刺猬蛋白信号通路与成骨的关系
发表时间:2011-09-01 浏览次数:452次
作者:关呈超综述,蒋欣泉,张富强审校 作者单位:上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科 上海 200011
【摘要】刺猬蛋白(hedgehog)信号通路是一个在胚胎阶段调控多种组织器官发育的重要的信号通路,在成骨方面具有重要的作用。下面主要就hedgehog信号通路及其对成骨相关细胞的作用、hedgehog在骨组织发育中的作用、hedgehog基因修饰在成骨中的应用作一综述。
【关键词】 刺猬蛋白; 信号通路; 成骨
The relationship between hedgehog signaling pathway and osteogenesis GUAN Cheng-chao, JIANG Xin-quan,ZHANG Fu-qiang. (Dept. of Prosthodontics, The Ninth People′s Hospital, School of Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200011, China)
[Abstract] Hedgehog signaling pathway is an important signal pathway, which regulates the development of variety of tissues and organs in the embryonic stage. It also plays an important role in osteogenesis. This review discussed the relationship between the hedgehog signaling pathway and osteogenesis in several aspects, including the relationship between the hedgehog and osteochondral cell, the effect of hedgehog on bone development and the role of hedgehog in osteogenesis with gene therapy techniques.
[Key words] hedgehog; signaling pathway; osteogenesis
刺猬蛋白(hedgehog)是一种可自身水解的分泌性蛋白,其调控的信号通路称为hedgehog信号通路。hedgehog信号通路在哺乳动物胚胎阶段的多种组织器官发育中起重要作用,可调控其多种生物学行为,譬如干细胞的分化、增殖,肿瘤发生、牙胚发育、神经干形成、四肢骨骼发育等。下面主要就hedgehog信号通路与成骨的关系进行总结分析。
1 刺猬蛋白信号通路
hedgehog基因于1980年在果蝇中被发现,编码高度保守的糖蛋白。因该基因突变的果蝇胚胎呈多毛团状,酷似受惊刺猬而得名。在果蝇中仅有一种形式的hedgehog蛋白,在哺乳动物中则有声音刺猬(sonic hedgehog,Shh)、印度刺猬(Indi-an hedgehog,Ihh)和荒漠刺猬(desert hedgehog,Dhh)等3种同源形式的蛋白,其基因序列具有高度同源性,其中Ihh特征性地参与软骨发育;Dhh在生殖细胞的发育中起关键作用;Shh在hedge-hog家族中具有最广泛表达,在该信号传导通路上起主要作用。Shh与细胞在肢体、体节、神经管发育中的分化建立有关,调节着神经管背腹的(dorsal-ventral,D-V)发育模式、肢体前后的(anterior-posterior,A-P)发育模式、胚胎早期不对称发育模式和体节形成模式[1],与多种器官如脑、脊髄、肺脏、毛发、眼、颌面、牙和四肢等的形态形成有关,与肿瘤发生也有关系。shh基因敲除小鼠的脑、脊髄、肢体和颅面部均出现严重的畸形[2]。hedgehog信号传导通路包括hedgehog、碎片蛋白(patched,Ptc)、润滑蛋白(smoothened,Smo)、Ci/Gli二聚体等。hedgehog作为激活剂通过与细胞表面特殊受体Ptc和Smo跨膜蛋白结合而被接收和传导,而Smo是激活hedgehog传导通路的必要因子,可以与hedgehog信号结合形成复合物[3]。
2 刺猬蛋白信号通路对成骨相关细胞的作用
2.1 刺猬蛋白信号通路对成软骨间充质细胞的作用
