許多疾病與骨代謝關(guān)系密切，尤其是骨質(zhì)疏松癥，主要是骨吸收增加和/或骨形成減少，但涉及的機制較復雜。目前認為，骨代謝主要涉及骨形成及骨吸收兩方面，受到多種因素的調控，其分子機制涉及遺傳基因、轉錄控制、信號通路、核蛋白、細胞分裂、激素及旁分泌因子等多方面，而信號通路與骨代謝密切相關(guān)，在骨代謝的調控中起主要作用，但分子機制復雜，部分尚未清楚，故本文對骨代謝的信號通路相關(guān)研究予以綜述。

　　一、BMP/Smads信號通路

　　在骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)分化、增殖為成骨細胞的過(guò)程中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)信號轉導途徑起著(zhù)中樞性作用。BMP是骨發(fā)育期成骨細胞生成的最初誘導者，它首先結合到Ⅱ型受體二聚體上，然后Ⅱ型受體磷酸化Ⅰ型受體的GS區，后者進(jìn)一步磷酸化BMP特異的Smads-1,5和8，使BMP活化，Smads蛋白再進(jìn)一步轉位至細胞核內充當轉錄增強子,與相關(guān)轉錄因子核心結合蛋白(Cbfα1/Runx2)和Osterix 相互作用,從而影響成骨相關(guān)基因的轉錄，然后骨前體細胞進(jìn)一步分化并啟動(dòng)成骨細胞特異性因子(如堿性磷酸酶、Ⅰ型膠原和骨鈣蛋白)的表達，從而促進(jìn)骨的形成。

　　在此過(guò)程中，核心結合因子cbfα1是脊椎動(dòng)物成骨細胞分化的關(guān)鍵調節因子,其作為核蛋白與成骨細胞上的特異順式作用元件結合，從而激活骨鈣素的表達，并調節所有關(guān)鍵成骨細胞基因的表達，控制成骨細胞的成骨速率及進(jìn)一步的成骨過(guò)程。Cbfα1在前脂肪細胞中過(guò)表達，還能誘導脂肪細胞向成骨細胞方向轉變，形成礦化結節。一旦cbfαl基因缺失，將沒(méi)有其它平行通路可取代cbfαl的作用。

　　而Osterix是一種含有鋅指結構的成骨細胞特異性轉錄因子，其作為cbfαl/RunX2的下游基因發(fā)揮作用，使成骨前體細胞轉化為成骨細胞,并負向調控Sox9和Sox5表達，阻止骨祖細胞向軟骨細胞分化。Nakashima等認為，Osterix基因啟動(dòng)使成骨前體細胞轉化為成骨細胞,發(fā)揮骨形成的功能,分泌骨鈣素、骨唾液蛋白及骨連接蛋白等細胞外基質(zhì)。此外，Zhang等還發(fā)現Osterix可通過(guò)兩條路徑負向調控β-catenin信號通路：一是促使Wnt抗體Dkk1表達，抑制成骨細胞增殖；二是抑制β-catenin1/TCF信號通路，從而抑制Wnt信號通路，減少成骨細胞增殖。

　　二、Wnt/β-catenin信號通路

　　Wnt蛋白是一類(lèi)分泌性的富含半胱氨酸的糖基化蛋白，可在多種細胞中表達。正常功能狀態(tài)下，大部分胞質(zhì)內的β-catenin被束縛在由細胞膜向胞內伸出的E-鈣粘著(zhù)蛋白上，其余部分與大腸腺瘤樣蛋白和軸素多聚蛋白復合物結合，有利于胞漿中糖原合成酶激酶(GSK-3β)磷酸化上述復合物結合的β-catenin，被磷酸化后的β-catenin易被泛素一蛋白酶體系統降解，從而保持胞質(zhì)內游離β-catenin濃度處于相對較低的狀態(tài)。

