骨髓基质细胞成脂肪分化的研究进展

骨髓基质细胞成脂肪分化的研究进展 中国骨质疏松杂志2006年10月第12卷箜塑!!!!!!!!!!!!!: 骨髓基质细胞成脂肪分化的研究进展 范焕琼综述崔燎审校 实验与临床研究证明,骨髓基质细胞成脂肪分 化与骨质疏松存在着不可忽视的关系.在去卵巢或 类固醇诱发的骨质疏松的动物模型均发现,骨量的 丢失伴有骨髓腔内的脂肪细胞的数目大大增加.各 种原因导致的骨质疏松患者中,骨髓腔内的脂肪细 胞与松质骨的骨量成反比.对成纤维细胞克隆形成 单位(CFU.Fs)的分析表明,9月龄大鼠骨髓中的基 质干细胞数量明显少于6月龄大鼠…,提示了骨髓 基质细胞数量的减少和髓内脂肪细胞的增多存在某 种关系. 骨髓基质细胞(bonemarrowstromalcells,BMSCs) 是骨髓中的一种多潜能干细胞,在一定的条件下能 分化为脂肪细胞.骨髓基质细胞分化为脂肪细胞的 确切机制尚未明了.有人认为BMSCs转化为脂肪 细胞增多可能是机体一种衰老的表现.最近的研究 发现,髓内的脂肪细胞能影响BMSCs内的ALP活 性,从而阻碍其成骨分化趋势J.髓内的脂肪细胞 能诱导BMSCs的凋亡,从而使BMSCs数量和功能的 下降.可见,阐明骨髓基质细胞分化为脂肪细胞 的机制,对骨质疏松发生发展的研究具有重要价值. 大量的实验证明,结合在某些受体上的配体可以调 节BMSCs向脂肪细胞分化的方向.这些受体包括 细胞核激素受体,跨膜激酶受体和G蛋白偶联受 体,它们又有各自特异的配体.这些配体中有的能 促进BMSCs的脂肪分化,有的能抑制脂肪分化.因 此,如果该配体能抑制BMSCs的脂肪分化,我们采 用这些配体或配体的相似物作为药物可以抗骨质疏 松;同理,如果该配体能促进BMSCs的脂肪分化,寻 找该类配体的抑制剂也可以抗骨质疏松.为了进一 步了解骨质疏松和骨量减少与骨髓脂肪增多的关 系,笔者从受体水平上对BMSCs分化为脂肪细胞的 机制作一综述. 作者单位:广东湛江,广东医学院药理教研室 通讯作者:范焕琼,Emall:fan—hq@126.corn 1细胞核激素受体 543 ? 综述? 这类受体包括雌激素受体,糖皮质激素受体,维 生素D受体,过氧化物酶体增生物激活受体. 雌激素在维持骨吸收与骨形成的平衡中具有极 其重要的作用,该作用是通过调节雌激素受体 (estrogenreceptor,ER)来发挥的.雌激素受体分为a 和B两种类型(ERa,ERB),归属于配体依赖型转录 因子(1igand.dependenttranscriptionfactors).成骨细 胞或骨髓基质细胞是雌激素作用的靶位点.雌激素 能抑制脂蛋白脂肪酶及其转录水平,调整机体的脂 肪分布.Heine等发现ERa敲除的大鼠体内的脂 肪组织明显增多.体内缺乏负责雌激素合成的芳香 酶的大鼠,脂肪组织也增多.体外实验表明,雌激 素能使sT.2(小鼠骨髓基质细胞株,能表达人ERa 和ERB)的碱性磷酸酶活性增加,并且抑制脂肪形 成.当给与雌激素拮抗剂ICI182780时,促进成骨抑 制成脂的效应被逆转,而且在脂肪细胞上的细胞色 素P450酶系统可以将雌激素转化为雄激素,生成的 雄激素反过来减少脂肪细胞的生成.但也有研究 发现,雌激素能刺激BMSCs成脂.Yuan等发现, 雌激素能明显促进在向成骨细胞分化培养基中的骨 髓基质细胞PPARy2mRNA及蛋白的表达,PPARy2 全称peroxisomeproliferator-activatedreceptorgama2,中 文称脂质过氧化物体增殖物激活受体72.该基因 的表达增多说明BMSCs向脂肪细胞分化;ALP与工 型胶原是成骨细胞分化成熟的重要标志,雌激素降 低BMSCs向成骨细胞分化过程中细胞ALP活性及 工型胶原的合成,表明雌激素促进BMSCs成脂分化 的同时抑制其向成骨细胞分化.雌激素的作用是促 进成脂,还是抑制成脂,目前尚有争议,可能是实验 条件不同造成的,如雌激素的浓度,成骨诱导剂的浓 度等,这有待进一步的实验证实和研究. 