趋化因子在雌激素调控骨代谢中的作用及其机制①

许莹萍 王 凌

(复旦大学上海医学院附属妇产科医院暨妇产科研究所，上海市女性生殖内分泌相关疾病重点实验室，上海 200011)



趋化因子在雌激素调控骨代谢中的作用及其机制①

许莹萍 王 凌

(复旦大学上海医学院附属妇产科医院暨妇产科研究所，上海市女性生殖内分泌相关疾病重点实验室，上海 200011)

无论年轻人或老年人，骨代谢平衡是维系机体健康的重要因素。骨代谢失衡会引起一系列疾病，如：骨质疏松症、软骨病、骨硬化等。在男性和女性体内，雌激素是众所周知的骨代谢调控因子，它主要通过调节骨形成和骨吸收来维持内稳态。早在75年前，Fuller-Albright就已经注意到，更年期雌激素减少与机体骨密度降低有关[1]。雌激素通过各种途径调控骨代谢。巨噬细胞集落刺激因子(Macrophage colony stimulating factor ，M-CSF)、核因子κB受体激动剂配体(Receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)、护骨素(Osteoprotegerin，OPG)、激活蛋白-1(Activating protein-1，AP-1)、 核因子κB(Nuclear factor-κB， NF-κB)、SP-1、肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor alpha，TNF-α)、 白介素-1(Interleukin-1，IL-1)、IL-6、IL-7、IL-17等因子在雌激素调控骨代谢中均扮演重要角色[2-8]。

在过去的数十年中，研究者更多地关注于雌激素和骨代谢之间的关系。但雌激素是否通过调控趋化因子从而影响骨代谢的研究却很少。趋化因子在雌激素调控骨代谢中发挥重要的作用。本文旨在对目前关于雌激素是否通过调控趋化因子从而影响骨代谢的相关研究进行总结。为我们进一步探讨骨代谢性疾病的新疗法提供了一个新的靶点。

1 趋化因子和趋化因子受体

趋化因子共包含了40多位成员，根据其4个半胱氨酸残基位于蛋白质氨基末端的位置被分为4个亚群，分别称为C、CC、CXC、CX3C。趋化因子是细胞因子家族的第一位成员，以其具有诱导向靶细胞趋化作用的能力命名[9]。趋化因子是低分子量趋化性细胞因子超家族的成员，通过某些途径可与7个跨膜区域的G蛋白偶联受体相互作用[10,11]。趋化因子的两大重要功能是自我平衡和促炎。自稳性趋化因子通常参与淋巴细胞的迁移和定位。机体感染时产生促炎症性趋化因子，主要刺激白细胞趋化、诱导白细胞迁移至受伤或感染的部位，或激活白细胞以提高其在宿主免疫应答中的作用[9]。不同的趋化因子通过它们特殊的膜转运G蛋白偶联受体在机体免疫应答中扮演多种角色。例如，CXCL1(KC) 和CXCL2(MIP-2)通过诱导中性粒细胞参与一线固有免疫[12-14]，CCL5(RANTES)则作用于单核细胞和巨噬细胞[15]，还有其他的一些趋化因子可参与骨代谢，如：CXCL12[16]、CCL3[17]等。此外，趋化因子在细胞增殖、分化、激活、转移、免疫耐受、造血作用、新生血管形成、病毒或细胞间相互作用、癌细胞代谢等方面都可发挥作用[18,19]。

趋化因子受体可分为CR、CCR、CXCR和CX3CR，由10个CCR家族成员，7个CXCR家族成员和其他的一些受体(XCR1、CCRL1、CCRL2、CX3CR1)组成。当趋化因子与趋化因子受体细胞外部分结合时，受体的三级结构会发生改变，使受体细胞内部分结合并激活G蛋白[20]。趋化因子通过与其相对应的趋化因子受体结合发挥它的作用。趋化因子对不同的病原体能产生特异性应答。趋化因子能介导这些复杂的生物学功能归咎于在免疫应答过程中趋化因子诱导的特定细胞亚群上趋化因子受体动态表达模式、时机、种类[21]。CXCL8 (IL-8)是其中一个被研究最多的CXC趋化因子，它有两种受体，分别是CXCR1和CXCR2。其他的一些趋化因子，如CXCL10 (IP-10)、CXCL12 (SDF-1)、CXCL13 (BCA-1)只结合于一种受体，分别为CXCR3、CXCR4、CXCR5。

