 2012， 16（9）：933-944.

4 Gherardi E， Youles ME， Miguel RN， et al. Functional map and domain structure of MET， the product of the c-met protooncogene and receptor for hepatocyte growth factor/scatter factor［J］. Proc Natl Acad Sci U S A， 2003， 100（21）：12039-12044.

5 Kolodkin AL， Levengood DV， Rowe EG， et al. Neuropilin is a semaphorin III receptor［J］. Cell， 1997， 90（4）：753-762.

6 Rohm B， Ottemeyer A， Lohrum M， et al. Plexin/neuropilin complexes mediate repulsion by the axonal guidance signal semaphorin 3A［J］. Mech Dev， 2000， 93（1-2）：95-104.

7 Negishi-Koga T， Takayanagi H. Bone cell communication factors and Semaphorins［J］. Bonekey Rep， 2012， 1：183.

8 Sims NA， Martin TJ. Coupling the activities of bone formation and resorption： a multitude of signals within the basic multicellular unit［J］. Bonekey Rep， 2014， 3：481.

9 Hoffman-Sommer M， Supady A， Klipp E. Cell-to-Cell Communication Circuits： Quantitative Analysis of Synthetic Logic Gates［J］. Front Physiol， 2012， 3：287.

10 Nakashima T. Stress and cell communication between bone cells［J］. Clin Calcium， 2013， 23（11）：1595-1603.

11 Nakashima T. Regulation of bone homeostasis by bone cells［J］. Clin Calcium， 2013， 23（2）：218-228.

12 Teti A. Bone development： overview of bone cells and signaling［J］. Curr Osteoporos Rep， 2011， 9（4）：264-273.

13 Hayashi M， Nakashima T， Taniguchi M， et al. Osteoprotection by semaphorin 3A［J］. Nature， 2012， 485（7396）：69-74.

14 Fukuda T， Takeda S， Xu R， et al. Sema3A regulates bone-mass accrual through sensory innervations［J］. Nature， 2013， 497（7450）：490-493.

15 Yasuda H. RANKL， a necessary chance for clinical application to osteoporosis and cancer-related bone diseases［J］. World J Orthop，2013， 4（4）：207-217.

16 Takayanagi H. Osteoimmunology： shared mechanisms and crosstalk between the immune and bone systems［J］. Nat Rev Immunol，2007， 7（4）：292-304.

17 Takayanagi H， Kim S， Koga T， et al. Induction and activation of the transcription factor NFATc1 （NFAT2） integrate RANKL signaling in terminal differentiation of osteoclasts［J］. Dev Cell， 2002， 3（6）：889-901.

18 Koga T， Inui M， Inoue K， et al. Costimulatory signals mediated by the ITAM motif cooperate with RANKL for bone homeostasis［J］. Nature， 2004， 428（6984）：758-763.

19 Tran TS， Kolodkin AL， Bharadwaj R. Semaphorin regulation of cellular morphology［J］. Annu Rev Cell Dev Biol， 2007， 23：263-292.

20 Gimble JM， Zvonic S， Floyd ZE， et al. Playing with bone and fat［J］. J Cell Biochem， 2006， 98（2）：251-266.

21 Krishnan V， Bryant HU， Macdougald OA. Regulation of bone mass by Wnt signaling［J］. J Clin Invest， 2006， 116（5）：1202-1209.

22 Takada I， Kouzmenko AP， Kato S. Wnt and PPARgamma signaling in osteoblastogenesis and adipogenesis［J］. Nat Rev Rheumatol，2009， 5（8）：442-447.

23 Wu X， Tu X， Joeng KS， et al. Rac1 activation controls nuclear localization of beta-catenin during canonical Wnt signaling［J］. Cell， 2008， 133（2）：340-353.

24 Takeda S. Central control of bone remodelling［J］. J Neuroendocrinol， 2008， 20（6）：802-807.

25 Taniguchi M， Yuasa S， Fujisawa H， et al. Disruption of semaphorin III/D gene causes severe abnormality in peripheral nerve projection［J］. Neuron， 1997， 19（3）：519-530.

26 Behar O， Golden JA， Mashimo H， et al. Semaphorin III is needed for normal patterning and growth of nerves， bones and heart［J］. Nature， 1996， 383（6600）：525-528.