糖皮质激素是第一个被确认促进BMSCs成骨 分化的因子,表现为增加F/Stro.I+细胞(人骨髓基 质细胞株)Cbfal/Runx2,ALP和骨钙素的表达,上 调大鼠BMSCs的成骨标志物骨唾液蛋白和骨钙素 544中国骨质疏松杂志2006年lO月第l2卷第 5J~]ChinJOsteoporos,October2006,Vol12,No.5 的mRNA水平,但它对BMSCs的成脂分化也有影 响.它能增加成脂标志物脂肪酸结合蛋白(ae2)的 表达.aP2mRNA是脂肪细胞分化的晚期特异性标 志物,仅在脂肪细胞分化过程中表达.糖皮质激素 可以通过aP2基因5'-旁侧区中的成分介导激活aP2 基因转录,这可能是地塞米松诱导BMSCs分化成脂 肪细胞的分子机制之一.而Shi等认为,糖皮质 激素促脂肪分化与PPARY2基因转录有关.地塞米 松首先诱导一种促进脂肪细胞分化的转录因子c, EBP6的表达,而PPART2基因增强子区域含有C/ EBP6结合位点,C/EBP~在地塞米松诱导下形成后 结合至该区域激活PPARY2基因的转录.目前研究 认为,糖皮质激素对成骨成脂诱导的作用与其作用 浓度有关.低剂量时,糖皮质激素表现为促进成骨 的作用,高剂量时抑制成骨,促进成脂.贺西京等 发现,大剂量糖皮质激素可引起家兔股骨头骨细胞 坏死,同时有大量骨细胞发生脂肪变性.实验动物 肝脏脂肪变性,后者可释放出脂肪栓子,在股骨头部 因骨内压升高受压变细的血管处极易发生脂肪栓 塞,致使局部供血障碍,从而引起骨坏死和骨质疏 松,这可能是临床大量使用糖皮质激素后的患者出 现股骨头坏死和骨质疏松的原因之一. VitD受体(VDR)是一种基因转录调节蛋白,位 于细胞核内,不同种属的VDR的分子量略有差异. 1.25(OH)D,是VitD的活化形式,它和VDR特异结 合后,形成复合物和靶基因相互作用并调节其转录 活性.Kelly等研究..发现,1.25(OH)D,能阻断糖 皮质激素诱导的BMSCs成脂分化,认为它是通过降 低脂肪细胞晚期基因标志物aP2和脂肪的mRNA水 平来抑制糖皮质激素诱导的脂肪生成.最近 Duquea等…发现,VDR和PPAR均属于核激素受 体,两者间可能存在互相作用.1.25(OH)D能抑 制SAM—P/6(小鼠骨髓基质细胞)中PPAR72的表达. 另外,Lee等报道1,25一(OH):VitD能显着地上调 3T3一L1前脂肪细胞中的胰岛素诱导基因一2(Insulin inducedgene一2,Insig一2)的表达.Insig一2编码的蛋白 质能抑制成熟的脂肪细胞的脂肪形成和阻断前脂肪 细胞的分化,提示了1.25(OH)D,的抗脂肪形成作 用可能与上调lnsig一2的表达有关.可见,VDR是一 种抑制BMSCs成脂的受体,它调控成脂分化的机制 涉及多个方面.如果临床实验能进一步验证1.25 (OH)D和糖皮质激素间的作用,1.25(OH)D和 PPARs间的关系,1.25(OH)D将会是一种很有前 景的预防和治疗糖皮质激素引起的骨质疏松症的药 物. PPARs是一组具有复杂功能的核受体超家族成 员,目前已知有3种亚型,PPARa,PPARB/6和 PPAR7,分别由不同基因编码,它们均与脂类的代谢 有关,其中PPAR7在脂肪细胞表达最高,尤为重要. PPAR7活化后能增强FATP,FAT/CD36,aP2,磷酸烯 醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK),ACS及perilipin等促脂 肪酸储存的基因表达,抑制83肾上腺素能受体,瘦 素及TNF—a等促脂解和脂肪酸释放的基因表达.许 多甘油三酯代谢相关酶的启动子区域都存在PPAR 的特异性结合序列,该序列又称过氧化物酶增殖反 应元件(PPRE).某些脂肪酸及其代谢产物,Fibrate 类降脂药(苯氧芳酸)和噻唑烷二酮类(TZD)降糖药 是PPAR7的特异配体,这些配体通过激活PPAR72 可诱导BMSCs成脂.除了诱导BMSCs成脂外,这些 配体还有抑制成骨的作用.动物模型研究发现, TZD能增加骨髓腔里脂肪组织的含量和降低骨矿密 度和松质骨的范围,该作用是通过激活PPAR72,抑 制Cbfa一1产生的".Cbfa一1是MSCs向成骨细胞 分化的重要因子,它可以激活成骨细胞特有基因的 表达,如骨钙素基因,骨涎蛋白基因以及I型胶原纤 维基因等.Cbfa一1和PPAR72间存在"此消彼长"的 关系,Cbfa一1的表达受抑制时,PPAR72的表达增加, 从而促进BMSCs成脂.