　　當Wnt通路活化時(shí)，Wnt蛋白與細胞表面特異性受體卷曲蛋白(Fz)結合，并進(jìn)一步與輔助受體——低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6(LRP5/ LRP6)結合形成功能性連接受體復合體，Fz可進(jìn)一步作用于胞質(zhì)蓬亂蛋白(Dvl)，使胞漿內的 Dvl高度磷酸化從而被激活，活化后的Dvl蛋白抑制了GSK-3β活性，繼而拮抗GSK-3β對β-catenin的磷酸化、降解作用，使胞質(zhì)內β-catenin含量積聚并移至核內，與一種具有雙向調節功能的轉錄因子即T細胞因子(TCF/LEF)相互作用，T-Cell Factor被激活，從而介導canonical Wnt通路，調節下游靶基因的轉錄和表達。

　　Wnt/β-catenin信號通路在胚胎干細胞的發(fā)育分化、骨形成及胰島素的分泌中均起著(zhù)重要作用。Wnt信號通路的感受器LRP6常染色體錯譯變異，會(huì )減弱Wnt介導的轉錄，這和早期骨質(zhì)疏松、冠心病及其它代謝綜合征如高血壓、糖尿病相關(guān)。而LRP5基因的不同突變類(lèi)型可導致兩種截然相反的表型：一種是功能喪失性突變，可以導致骨量減少；另一種是功能獲得性突變，能夠使骨量增高并降低骨折的風(fēng)險，顯示出LRP5在骨量積累過(guò)程中具有十分重要的作用。Wnt通路基因敲除和轉基因鼠模型表明，經(jīng)典Wnt通路能調節成骨細胞的分化、骨基質(zhì)的形成及礦化等環(huán)節，并影響破骨細胞的發(fā)生及骨吸收。

　　Stavros等發(fā)現年齡依賴(lài)的疾病如骨代謝、脂代謝以及糖代謝疾病都源于一個(gè)共同的Wnts通路：β-catenin、T-Cell Factor、FOXO和 Oxidative Stress。其中氧化應激類(lèi)似Wnt/β-catenin信號通路，影響到基本細胞的轉化過(guò)程：包括干細胞的形成和分化，并與年齡相關(guān)，易發(fā)展年齡相關(guān)疾病。研究表明，Oxidative Stress是年齡相關(guān)骨丟失的主要因素，可導致成骨細胞數量和骨形成的下降。β-catenin作為FOXO的輔助因子，近來(lái)被用作防御Oxidative Stress的主要因子。

　　此外，Laudes研究發(fā)現，Wnt信號通路中幾個(gè)Wnt家族成員可以在脂肪形成的早期階段發(fā)生抑制作用，減少人類(lèi)間充質(zhì)干細胞分化成前脂肪細胞。相反，Wnt通路的內源性抑制物卻會(huì )提高脂肪細胞的形成。從病理生理角度看，在Wnt通路體系中，基因的多態(tài)性已被證明和肥胖、2型糖尿病相關(guān)，某種Wnt分子參與了脂肪組織中的炎癥反應。Jennifer等研究發(fā)現在Wnt蛋白的信號途徑中，Wnt10b是骨形成中canonical WNT配合體表達物，對于BMSCs的活動(dòng)是獨特的。Wnt10b缺陷導致年齡相關(guān)的骨丟失及進(jìn)行性的間充質(zhì)干細胞減少，因此，在衰老與疾病相關(guān)環(huán)境中，研究WNT配合體和它們各自潛在的獨特作用是非常重要的。

　　三、OPG/RANKL/RANK信號通路

　　核因子κB 受體活化因子配體(RANKL)與核因子κB受體活化因子(RANK) 結合對破骨細胞存活、分化和活化是非常關(guān)鍵的。RANK的激活導致下游信號通路NF-KB,P38kinase,C-Jun和N-terminal kinase JNK的激活。RANK通路是促進(jìn)骨吸收的重要途徑，可能成為主要的靶向抗骨吸收劑。