27 Nakamura F， Ugajin K， Yamashita N， et al. Increased proximal bifurcation of CA1 pyramidal apical dendrites in sema3A mutant mice［J］. J Comp Neurol， 2009， 516（5）：360-375.

28 Leboime A， Confavreux CB， Mehsen N， et al. Osteoporosis and mortality［J］. Joint Bone Spine， 2010， 77（Suppl 2）：S107-S112.

29 Pazianas M， Van der Geest S， Miller P. Bisphosphonates and bone quality［J］. Bonekey Rep， 2014， 3：529.

30 Favus MJ. Bisphosphonates for osteoporosis［J］. N Engl J Med，2010， 363（21）：2027-2035.

31 Rochefort GY. The osteocyte as a therapeutic target in the treatment of osteoporosis［J］. Ther Adv Musculoskelet Dis， 2014， 6（3）：79-91.

Role of semaphorin 3A in bone remodeling and homeostasis

YIN Peng-bin, TANG Pei-fu, ZHANG Li-cheng, LYU Hou-chen
Department of Orthopaedics, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

TANG Pei-fu. Email: pftang301@126.com

Semaphorin 3A belongs to semaphorin super family. Recent studies have demonstrated that semaphorin 3A plays a pivotal role in bone homeostasis and bone remodeling. This review highlights the bioactivity of semaphorin 3A as well as its impacts on bone cells and nerve innervation in bone tissue. The functional role of semaphorin 3A in bone homeostasis and bone remodeling are summarized in this article in order to provide a novel insight in treating osteoporosis.

semaphorin 3A; bone homeostasis; bone remodeling

R 68

A

2095-5227(2014)12-1272-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.12.027

時(shí)間：2014-09-03 15:10

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140903.1510.001.html

1993年Kolodkin等[1]發(fā)現(xiàn)一組具有相同結(jié)構(gòu)域蛋白分子，并命名為信號(hào)素(Semaphorin)蛋白家族。該蛋白家族是一類分泌蛋白或跨膜蛋白家族，在神經(jīng)元發(fā)育、損傷與修復(fù)等過程中發(fā)揮重要的化學(xué)趨化及導(dǎo)向作用，因而又被稱為軸突導(dǎo)向因子家族。Semaphorin3A(簡(jiǎn)稱Sema3A)屬于該家族成員，在神經(jīng)損傷后少突膠質(zhì)細(xì)胞定向遷移及軸突再生中發(fā)揮重要作用。除此之外，近來Hayashi等[2]發(fā)現(xiàn)，Sema3A 在骨骼及軟骨系統(tǒng)中也具有重要功能，尤其骨自穩(wěn)態(tài)的維持過程中有重要調(diào)節(jié)作用。本文就Sema3A 對(duì)骨自穩(wěn)態(tài)維持過程中細(xì)胞及神經(jīng)的影響進(jìn)行綜述。

1 Sema3A的生物學(xué)特性

1.1 Sema3A的結(jié)構(gòu) Sema3A屬于分泌型蛋白，同其他Sema家族成員一樣，該蛋白分子的氨基末端含有Sema結(jié)構(gòu)域，即一個(gè)長(zhǎng)約500個(gè)氨基酸的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域內(nèi)含17個(gè)高度保守的半胱氨酸基團(tuán)[1]。此外，Sema3A蛋白的分子結(jié)構(gòu)中還包含叢狀蛋白-腦信號(hào)蛋白-整聯(lián)蛋白(plexins，semaphorins and integrins，PSI)、免疫球蛋白樣(immunoglobulin-like，Ig)以及羧基末端等氨基酸序列[3]。在對(duì)該蛋白分子空間構(gòu)型的研究中，Gherardi等[4]利用隱馬爾科夫模型，證實(shí)Sema3A分子中主要的Sema結(jié)構(gòu)域，是由4個(gè)二硫鍵連接7個(gè)葉狀的β螺旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接圍繞中心分布而成。該結(jié)構(gòu)形成了Sema3A與受體特異結(jié)合的位點(diǎn)，能識(shí)別并結(jié)合特定受體，發(fā)揮調(diào)控功能[4]。

2014-04-18

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31271000)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(31271000)

尹鵬濱，男，碩士。Email:yinpengbin@gmail.com

唐佩福，博士，主任。Email:pftang301@126.com