另外,PPAR7的活化能抑制 瘦素基因的表达.2型糖尿病患者采用曲格列酮治 疗后,外周血中瘦素下降68%.瘦素的下降致中 枢抑制骨形成减弱,外周作用增强.在外周表现为 促进成骨细胞的活性,抑制破骨细胞活性.并且瘦 素的下降,还有降低血压及减少血小板聚集的作用, 从而降低心血管疾病及糖尿病并发症的发病风险. 由于2型糖尿病患者多伴骨吸收增加和(或)骨质疏 松的高危因素,TZD的治疗显得尤为重要,而且为骨 质疏松治疗提供了一个新选择. 2跨膜激酶受体 这类受体包括Leptin受体,notch/jagged和骨形 态蛋白受体. 瘦素(Leptin)是一种参与体内多种代谢调节的 蛋白质;近年来发现,它在介导脂量和骨量关系上具 有重要的价值.人骨髓脂肪细胞有高水平的Leptin 表达,它可能作为自分泌,旁分泌因子,调节骨髓基 质细胞以及造血前体细胞分化.体外研究发现,人 重组Leptin能提高人骨髓基质细胞株hMS2—12的脂 中国骨质疏松杂志2OO6年10月第12卷第5期ChinJOsteoporos,Q!!!oJ,N0: 蛋白脂酶LPL的mRNA水平,后者是成脂分化早期 表达的重要基因,但却降低晚期成脂分化基因 adipsin的表达,脂滴形成率下降50%".有学者认 为Leptin抑制骨髓基质细胞的成脂分化作用可能与 PPAR7的磷酸化?,刺激促分裂原活化蛋白激酶 (MAPK)的级联反应有关".最近Hess等引采用 髂嵴穿刺的方法从健康妇女和绝经期骨质疏松患者 抽吸骨髓,从骨髓里分离BMSCs并作体外培养,以 观察Leptin受体蛋白的表达,结果显示,健康者和骨 质疏松患者的BMSCs在成骨分化和成脂分化过程 中对Leptin的反应不同;后者的BMSCs具有较低的 Leptin结合能力,并对Leptin的敏感性下降.Leptin 对前者的BMSCs显示抑制脂肪细胞分化的作用,但 对后者的脂肪细胞分化没有影响,这与骨质疏松患 者Leptin受体蛋白的表达下降有关.可见,Leptin受 体蛋白表达下降与骨质疏松有着重要的联系,开发 Leptin受体的配体药物,直接提高IJeptin受体蛋白的 表达,抑制BMSCs成脂分化,有望治疗骨质疏松. Notch蛋白是一个进化上保守的跨膜受体家族. 研究发现Notch的信号转导是个复杂的过程,其复 杂性体现在:?多种Notch受体,配体共同存在;? 激活Notch可以引发多条信号途径;?许多胞外和 胞内蛋白能通过不同的机制调节Notch信号;? Notch受体的表达水平影响了Notch信号的效应. 近年来发现,Notch信号途径在BMSCs分化上也起 着重要的作用.Shnabel等..发现成骨细胞上含有 Notchl,Notch2,Delta1和Jagged1.过度表达的 Notch能抑制BMP诱导C2C12细胞的成骨效应,表 明Notch和BMP在诱导成骨方面起着相反的作用. 最近Sciaudone等利用逆转录病毒把Notch1的胞 内区(NotchlC)导入到鼠的sT2基质细胞和MC3T3 细胞,过度表达的Notch1能抑制BMP.2诱导ST.2 基质细胞的成骨效应,表现为下调骨钙素,I型胶 原,碱性磷酸酶和A2AFosB蛋白的表达.在添加氢 化可的松时,NotchlC能诱导脂肪细胞的成熟,并加 强氢化可的松的成脂作用,表现为上调adipsin, PPAR7,CCAAT增强结合蛋白Ct和6的mRNA水平, 表明了Notch能促进BMSCs的成脂肪细胞分化. 骨形态蛋白受体是一种异源二聚体丝氨酸激酶 受体,其I型亚单位具有多种亚型.chen等发现 BMPIb型受体持续活化可促使小鼠颅骨来源213 细胞分化为成骨细胞,Ia型受体持续活化促使其分 化为脂肪细胞,删切Ia型受体引导骨形成,删切Ib 受体导致脂肪形成,同时阻断BMP.2所诱导的Cbfal 545 表达.这些提示了BMPIa和Ib型受体在决定向脂 肪细胞或成骨细胞分化中起重要作用,可以利用与 BMPI型受体的不同异构体结合的小分子配体,直 接调控BMSCs的分化方向. 3G蛋白偶联受体 从转基因模型发现,G蛋白偶联受体也能调控 BMSCs的分化方向,这类G蛋白偶联受体包括谷氨 酸受体和甲状旁腺激素及甲状旁腺激素相关蛋白. 