　　而在OPG/RANKL/RANK信號通路中，骨保護素(OPG)屬于腫瘤壞死因子受體(TNFR)超家族，主要由成骨細胞前體和間質(zhì)細胞產(chǎn)生，具有抑制破骨細胞分化及吸收活性的一種分泌型糖蛋白，其作為誘餌受體與NF-KB受體活化因子配體RANKL發(fā)生競爭性結合，抑制RANKL與RANK的相互作用，從而封閉成骨細胞誘導的破骨細胞前體分化與融合，調控破骨細胞的分化、增殖與凋亡，并影響其生理功能。

　　OPG水平降低或者RANKL/OPG比值升高導致破骨細胞活性增加，促進(jìn)破骨細胞的分化成熟。例如在風(fēng)濕性關(guān)節炎中，骨損部位的局部RANKL/OPG比值升高，重組OPG可以完全抑制骨損部位破骨細胞的吸收活性。相反，在骨肉瘤中OPG水平很高而RANKL/OPG比值降低，破骨細胞的活性受到抑制，使得成骨細胞快速增殖。OPG在骨質(zhì)疏松癥、風(fēng)濕性關(guān)節炎、Paget病以及惡性骨組織疾病如骨肉瘤、巨細胞瘤等的發(fā)病機制、預防和治療中具有重要作用，研究表明骨質(zhì)疏松性骨折與OPG基因多態(tài)性相關(guān)。

　　四、其他信號通路

　　1、低氧/低氧誘導因子(HIF)-la通路

　　低氧/低氧誘導因子HIF-la通路對成骨細胞與破骨細胞耦聯(lián)作用及其發(fā)生機制日益受到關(guān)注。HIF-la是組織細胞在低氧狀態(tài)下由激活基因編碼的轉錄因子，在常氧條件下其氧感應元件HIF-1a上的氧依賴(lài)降解結構域(ODD)被活性脯氨酰羥化酶(PHD)羥化，然后結合VHL蛋白進(jìn)入蛋白酶體被降解，而在低氧或缺氧環(huán)境中PHD活性消失或降低，導致HIF-1a聚積并轉運至細胞與β亞基結合，激活HIF敏感的靶基因如VEGF而發(fā)揮作用。在骨發(fā)育、代謝、骨折愈合及腫瘤等過(guò)程中均存在不同程度的低氧環(huán)境，從而激活HIF信號通路，VEGF作為HIF-1a最直接的靶基因之一通過(guò)信號轉導來(lái)調控血管生成和骨形成。Wan等還發(fā)現HIF-la通路可調控成骨細胞OPG/RANKL的表達而影響破骨細胞的分化功能，當低氧/HIF-la通路被激活時(shí)，成骨細胞可抑制破骨細胞的分化功能，當低氧/HIF-la通路被阻斷時(shí)，則成骨細胞促進(jìn)破骨細胞的分化功能。

　　2、PDGF、TGF-beta和FGF的信號通路

　　Ng等發(fā)現PDGF、TGF-beta和FGF的信號通路對于間充質(zhì)干細胞的分化非常關(guān)鍵，阻止任何一條路徑將減慢干細胞的生長(cháng)，而激活這三條路徑可大大提高其生長(cháng)與分化。其中TGF-β對骨有主要調節作用，它主要是通過(guò)ALK-5、SMAD3、PKA和PI3K路徑調節β-catenin信號通路及人類(lèi)間充質(zhì)干細胞的成骨細胞分化，通過(guò)ALK5、PKA和JNK 路徑調節成骨細胞生成。研究表明TGF-β對BMSCs的作用與細胞分化階段有關(guān)，它早期促進(jìn)增殖，而晚期促進(jìn)分化。且這種作用與TGF-B劑量有關(guān)，低濃度時(shí)主要促進(jìn)增殖，并有輕微的誘導分化能力，而高濃度時(shí)則抑制增殖、促進(jìn)分化，TGF-β不僅能抑制BMSCs向脂肪細胞分化，而且對糖皮質(zhì)激素和成纖維細胞生長(cháng)因子所誘導的BMSCs向脂肪細胞分化也有抑制作用。在FGF信號通路中，FGF和FGFR 可調節成軟骨細胞活性，促進(jìn)骨細胞增殖。