2 趋化因子和骨代谢

2.1 趋化因子和成骨细胞生物学功能 类风湿性关节炎患者滑膜和血清中CXCL8、CXCL9、CXCL10和CCL20等炎症因子的水平增加。人成骨细胞表达这些趋化因子受体(CXCR1、CCR6)。但是成骨细胞并不表达CXCL9和CXCL10的受体CXCR3。在Pathak等[22]的研究中，CXCL8和CCL20并不显著抑制成骨细胞增殖或基质蛋白，如：Ⅰ型胶原(Collagentype 1，COL1)、骨桥蛋白(Osteopontin，OPN)和骨钙素(Osteocalcin，OCN)的基因表达，但能促进成骨细胞IL-6表达，从而促进了成骨细胞介导的破骨细胞生成。骨关节炎(Osteoarthritis，OA)和外伤(Posttraumatic，PT)患者成骨细胞表达高水平CXCR3、CXCR5和低水平CXCR1、CXCR4。这表明在OA和PT患者骨组织重建区域，成骨细胞表达CXCL12/CXCR4和CXCL13/CXCR5。证据表明，与PT患者相比，OA患者成骨细胞产生更多的CXCL13，但CXCL12在OA患者和PT患者中的表达并无差别[23]。Lisignoli等[23]的研究表明，刺激OA和PT患者的CXCL8和CXCL10对成骨细胞增殖并无作用。但是，刺激OA患者的CXCL12 和 CXCL13却引起了明显的成骨细胞增殖，相同条件对PT患者却不产生作用。所以，CXCR4和CXCR5受体(CXCL12和CXCL13)仅诱导OA患者成骨细胞明显增殖和上调Ⅰ型胶原蛋白mRNA表达。这个结论同时也可被中和、抑制实验证实。人成骨细胞能表达CXCL8和CXCL1[24]。在人间充质干细胞(human mesenchymal stem cells，hMSCs)向成骨细胞系分化的过程中，合成的糖皮质激素、地塞米松能增加hMSCs产生CXCL8和CXCL1，从而刺激hMSCs向成骨细胞分化[25]。成骨细胞表达趋化因子CXCL12及其受体CXCR4。CXCL12-CXCR4信号通路在维持骨骼内稳态中起到关键作用。Shahnazari等[16]的实验用cre-loxp技术条件性敲除小鼠成骨细胞上的CXCR4，观察到骨量明显减少和骨松质结构的改变。成骨细胞特异性CXCR4敲除对间充质干细胞池以及间充质干细胞向成骨细胞或脂肪细胞分化产生深刻的影响。成骨细胞CXCL12-CXCR4信号通路能反馈调节破骨细胞前体池大小且在调节骨形成和骨吸收上发挥多种功能。骨髓瘤骨病(Myeloma bone disease，MBD)患者成骨细胞表达CCR1明显高于健康个体。CCL3是一种促炎性蛋白，又称为巨噬细胞炎性蛋白1α(Macrophage inflammatory protein 1-alpha ，MIP-1α)，它通过削弱矿化活性抑制成骨细胞分化、增殖和成骨潜能，降低OCN、RUNT相关性转录因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)和Osx水平，刺激MBD破骨细胞活性。使用CCL3抗体能提高OCN、Runx2和Osx水平且部分恢复成骨细胞活性[26]。Vallet等[27]研究表明，CCL3通过上调细胞外信号调节激酶(Extracellular signal-regulated kinase，ERK)活性和减少成骨转录因子osterix从而抑制成骨细胞活性。

2.2 趋化因子和破骨细胞 在正畸牙移动过程中，CCR5缺陷小鼠抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)阳性的破骨细胞数量和组织蛋白酶K、金属蛋白酶13(Metalloprotease 13，MMP13)、RANKL的表达明显高于野生型小鼠。然而， RUNX2、OCN、IL-10、骨吸收调节因子和OPG在CCR5缺陷的小鼠中的表达低于野生型小鼠。组织蛋白酶K、RANKL和MMP13是破骨细胞分化标记。RUNX2和OCN是成骨细胞分化标记。因此，在正畸牙移动过程中，CCR5可能通过下调破骨细胞数量来抑制牙槽骨吸收[28]。一些研究报道，CCR5出现在骨质溶解部位[29]，用CCR5拮抗剂处理可消除多发性骨髓瘤的溶骨作用[30]和改善关节炎相关的骨丢失[31,32]。RANKL诱导破骨细胞高表达趋化因子配体CCL9(MIP-1γ)、CCL22(MDC)、CCL25(TECK)和CXCL13(BLC/BCA-1)。同理，其相应趋化因子受体CCR1、CCR3和CX3CR1的表达在破骨细胞上也占据主导地位。CCL9是破骨细胞的主要产物，通过作用于CCR1刺激破骨细胞胞浆运动和极化。CCL9对破骨细胞的反应与CCL3(MIP-1a)对破骨细胞的趋化作用相似，CCL3同样是通过结合CCR1发挥作用。研究发现CCL9及其受体CCR1是破骨细胞表达的主要趋化因子配体和受体种类[33]。