谷氨酸及其受体在中枢神经系统研究得比较深 入,近年来发现它在骨的代谢和分化上也有重要的 作用.成骨细胞和骨髓基质细胞上含有谷氨酸受 体,谷氨酸可能通过谷氨酸受体,影响一氧化氮合酶 的活性,从而调节BMSCs的成脂肪分化.最近 Foreman等发现,L.谷氨酸能抑制细胞膜上的钙离 子通道,使细胞内的钙离子浓度下降.而ca".钙调 蛋白调节一氧化氮合酶的活性,当细胞内的Ca浓 度下降时,一氧化氮合酶的活性也随着下降,给予谷 氨酸受体的抑制剂时,这种作用消失.一氧化氮合 酶活性的变化,引起NO水平的改变.NO也是一种 调节BMSCs成骨分化的重要因子,NO供体硝普钠 可引起BMSCs的OPG/RANKL比值增加,从而促进 成骨.尽管谷氨酸信号途径在体外研究得比较清 楚,但体内研究却不尽人意.谷氨酸受体或运载体 敲除的小鼠,骨骼没有明显的异常.GLAST.1(谷氨 酸其中一种运载体)基因所在部位发生突变的患者 出现骨骼的异常,但不能明确指出是GLAST基因突 变引起的.由于谷氨酸受体的激动剂不能透过血脑 屏障,对中枢神经系统影响小,开发谷氨酸受体的配 体药物治疗骨质疏松,有副作用小的特点. 甲状旁腺激素(PTH)是维持机体钙磷代谢平衡 的一种重要的调钙激素,而甲状旁腺激素相关蛋白 (H.relatedpeptide,HrP)是体内一种真实的分泌 形式,它与H在编码基因,分子结构和受体功能 上有许多相同或相似之处.PTH和PTHrP能作用于 同一受体,该受体称为"PTH/PTHrP受体1",属G蛋 白偶联受体超家族中B亚族成员,主要分布在骨骼 和肾脏组织.PTH/PTHrP受体l参与两条信号传导 途径,分别是磷脂酶c.钙.蛋白激酶c(PLC/PKC)信 号转导途径和腺苷酸环化酶.cAMP.蛋白激酶A (AC/PKA)信号转导途径.PTHrP主要表现为抑制 BMSCs成脂肪分化,PTHrP缺失的杂合子小鼠,表现 为骨小梁容积下降和骨髓脂肪容量增多].Chan 等发现,PI'HrP能通过PKA途径使前脂肪细胞株 546中国骨质疏松杂志2006年lO月第l2卷第5期 ChinJOsteopores,October2006,Vol12,No.5 3T3.L1的MAPK活性增加,从而增加PPAR7的磷酸 化,后者使PPAR转录活性降低,脂肪特异基因的表 达减少.尽管PTH和PTHrP的抑制骨髓脂肪形成 的作用是肯定的,但其确切机制仍需继续深入,它对 骨质疏松的治疗具有潜在的临床应用前景. 综上所述,虽然人们对调控BMSCs成脂肪分化 的因子有了一定的认识,但对其确切机制仍未明确. 我们相信,随着对BMSCs的发育分化,激活和作用 机制研究的进一步深入,抑制BMSCs脂肪细胞分化 或诱导BMSCs转化为成骨细胞的新型药物,必将推 进对骨质疏松治疗药物研究及骨质疏松类代谢性骨 病的防治. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] 【参考文献】 Kotev-EmethS,SavionN,Pri—chenS,eta1.Effectofmaturationon theosteoblastresponseofculturedstromalbonemmwcellstobasic fibreblastgrowthfactor.Bone,2000,27:777.783. 王华松,陈庄洪,罗永湘.髓内脂肪细胞对骨髓基质细胞成骨 能力的影响.中华实验外科杂志,2005.22:832.834. 王华松,陈庄洪,罗永湘.髓内脂肪细胞促骨髓基质细胞凋亡 的实验研究.