hedgehog蛋白对成软骨间充质细胞的作用报道并不一致。Stott等[4]发现,肢芽细胞(成软骨间充质细胞)高表达Shh后出现的单一的密致轮状结经阿欣蓝染色显示,软骨特异性蛋白多糖分泌下降。Enomoto-Iwamoto等[5]也发现,原始的肢芽细胞经重组Shh-N蛋白处理后表现出抑制软骨生成的作用,即Shh抑制了成软骨间充质细胞向软骨细胞的分化。Aikawa等[6]建立了对骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)-2敏感的成软骨间充质细胞系RMD-Ⅰ,当其单独用Shh-N处理时,可高表达成软骨细胞特异性蛋白,如Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖等,细胞变成多角形的类软骨细胞,与BMP-2处理具有相似表现。同时,他们还发现BMP-2可加强这种诱导作用[7]。
Shh-N既可抑制肢芽细胞向软骨细胞分化,也可促进成软骨间充质细胞向软骨细胞的分化,这个矛盾可能归因于两种细胞成分的不同。RMD-Ⅰ细胞系只含有单一的成软骨间充质细胞,可定向地向软骨细胞分化。肢芽细胞系主要含有体节来源的细胞,可转化为肌细胞和外侧中胚层间充质细胞,而外侧中胚层间充质细胞又可分化为成软骨细胞、成骨细胞和成纤维细胞。究其原因,可能系Shh蛋白既可诱导肢芽细胞中的成软骨潜能细胞向软骨细胞分化,同时也使得其他细胞产生了抑制成软骨潜能细胞向软骨细胞分化的因子[8]。
2.2 刺猬蛋白信号通路对软骨细胞的作用
Ihh通过抑制软骨细胞向肥大的软骨细胞转化,从而抑制软骨细胞的过早成熟。Vortkamp等[9]发现,Ihh的异位高表达可降低肥大的软骨细胞标记物Ⅹ型胶原的表达。Ihh低表达可上调软骨膜中甲状旁腺素相关蛋白(parathyroid hormonerelated protein,PTHrP)的表达,而Ihh和PTHrP可下调内源性Ihh的表达。进一步的研究发现,Ihh不能抑制PTHrP基因敲除大鼠骺生长板中Ⅹ型胶原的表达,说明Ihh抑制Ⅹ型胶原的作用是通过PTHrP介导发生的。上述研究说明,Ihh-PTHrP反馈环调控了软骨形成时软骨的终末分化率。肥大前的软骨细胞的Ihh可诱导产生PTHrP,而PTHrP可抑制有增殖潜能的软骨细胞转化为肥大的软骨细胞,因而抑制了软骨细胞的过早成熟。高表达的Ihh或PTHrP反过来可抑制Ihh和PTHrP的过度表达,形成一种负反馈的调节机制。调节软骨生成的Ihh-PTHrP负反馈调节环模型说明,Ihh对软骨细胞的作用是间接实现的,Ihh的靶细胞是前软骨细胞。
Shh和Ihh对软骨细胞的分化和软骨的形成具有重要的调控作用。Blank等[10]发现,成软骨细胞过表达Shh后,细胞的碱性磷酸酶和Ⅹ型胶原分泌增加。在软骨形成的早期阶段,Shh对DNA合成的调控作用较弱,但后期作用明显增强[11]。Ihh基因敲除小鼠出现明显的软骨形成障碍、软骨细胞增殖和成熟障碍。
2.3 刺猬蛋白信号通路对成骨细胞分化的作用
hedgehog蛋白可诱导成骨细胞的分化。用Shh或Ihh处理一种多能间充质细胞系C3H10T1/2细胞,细胞中碱性磷酸酶表达增强,hedgehog信号通路中的Ptc、Smo和Gli表达亦明显增强[12]。与诱导RMD-Ⅰ分化为软骨细胞类似,BMP-2可增强Ihh或Shh对C3H10T1/2细胞碱性磷酸酶的增加程度。相似的现象也存在于另一种成骨细胞系MC3T3-E1细胞系[13]。通过反转录病毒载体将shh基因转到成骨细胞中,成骨细胞表现出更强的碱性磷酸酶活性。因此,hedgehog蛋白可直接作用于成骨细胞和有成骨潜能的间充质干细胞,促进其向成骨细胞分化。
在C3H10T1/2和MC3T3-E1细胞中加入Shh或Ihh后,BMP-2、4、6等高表达,而加入主要起到竞争性抑制作用的BMP受体蛋白BMPIA,细胞中碱性磷酸酶不再增加[14],即可通过Shh调控BMP的表达来实现对成骨细胞分化的调控。然而,更深入的作用机制还有待于进一步的研究。
3 刺猬蛋白在骨组织发育中的作用
Shh在多种组织和器官的发育过程中起重要作用,包括脊椎和四肢骨组织[15]。shh基因敲除的大鼠出现明显的发育滞后,脑、脊髄和眼等器官出现严重的发育障碍,四肢骨骼严重缺损,趾未发育。追究其原因,Pathi等[16]认为敲除shh基因后,成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)不能持续的表达,导致顶端外胚层嵴的肢端发育障碍。也有学者认为,由于shh基因是成软骨细胞和成骨细胞重要的调节因子,可调节成软骨细胞和成骨细胞的归属和分化,因此该基因敲除后可导致肢体骨骼发育严重畸形[17-18]。
在人类ptc基因缺失时,可出现痣样基底细胞癌综合征的常染色体病变[19],表现为骨骼发育畸形并伴发基底细胞癌。人类的shh基因或Shh信号通路相关基因缺陷,通常可导致格雷格综合征、下丘脑错构瘤综合征和独立性轴后性多指症[20],以上3种病变均伴发骨组织缺失障碍。
4 刺猬蛋白基因修饰在成骨中的应用