　　3、AKt2選擇通路

　　Akt2調節RUNK2基因表達，成為骨形成分化的決定因子。該通路促使BMP-2介導的成骨細胞分化，而B(niǎo)MPS通過(guò)與骨形成轉錄因子DLX3、DLX5和RUNX2相互作用，同時(shí)與胰島素樣生長(cháng)因子(IGF)結合，促使骨祖細胞向成骨細胞分化。

　　4、G蛋白信號通路

　　異源三聚體G蛋白亞基體α(Gsα)激活G蛋白耦合受體的下游CAMP依賴(lài)通路，其調節骨形成機制主要是提高Wnt信號通路，促使間充質(zhì)干細胞分化為成骨細胞，同時(shí)抑制定型成骨細胞分化，使骨形成最佳質(zhì)量和強度。

　　5、硫酸乙酰肝素和硫酸軟骨素通路

　　硫酸乙酰肝素(HS)和硫酸軟骨素(CS)蛋白多糖通過(guò)調節生長(cháng)因子活性及形態(tài)發(fā)生梯度影響許多生化過(guò)程，包括干細胞移植、組織形態(tài)發(fā)生、創(chuàng )傷修復和新血管形成。實(shí)驗表明用肝素酶及軟骨素酶水解HS和CS鏈，破壞HS和 CS通路，可減少HS和CS的表達，從而增加成骨基因的表達，提高PSMAD1/5/8表達，增加BMP通路，活化LEF1，增加canonical Wnt信號通路。

　　6、黏著(zhù)斑激酶及胞外信號調節激酶通路

　　黏著(zhù)斑激酶(FAK)及胞外信號調節激酶(ERK)可誘導間充質(zhì)干細胞形成骨表型。FAK是一種絡(luò )氨酸激酶，其依賴(lài)中心粘附部位整合到胞外的基體而被活化，可組合幾類(lèi)復雜的信號分子，以啟動(dòng)下游信號通路包括：有絲分裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路，從而促進(jìn)中胚層組織發(fā)育及干細胞分化。研究表明，MAPK通路可刺激成骨基因和功能的表達；持續激活ERK2，促成骨細胞分化；磷酸化Smad-1,激活P38，促Alp表達及成骨細胞活化；磷酸化及活化Runx2。

　　小  結

　　實(shí)際上骨代謝非常復雜，涉及到多種信號通路，并且各條通路間還會(huì )相互協(xié)調和影響。從目前已知的研究結果來(lái)看，BMP/Smads及Wnt通路影響著(zhù)骨形成的一系列過(guò)程，包括BMSCs的形成、分化及增殖為成骨細胞；而OPG/RANKL/RANK通路則抑制RANK骨吸收通路，從而促進(jìn)骨形成。雖然BMP/Smads和Wnt信號通路足以調節骨細胞生長(cháng)與分化，但是在骨形成中BMP/Smads還與其它信號通路如AKt2選擇通路或MAPK cascade 路徑之間存在相互調節，Wnt信號通路也和PDGF、TGF-beta、FGF或G蛋白信號等通路之間存在相互調節作用。

　　展望未來(lái)，Wnt信號通路調節骨代謝是一個(gè)復雜的網(wǎng)絡(luò )，仍需大量的研究來(lái)明確。未來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)可能是LRP5/6的結構、功能、活性的調節過(guò)程及其在成骨發(fā)育與重建中的作用。已經(jīng)發(fā)現在Wnt通路中，存在胞外拮抗LRP5 /6的核內蛋白DKK家族，Kremem家族，sFRP以及硬化蛋白等，DKKl蛋白與細胞膜上的LRP5/6結合，再結合Kremen2，促使胞膜LRP6內陷，使其從Wnt受體復合物脫離，阻止經(jīng)典Wnt信號下傳，抑制了Wnt通路效應。此外，BMP或FGF通路等調節骨祖細胞向成骨細胞分化作用，這為骨代謝疾病提供了可能潛在的以細胞為基礎的治療新途徑。