中国骨质疏松杂志,2005,11:325.328. HeinePA,TaylorJA,1wamotoGA,eta1.Increasedadiposetissue inmaleandfemaleestrogenreceptor-alphaknockoutmice.ProcNail AcadSciUSA,2000,97:12729.12734. OkazakiR,InoueD,ShibataM,eta1.EstrogenPromotesEarly OsteoblastDifierentiationandInhibitsAdipocyteDifferentiationin MouseBoneMarrowStromalCellLinesthatExpressEstrogen Receptor(ER)aor8.Endocrinology,2002,143:2349-2356. YuanCL,JinXF,HouJH,eta1.Effectof17~estradiolonthegene expressionofPPAR一inbonemRITOWstremalcellsofrats.ChinJ EndocrinolMetab,2004,2O:67.70. Ahdj0u由S,LasmolesF,OyajobiBO,eta1.Reciprocalcontrolof osteoblast/ehondroblastandosteoblast/adipocytedifferentiationof multipotentialelonalhumanInRFFOWstromalF/STRO.1(+)cells. CellBiochem.2o0l.8l:23—38. ShiXM,BlairHC,YangX,eta1.TandemrepeatofC/EBPbinding sitesmediatesPPARgamma2genetranscriptioninglueocortieoid- inducedadipocytedifferentiation.JCellBiochem,2000,76:518. 527. 贺西京,毛履真,王坤正,等.激素性股骨头坏死与骨细胞脂肪 变性的实验研究.中华骨科杂志,1996,16:44.46. KellyKA,GimbleJM.1,25-DihydroxyvitaminD3inhibitsadipocyte differentiationandgeneexpressioninmurinebonenlRlTOwstromalce? clonesandprimarycultures.Endocrinology,1998,139:2622.2628. DuqueaG,MacorlttoM,KrR.1,25(OH)2D3inhibitsbone InRFFOWadipogenesisinsenescenceacceleratedmice(SAM.P/6)bv [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [2O] [21] [22] [23] [24] [25] decreasingtheexpressionofperexisomepreliferator-activatedreceptor gamma2(PPARgamnm2).ExpGerentol,2004,39:333?338. LeeS,LeeDK,ChoiE,eta1.IdentificationofaFunctionalVitaminD ResponseElementintheMurineInsig-2PromoteranditsPotential RoleintheDifierentiationof333.L1Preadipocytes.Mo1Endocrino1, 2005.19:399—4o8. TornvigL,MosekildeLI,JustesenJ,eta1.Treglitazonetreatment increasesbonemmwadiposetissuevolumebutdoesnotaffect tra~eularbonevolumeinmice.CalcifTissueInt,2001,69:46—5O. Leeka-CzernikB,MoermanEJ,GrantDF,eta1.Divergenteffectsof selectiveperexisomepreliferator-activatedreceptor-gamma2ligands onadipocyteversusosteoblastdifferentiation.Endocrinology,2002, 143:2376—2384. WatanabeS,TakeuehiY,FukumotoS,eta1.Decreaseinserumleptin