組蛋白修飾在破骨細(xì)胞分化中的作用

謝保平 黃立慧 鐘佳寧*

1.贛南醫(yī)學(xué)院心腦血管疾病防治教育部重點實驗室，江西 贛州 341000 2.贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院，江西 贛州 341000

破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)是骨骼中唯一具有骨吸收功能的多核巨細(xì)胞[1]。OC通過分泌酸性水解酶和蛋白水解酶來溶解骨骼中的礦物質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)，常作為骨代謝疾病臨床治療和藥物研發(fā)的靶細(xì)胞[2-3]。組蛋白修飾是調(diào)節(jié)OC分化最重要的表觀遺傳調(diào)控方式之一[2]。組蛋白修飾是指組蛋白在酶作用下發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化、腺苷酸化和泛素化等修飾的過程。近年來，越來越多的研究表明組蛋白修飾在骨代謝疾病的發(fā)生和發(fā)展，以及OC分化中扮演了重要的角色[4-5]。本文對組蛋白修飾在OC分化中扮演的角色進(jìn)行綜述，為組蛋白修飾抑制劑在骨代謝相關(guān)疾病中的研發(fā)和臨床運用提供指導(dǎo)。

1 破骨細(xì)胞生物學(xué)特性

骨量保持動態(tài)平衡的狀態(tài)是OC和成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)嚴(yán)格調(diào)控的結(jié)果，OB和骨細(xì)胞 (osteocyte，OS)分泌的M-CSF和RANKL是促進(jìn)OC分化的必須因子[6]。OC是來源于造血干細(xì)胞的巨型多核細(xì)胞，是骨骼中唯一具有骨吸收功能的細(xì)胞[7]。成熟的OC通常具有3個以上細(xì)胞核、鋸齒狀褶皺膜邊緣和偽足，當(dāng)OC的褶皺膜邊緣與骨骼接觸時，褶皺膜吸附在骨骼表面，OC釋放蛋白水解酶溶解礦物質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)，從而形成骨吸收陷窩[8]。從多能干細(xì)胞到特異性終末分化細(xì)胞的發(fā)展涉及多種基因表達(dá)和細(xì)胞因子的精確調(diào)控，從而調(diào)控OC按照特定的時空順序分化[2](圖1)。早期用于科學(xué)研究的OC來源于新生鼠的頭蓋骨中，該分離方法具有操作簡單和成本低的特點，但是分離純度限制了OC分化和功能的研究。目前，用于體外誘導(dǎo)OC分化的體系包括RAW264.7[9]、骨髓間巨噬細(xì)胞(BMMs)[10]、造血干細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨髓單核細(xì)胞共培養(yǎng)[11]和CD14+PBMCs[12]。

圖1 破骨細(xì)胞分化和激活的示意圖Fig.1 Schematic diagram of osteoclast differentiation and activation

2 組蛋白修飾與OC分化

組蛋白是細(xì)胞核內(nèi)序列高度保守的蛋白質(zhì)，包括H1、H3、H2A、H2B和H4等5種。組蛋白修飾通過影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和松弛程度，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而影響相關(guān)疾病的發(fā)展[13-14]。

2.1 組蛋白乙?；cOC分化

組蛋白乙?；０l(fā)生在組蛋白尾部賴氨酸氨基端，主要包括H3K9、H3K14、H3K18、H3K23、H4K5、H4K8、H4K12和H4K16 等修飾位點[15]。組蛋白乙?；窃诮M蛋白乙?；?(histone acetyltransferases，HATs)作用發(fā)生下的，HATs包括HAT1、PCAF/Gcn5、MYST、p300/CBP和Rtt109 等5個亞族[16]。乙?；c組蛋白賴氨酸殘基上的正電荷結(jié)合，降低組蛋白和DNA之間的相互作用，從而調(diào)控基因的表達(dá)[17]。

2.2 組蛋白去乙?；cOC分化

組蛋白去乙酰化修飾主要是受去乙?；?histone deacetylase，HDAC)調(diào)控。人類基因組中有18個HDAC，根據(jù)它們的酶活性和在細(xì)胞內(nèi)的位置，可將它們劃分為4個不同的類別：I類HDAC(HDAC1-3,8)、Ⅱ類HDAC(HDAC 4-7、9、10)、Ⅲ類HDAC(Sirtuins1-7)和IV類(HDAC11)等[21]。

