-β信号通路

转化生长因子β（transforming growth factor β，TGFβ）对骨形成具有复杂的作用，对成骨细胞呈激活和抑制双向效应。成骨细胞在TGFβ的诱导作用下能合成细胞外基质，从而使成骨细胞细胞外基质过表达，并且还与类成骨细胞向细胞外基质的趋化及后者对靶细胞的识别有关。而控制成骨细胞分化的关键因子之一是具有骨形成诱导作用的骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）。

转化生长因子超家族中最大的蛋白家族是BMP，目前已经确认的成员超过40个，以BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7的功能最具有代表性。由于这一活性蛋白首先是从脱钙骨基质提取物中分离得到的，并具有使未分化的间充质细胞定向分化为骨细胞的作用，骨细胞合成胶原后形成钙化的骨骼组织，因此被命名为骨形成蛋白（BMPs）。BMPs以活性二聚体的形式参与生物学功能，而其前体的羧基末端中显示出高度的保守性的7个半胱氨酸残基的正确结合对形成二聚体活性形式尤为重要，且不论是同源二聚体还是异源二聚体，均是由上述半胱氨酸残基引导蛋白酶解通过二硫键聚合而产生，并分泌到功能部位。

BMP-2、4、6、7在骨髓基质干细胞向成骨细胞分化过程中具有有效促进作用，可诱导骨的形成，其中BMP-2的活性最强。成骨细胞膜上有BMP受体（bone morphogenetic protein re-ceptor，BMPR），与机械刺激产生的BMP结合后激活，然后作用于细胞质内下游Smad蛋白。Smad蛋白是近年新发现的细胞内信号传导蛋白，可分为调节Smads（Smad1、2、3、5、8、9）、抑制性Smads（Smad6、7）和共同介导Smads（Smad4）。与成骨细胞分化关系密切的是Smad1和Smad5。BMPR将Smad1、5、8末端丝氨酸残基磷酸化，随后2个或1个R-Smad与1个Smad4以异源三聚体或异源二聚体的形式进入核内，作用于成骨细胞特异性转录因子runx2、Osterix等基因序列，并上调其表达（图12-1）。

图12-1 BMP-TGFβ信号通路的详细图解

BMPs首先被认识是由其诱导成骨作用而参与了骨骼的生长、发育以及创伤的修复，其诱导成骨作用与组织微环境因素相关，表现为在软骨、筋膜及肌肉部位存在较高的成骨活性；而不同类型的BMPs在诱导细胞成骨过程中，其分化活性仅有量的区别。BMPs对细胞的分化诱导活性也具有普遍性，几乎参与了全身所有组织系统的胚胎发育、分化和成熟过程。BMP-5基因缺失的小鼠表现出短耳，且其胸骨、肋骨结构存在缺陷；而BMP-7基因敲除小鼠出生后即可早期死于严重的尿毒症；BMP-6则是调节造血干细胞分化成熟的细胞因子补体，参与并促进粒细胞/单核细胞集落的形成。

而炎症发生时中性粒细胞的过度激活产生大量炎性介质，被激活的巨噬细胞、中性粒细胞释放大量炎性介质，并随之产生大量促炎细胞因子，引起细胞黏附分子上调和白细胞活化以及许多其他递质，暴发一系列连锁反应。NF-κB是炎性反应中关键的转录因子，能与TN-FG、IL-1等多种细胞因子、黏附分子基因启动子部位的位点发生结合，增强这些基因的转录和表达，进而诱发下游的瀑布炎性反应，造成组织的炎症损伤。另外，NF-κB可以调控任何含有1k B位点的基因转录。Smad7是NF-κB的一个转录靶点，Smad6、7可以抑制其他Smads的磷酸化或者抑制调节Smads与共同介导Smads（Smad4）的结合。所以NF-κB活化后通过Smad7影响Smad1和Smad5的作用，使它们不能进入核内，无法作用于成骨细胞特异性转录因子而影响成骨细胞的分化（图12-2）。

图12-2 BMP-Smad通路简图

BMP和经典Wnt两条通路不仅可以调节成骨，还可以对在通路激活到产生生物学效应的不同阶段进行相互调节。Kahler等发现，在骨钙素启动子（-67到+32片段位点）包含有Smad和Tcf/Lef的结合位点，当两条通路被激活后可以对OCN蛋白表达进行调节。Mbala-viele等在进一步的研究中发现，经典Wnt信号通路中持续表达的β-catenin和BMP信号通路联合作用，可以增强OCN的表达。Rawadi等研究发现，用DKK-1阻断经典Wnt信号通路后，BMP信号通路诱导的alp活性被抑制，同时减弱了BMP信号通路诱导的细胞外基质矿化，说明BMP信号通路对细胞外基质矿化作用部分受到经典Wnt信号自分泌或旁分泌回路的调节。此外，BMP信号通路活化可以增强Wnt3和Wnt3a的蛋白表达，实现对经典Wnt通路配体蛋白的调控。Yan Chen等研究也证明了BMP信号通路活化后诱导Wnt配体蛋白和受体的表达，增强经典Wnt信号通路活性。Ming Zhang等研究发现，外源性BMP蛋白激活BMP信号通路后可以抑制β-Trcp蛋白的表达，增加经典Wnt信号通路中非磷酸化形式的β-catenin，减少β-catenin在胞质中的降解，促进细胞核内β-catenin的积累，但对β-cateninm R-NA的表达没有影响。激活BMP信号通路可以活化Wnt信号通路中如Wnt1、Wnt3a、Wnt4等分子和LRP5 mRNA的表达。可以认为，BMP信号通路通过减少β-catenin蛋白的降解和增加经典Wnt信号通路配体蛋白来调节经典Wnt信号通路。Liu Jun Yang等在对人类角蛋白细胞的研究中发现，BMP可以调节Wnts配体蛋白和Frizzleds mRNA的表达水平，上调Tcf/Lef的活性，活化经典Wnt信号通路。Fukudat等在研究中发现，BMP-4蛋白和经典Wnt信号通路中的Wnt3a蛋白可以激活通路联合作用诱导成骨早期标志物alp、colla1和骨粘连蛋白mRNA的表达，Noggin可以阻断Wnt3a和BMP4的联合作用效果，而细胞内BMP信号通路中的抑制因子Smad7却不能实现这一作用，因此他们认为BMP配体不是通过R-mad途径来调节BMP和经典Wnt3a信号通路的相互作用，提出BMP和经典Wnt信号通路对成骨相互作用的调节是通过GSK3β的磷酸化实现的，实验中GSK3β可以通过磷酸化RUNX2的S369、S373和S3777的残基实现对其转录活性的影响。

国内姜宇等研究认为，铁蓄积是通过BMP信号通路引起骨量下降的。他们采用CAS9技术将斑马鱼体内“铁调素”基因敲除，以此构建铁蓄积斑马鱼模型，观察敲除组骨吸收及骨形成改变，结果证实：敲除组骨量明显下降，且与骨形成水平下降有关。由此可见，BMP信号通路涉及铁介导的骨代谢改变。

（姜宇）

2.1 Wnt通路在成骨细胞与破骨细胞中的作用