bytreSlitazoneisassociatedwithpreventingbonelossintype2 diabeticpatients.JBoneMinerMetab,2003,21:166.171. ThomasT,GoriF.KhoslaS.e1.a1.Lepl,inacl,sonhuInannlarro-~q stromalcellstoenhaneedifierentiationtoosteoblastsandtoinhibit differentiationtoadipocytes.Endocrinology,1999,140:1630—1638. HuE,KimJB,SarrafP,SpiegelmanBM.Inhibitionofadipogenesis thretlshMAPkinase—mediatedphosphorylationofPPARgarnma. Science,1996,274:2100-2103. LaiCF,ChaudharyL,FaustoA,eta1.Erkisessentialforgrowth, differentiation,integrinexpression,andcellfunctioninhuman osteoblastiecells.JBio1Chem,2001,276:14443.14450. HessR,PinoAM,RiosS,eta1.Highaffinityleptinreceptorsare presentinhumanmesenehymalstemcells(MSCs)derivedfrom controlandosteoporotiedonors.JCellBiochem,2005,94:50.57. ShnabelM,Fichte1I,GotzenL,eta1.Difierentialexpressionof Notchgenesinhumanosteoblastiecells.IntJMolMed,2002.9:229. 232. SciaudoneM,GazzerreE,PriestL,eta1.Notch1ImpairsOsteoblaatie CellDifferentiation.Endocrinology,2003,144:5631-5639. ChenD,JiX,HarrisMA,eta1.Differentialrolesforbone morphogenetieprotein(BMP)receptortypeIBandIAin differentiationandspecificationofmesenehymalprecursorcellsto osteoblastandadipoeytelineages.JCellBiol,1998,142:295.305. ForemanMA,GuY,HowlJD,eta1.Groupmmetabotrepieshtamate receptoractivationinhibitsCa2influxandnitricoxidesynthase activityinbonema】Towstremalcells.JCellPhysiol,2005,204:704. 713. AmizukaN,KaraplisAC,HendersonJE,eta1.Haploinsuffieieneyof parathyroidhormonerelatedpeptide(PTHrP)resultsinabnormal postnatalbonedevelopment.DevBiol,1996,175:166.176. ChanGK,MiaoD,DeekelbanmR,eta1.ParathyroidHoFInone. RelatedPeptideInteractswithBoneMorphogenetieProtein2to IncreaseOsteoblastogenesisandDecreaseAdipo—genesisinPluripotent C3H10TMesenehymalCells.Endocrinology,2003,l44:5511-5520. (收稿日期:2005.11-03)