2.2.1I類HDAC與OC分化：I類HDAC主要位于細(xì)胞核內(nèi)，它們都含有第I類HDACs特有的催化結(jié)構(gòu)域。Kim 等[22]研究表明HDAC1作為OC分化中的抑制因子，通過募集到OC相關(guān)基因Nfatc1和Oscar的啟動子，抑制OC分化。Pham 等[23]研究發(fā)現(xiàn)敲除HDAC3基因顯著抑制OC分化和OC相關(guān)基因Nfatc1、Ctsk和Dc-stamp的表達(dá)。有文獻(xiàn)報道HDAC8在OC分化早期表達(dá)低，在OC分化晚期表達(dá)增加，提示HDAC8可能是OC分化的促進(jìn)因子[24]。

2.2.2Ⅱ類HDAC與OC分化：Ⅱ類HDAC主要包括：HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9、HDAC10等6種。有文獻(xiàn)報道HDAC5在OC分化后期表達(dá)，且在OC融合前后表達(dá)量最高，與HDAC4類似，shRNA沉默HDAC5可導(dǎo)致OC數(shù)量增加，OC分化相關(guān)基因表達(dá)和骨吸收顯著上調(diào)[25]。Wein等[26]報道HDAC5敲除的小鼠在2～3個月鼠齡時小梁骨密度降低。Jin等[27]研究表明HDAC7在OC分化末期表達(dá)量較低，且降低HDAC7含量顯著促進(jìn)OC分化，且在RANKL作用下，HDAC7抑制β-catenin和cyclin D1表達(dá)，提示HDAC7是OC分化的負(fù)性調(diào)節(jié)子。

2.2.3Ⅲ類HDAC和IV類HDAC與OC分化：Ⅲ類HDAC和IV類HDAC主要包括：Sirt1、Sirt2、Sirt3、Sirt4、Sirt5、Sirt6、Sirt7和HDAC11等8種。研究表明Sirt1通過RANKL信號通路抑制OC的分化，且抑制Sirt1表達(dá)顯著增加OC數(shù)目和活性，上調(diào)FOX蛋白乙酰化水平[28]。Jing等[29]報道Sirt2對OC分化具有促進(jìn)作用。Huh等[30]研究發(fā)現(xiàn)Sirt3敲除的小鼠OC數(shù)量顯著增加，骨質(zhì)減少和骨密度降低，且Sirt3的表達(dá)依賴于轉(zhuǎn)錄激活因子PGC-1β和核受體ERRα，Sirt3敲除的小鼠AMPK磷酸化水平顯著降低，提示Sirt3通過AMPK-PGC-1β軸負(fù)性調(diào)控OC分化和功能。Yan等[31]研究表明在BMMs分化為OC的過程中，Sirt1的表達(dá)顯著下調(diào)，miR-506的表達(dá)顯著上調(diào)，生物信息學(xué)預(yù)測結(jié)果和雙熒光素酶報告基因檢測提示miR-506靶向結(jié)合Sirt1 3'-UTR，提示去乙?；缚勺鳛镸iRNA的作用靶點調(diào)控OC的分化。Blixt等[25]證實HDAC Ⅱ和IV類在OC分化過程中有差異表達(dá)，用shRNA沉默HADC4、5、9、10和11的表達(dá)，促進(jìn)OC的分化和成熟，增加骨吸收活性，上調(diào)OC相關(guān)基因c-Fos、Nfatc1、Dc-stamp和Cathepsin k的表達(dá)，提示Ⅱ和IV類HDAC蛋白可能是破骨細(xì)胞分化的負(fù)性調(diào)節(jié)因子。綜上，不同的HDAC對OC分化產(chǎn)生不同的影響和作用機(jī)制。

2.3 組蛋白去乙酰化酶抑制劑與OC分化

組蛋白去乙?；敢种苿?histone deacetylase inhibitors，HDACi)是一種具有抗骨質(zhì)疏松癥和關(guān)節(jié)炎作用的小分子化合物(如表1)。Kim等[32]研究表明I類HDACi MS-275通過抑制c-Fos蛋白的表達(dá)抑制OC分化，促進(jìn)OB形成，動物實驗證實MS-275對IL-1介導(dǎo)的小鼠顱骨骨丟失具有保護(hù)作用，提示MS-275通過調(diào)節(jié)OC和OB功能平衡發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松作用。Cantley等[33]用微計算機(jī)斷層掃描和組織學(xué)分析技術(shù)檢測橄欖油、HDACi MS-275和1179.4b處理小鼠牙周炎中牙槽骨的變化，與對照組相比，1179.4b顯著減少骨丟失，骨體積增加3.4%，且比MS-275更有效。Guo等[36]研究發(fā)現(xiàn)HDACi CI-994顯著抑制OC分化和骨吸收活性，下調(diào)ACP5、CTSK、NFATc1、c-Fos、DC-STAMP 和 V-ATPase-d2基因的表達(dá)，以及NF-κB亞基IκBα和 p65的磷酸化水平，提示CI-994通過NF-κB和下游c-Fos/NFATc1信號通路調(diào)節(jié)OC分化。