shh基因修饰在成骨中的作用,日益引起学者的关注。Yuasa等[21]将shh-N基因转入成纤维细胞中使其高表达,然后将细胞注射入大鼠的骨骼肌,结果在骨骼肌中有钙化节形成。ihh基因也有类似的功能[22]。Grande等[23]分别用shh和bmp-7基因转染骨髓基质干细胞,然后将其复合于生物支架材料用于修复兔骨组织缺损,结果Shh与BMP-7均能提高其局部成骨能力。在该试验中,Shh的成骨能力大于BMP-7。有学者用shh基因分别转染牙龈纤维细胞、间充质细胞和脂肪来源细胞,然后将其复合于生物支架材料用于修复兔骨组织缺损,结果3组转染基因的细胞组骨缺损区均可完全成骨,而阴性对照组却不能成骨,3组细胞间的成骨能力无显著差异。
5 结束语
hedgehog信号通路与成骨关系密切,不但可促进成骨相关细胞的分化,在骨组织发育过程中也起到了重要的调控作用。hedgehog基因如果在胚胎发育阶段缺失,可导致严重的骨骼发育畸形,shh和ihh基因修饰的异位成骨作用也得到了试验证实。随着研究的更进一步深入,hedgehog信号通路将在成骨研究相关领域发挥更重要的作用。
【参考文献】
[1] Bürglin TR, Kuwabara PE. WormBook, 2006, 28:1-14.
[2] Harmon EB, Ko AH, Kim SK. Curr Mol Med, 2002, 2(1):67-82.
[3] Tong C, Jiang J. Methods Mol Biol, 2007, 397:215-230.
[4] Stott NS, Chuong CM. J Cell Sci, 1997, 110(Pt 21):2691-2701.
[5] Enomoto-Iwamoto M, Nakamura T, Aikawa T, et al. J Bone Miner Res, 2000, 15(9):1659-1668.
[6] Aikawa T, Shirasuna K, Iwamoto M, et al. J Bone Miner Res, 1996, 11(4):544-553.
[7] Murtaugh LC, Chyung JH, Lassar AB. Genes Dev, 1999, 13(2):225-237.
[8] Murtaugh LC, Zeng L, Chyung JH, et al. Dev Cell, 2001, 1(3):411-422.
[9] Vortkamp A, Lee K, Lanske B, et al. Science, 1996, 273(5275):613-622.
[10] Blank U, Karlsson G, Karlsson S. Blood, 2008, 111(2):492-503.
[11] Iwasaki M, Jikko A, Le AX. J Bone Joint Surg Br, 1999, 81(6):1076-1082.
[12] Ingram WJ, Wicking CA, Grimmond SM, et al. Oncogene, 2002, 21(53):8196-8205.
[13] Franceschi RT. Crit Rev Oral Biol Med, 1999, 10(1):40-57.
[14] Lee Y, Schwarz E, Davies M, et al. J Orthop Res, 2003, 21(1):62-72.
[15] Chiang C, Litingtung Y, Lee E, et al. Nature, 1996, 383(6599):407-413.
[16] Pathi S, Rutenberg JB, Johnson RL, et al. Dev Biol, 1999, 209(2):239-253.
[17] 张风河, 黄 萍, 魏奉才, 等. 华西口腔医学杂志, 2007, 25(5):504-507.
[18] 何文喜, 牛忠英, 赵守亮, 等. 华西口腔医学杂志, 2002, 20(6):398-400.
[19] Hahn H, Wicking C, Zaphiropoulous PG, et al. Cell,1996, 85(6):841-851.
[20] Ming JE, Roessler E, Muenke M. Mol Med Today, 1998, 4(8):343-349.
[21] Yuasa T, Kataoka H, Kinto N, et al. Cell Physiol, 2002, 193(2):225-232.
[22] Koziel L, Wuelling M, Schneider S, et al. Development, 2005, 132(23):5249-5260.
[23] Grande DA, Mason J, Light E, et al. J Bone Joint Surg Am, 2003, 85(Suppl 2):111-116.