基质细胞衍生因子1 a(Stromal cell-derived factor 1a，SDF-1a)又称为CXCL12。多发性骨髓瘤(Multiple myeloma，MM)患者的CXCL12主要由基质细胞、成骨细胞和破骨细胞产生[34]，且CXCL12的受体CXCR4是骨吸收的调节因子。研究表明藤黄酸(Gambogic acid，GA)通过抑制NF-κB与CXCR4启动子的结合下调多发性骨髓瘤细胞CXCR4mRNA的表达。GA通过抑制SDF1a/CXCR4信号通路从而抑制多发性骨髓瘤介导的破骨细胞生成[35]。Diamond 等[36]的研究表明，骨髓瘤小鼠模型SDF-1a表达增加会显著增加破骨细胞数量和骨丢失。

CCL3是一种破骨细胞生成性趋化因子。成骨细胞和破骨细胞表达CCR1和CCR5。CCL3通过结合CCR1和CCR5在压力诱导的牙槽骨重塑中起到关键作用。实验证实，CCL3敲除小鼠和CCR1敲除小鼠牙槽骨重建明显被削弱。使用CCR5和CCR1的拮抗剂Met-RANTE处理野生型小鼠也能得到相同的结果。CCL3敲除小鼠的RANK、RANKL和TNF-α处于低水平，在机械负荷下骨吸收减少[37]。有研究证实，CCL3不仅上调破骨细胞表达RANKL，且增加TNF-α的转录，诱导破骨细胞-成骨细胞相互作用，增加破骨细胞分化和最终的骨吸收[17]。机械负荷(例如：正畸力)上调牙槽骨和牙周软组织表达CCL3和CCR1。CCL3可能通过招募、辨别和激活破骨细胞前体细胞和成骨细胞而介导骨重建[38]。CCL3介导的骨重建效应很大程度上通过CCL3-CCR1轴完成[37]。然而，CCL3对牙周病相关的骨丢失并无影响[39]。在另外的研究中，牙周病患者CCR5被证实可以增加感染相关的骨丢失，阻止机械负荷诱导的骨吸收[28,40]。总之，在不同的刺激下或不同的疾病中，趋化因子在骨重建过程的作用并不完全相同。

3 趋化因子在雌激素调控骨代谢中的作用

调节性T细胞(regulatory T cells，Treg cells)抑制骨髓骨吸收和破骨细胞分化。 CXCL12-CXCR4轴的表达对Treg细胞迁移和在骨髓停留至关重要。Treg细胞上CXCR4的表达与雌激素有关，但CXCL12的表达与雌激素无关。 去势(Ovariectomied，OVX)鼠雌激素缺乏显著减少Treg细胞表面CXCR4的表达，减少骨髓Treg细胞数量。总之，去势鼠雌激素缺乏通过抑制Treg细胞CXCR4表达和Treg细胞迁移，减少骨髓Treg细胞数量，从而导致Treg细胞抑制破骨细胞分化这一功能缺失，最终导致骨吸收[41]。IL-17主要由Th17细胞产生，构成某些自身免疫性疾病(尤其类风湿性关节炎)的驱动力。IL-17可上调滑膜成纤维细胞的数量，从而产生更多CXCL8，CXCL8吸引中性粒细胞到达关节部位，IL-17通过这一机制来增强RA患者关节炎症[42,43]。IL-17通过刺激破骨细胞生成在炎症诱导的骨丢失中起着至关重要的作用。一些研究表明，在EAE或抗原诱导的关节炎(Antigen-induced arthritis，AIA)患者中，雌激素减少IL-17的产生[44-46]。CCR6-CCL20通路表达于Th17细胞，在Th17细胞迁移至炎症部位过程中发挥重要的作用[47]。在建立的关节炎模型中，雌激素结合于雌激素受体-α，增强淋巴结Th17细胞表达CCR6和CCL20，导致淋巴结Th17细胞的数量处于较高水平，且通过阻止Th17细胞向关节迁移使关节内Th17细胞的数量处于较低水平[48]。

4 总结

趋化因子在雌激素调控骨代谢中发挥重要的作用，这一研究为我们进一步探讨骨代谢性疾病的新疗法提供了一个新的靶点。

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[收稿2016-01-13 修回2016-04-25]

(编辑 张晓舟)

10.3969/j.issn.1000-484X.2016.11.028

①本文受上海市医学引导类项目(15401932200)、上海市浦江人才计划(11PJ1401900)、国家自然科学基金(30801502)、日本学术振兴会海外博士后研究员项目(P08471)、国家自然科学基金(81401171)、国家自然科学基金(31571196)和上海市高峰学科(中西医结合)建设项目(20150407)资助。

许莹萍(1991年-)，女，在读硕士，主要从事神经-生殖内分泌-免疫调节研究，E-mail：ypxu14@fudan.edu.cn。

及指导教师：王 凌(1977年-)，女，医学博士，副研究员，硕士生导师，主要从事神经-生殖内分泌-免疫调节研究，E-mail：dr.wangling@fudan.edu.cn。

R711

A

1000-484X(2016)11-1699-05