表1 HADCi與OC分化Table 1 HADCi and osteoclast differentiation

2.4 組蛋白甲基化與OC分化

組蛋白甲基化常發(fā)生在組蛋白末端賴氨酸和精氨酸殘基上，包括H3K9、H3K27、H4K20、H3K4、H3K36、H3K79和H3R17等位點，且H3K9、H3K27和H4K20的甲基化常與基因轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)，而H3K4、H3K36、H3K79和H3R17的甲基化則與基因轉(zhuǎn)錄激活密切相關(guān)[37-38]。

組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶包括SET、PRMT和DOT1家族等3個亞群，越來越多的證據(jù)表明組蛋白甲基化參與OC分化的調(diào)控[39]。Das等[40]研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化調(diào)節(jié)子PTIP通過促進(jìn)OC分化來維持骨髓完整性和正常造血功能。Gao等[41]報道H3K79甲基轉(zhuǎn)移酶DOT1L是組蛋白甲基化重要的調(diào)控因子，在OC分化過程中，DOT1L表達(dá)和H3K79甲基化水平顯著上調(diào)，沉默或抑制DOT1L活性顯著促進(jìn)OC分化，增加去卵巢小鼠骨表面OC面積和骨丟失水平，提示DOT1L是介導(dǎo)的OC分化的新靶點。Kim等[42]報道H3K27me1對于MMP-9依賴性H3 N末端蛋白水解至關(guān)重要。Fang等[43]報道組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2通過下調(diào)OC形成的負(fù)調(diào)控因子IRF8來促進(jìn)OC分化。

2.5 組蛋白去甲基化與OC分化

組蛋白去甲基化是在去甲基酶的作用下脫去甲基的一種修飾方式，去甲基酶包括KDMs 和JMJD家族。近年來，有研究表明組蛋白去甲基化修飾在骨代謝疾病的調(diào)控具有重要的地位[44]，特別是在OC分化領(lǐng)域(如表2)。Lee等[45]研究發(fā)現(xiàn)，Kdm3C敲除導(dǎo)致小鼠在誘發(fā)實驗性牙周炎或牙髓暴露后牙槽骨破壞增加，且從Kdm3C 敲除小鼠中分離的BMMs增強(qiáng)了OC的形成，KDM3C的耗盡促進(jìn)暴露于Pg LPS的細(xì)胞中p65的磷酸化和核易位加速，提示Kdm3C通過NF-κB信號通路促進(jìn)OC分化。Liu等[46]報道在OC分化過程中，Jmjd7的表達(dá)顯著下調(diào)，且沉默Jmjd7的表達(dá)，可促進(jìn)OC相關(guān)基因c-fos、Dc-stamp、CtsK、Acp5和Nfatc1的表達(dá)，以及骨吸收活性，提示Jmjd7可能作為調(diào)節(jié)OC分化和溶骨活性的負(fù)調(diào)控因子。

表2 組蛋白去甲基化酶與OC分化Table 2 Histone demethylase and osteoclast differentiation

2.6 其他組蛋白修飾與OC分化

其他組蛋白修飾在OC分化領(lǐng)域的研究相對較少。Obri等[51]證實PTH通過Smurf2調(diào)節(jié)HDAC4泛素化促進(jìn)RANKL表達(dá)，從而促進(jìn)OC分化，其中Smurf2是泛素化調(diào)節(jié)因子。Kaneki等[52]發(fā)現(xiàn)TNF顯著上調(diào)OB前體和原代成骨細(xì)胞中Smurf1和Smurf2的表達(dá)，增加了內(nèi)源性Runx2蛋白的降解，其中Runx2是一種OB特異性轉(zhuǎn)錄因子，提示組蛋白泛素化在骨代謝疾病中扮演了重要的角色。

3 小結(jié)

骨穩(wěn)態(tài)取決于OC和OB功能的平衡，這種緊密耦合過程的失衡會導(dǎo)致骨代謝疾病。 因此，探尋調(diào)節(jié)OC分化的機(jī)制對于骨代謝疾病的防治至關(guān)重要。組蛋白修飾通過調(diào)節(jié)OC分化關(guān)鍵因子和信號通路影響OC分化過程，并發(fā)生在OC分化和成熟的全過程，特別是在OC分化關(guān)鍵信號通路RANKL[53]和NF-κB[36]上，故針對組蛋白修飾小分子抑制劑抗骨代謝疾病的藥物研發(fā)將成為新的熱點。