成纤维细胞生长因子9及其受体对骨骼的作用

成纤维细胞生长因子9及其受体对骨骼的作用 成纤维细胞生长因子9及其受体对骨骼的作 用 . 324.国外医学内分泌学分册2生筮箜鲞筮塑垦!亟!塑堕箜!: C3H1I’1/2mesenchmalstemcellsbyanti.CbfalsiRNAblockso6 teoblasticdevelopment,butdoesnotaffectchondrogenesis.ArthritisRes Ther,2OO4,6(Suppl3):86. 4XiaozS.HjelmelandAB,QuarlesLD.Selectivedeficiencyofthe”bone- related”Runx2??unexpectedlypreservesesteoblast—n~diatedskdeto— genesis.JBiolChem,2OO4,279:20307—20313. 5BanerjeeC,JavedA,ChoiJY,eta1.Differential~,ulaionofthetwo principalRunx2/CbfalN—terminalisoformsinre印?setobonemorpho— geneticprotein一2duringdevdopmentoftheesteoblastphenotype.En— docrinology,2001,142:4026-4039. 6ShuiC,SpelsbergTC,KhoalaS,eta1.ChangesinRunx2/Cbfalexpres— sionandactivityduringesteoblasticdifferentiationofhumanbonenlamw stromalcells.JBoneMillerRes,20o3,18:213—221. 7UetaC,1wamotoM,KanataniN,eta1.Skeletalmalfommliooscausedby overexpressionofCbfaloritsdominantnegativeforminchondrocytes.J cdlBIoJ,2001,153:87—1oo. 8EnomotoH,ShiojiriS,HeshiK,eta1.Inductionofesteoclastdifferentia. tionbyRunx2thron#receptoractivatorofnuclearfactor-roBlind (RANKL)andesteoprotegefinregula~orlandoarualrescueofesteoclas— togenesisinRunx2一一micebyRANKL位msne.JBiolChem,2003, 278:23971.23977. 9KemB,ShenJ,StarbuckM,eta1.Cbfalcontributetotheesteoblast. specificexpressionoftypeIcollagegenes.JBi0JChem,2001.276: 7101.7107. 10JavedA,Bal’llesGL,JasanyaBO,eta1.RunthomologydomflJHtranscrip— tionfactors(Rum,CbhandAML)mediaterepressionofthebonesialo. proteinpromoter:evidenceforpromotereontex—dependentactivityof Cbhproteins.MolCellBiol,2001.21:2891.2905. 11ThimnavukkamsuK,HalladayDL,MilesRR,eta1.1heestceblast-spe. cifictranscriptionfactorCbfalcontributestotheexpressionofesteopm— tegefin.apotentinhibitorofesteoolastdifferentiationandfunction.JBid Chem.2O0o.275:25163—25172. 12O’BrienCA,KernB,?眦SC,eta1.CbfaldoesnotregulateRAN. 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(收稿日期:2004-11-29) 成纤维细胞生长因子9及其受体对骨骼 的作用 于丽云综述周学瀛审校 【摘要】成纤维细胞生长因子.9(FGF.9)最初发现于人类神经胶质瘤细胞,具有三叶草核心结 构,而且必须与肝素结合才能活化受体.FGF受体(:FR)均为单链酪氨酸激酶受体,FGF-9主要 与 FGFR-2和FGFR-3结合.FGF-9分布广泛,具有多种生理功能.在骨组织,FGFR-2主要表达于 成骨细 胞系,FGFR-3主要表达于软骨细胞系,FGF-9可能通过活化FGFR.2促进膜内成骨,通过活化 FGFR-3 抑制软骨内成骨. 【关键词】成纤维细胞生长因子-9;成纤维细胞生长因子受体;骨和骨组织;成骨细胞;破骨细 胞 成纤维细胞生长因子(FGF)是以自分泌或旁分 作者单位:100730北京,中国医学科学院,中国协和医科大学 北京协和医院内分泌科 泌方式起作用的信号分子,在胚胎发生,组织修复, 肿瘤形成,细胞增殖和分化等多种生理过程中有重 要作用.目前已发现该家族有23个成员(FGF.1 FGF一23)[.1993年,Namo等首先从人类神经胶质 国外医学内分泌学生2旦箜堑鲞箜塑塑旦盟 瘤细胞系分离出FGF-9,因其能促进神经胶质细胞 增殖,故又称胶质细胞活化因子(GAF).在骨代谢 中FGF-9可能通过与FGF受体(FGFR)一2,3结合,抑 制软骨内成骨,促进膜内成骨.本文简介近年有关 FGF-9和FGFR的结构及其在骨代谢中作用的研究 进展. 1-F.9和FGFR概述 1.1FGF-9人类FGF-9基因位于染色体1lql1— 13,为单拷贝基因,含3个外显子和2个内含子. FGF蛋白中部的120,130个氨基酸构成12个口折 叠(B1,口12),每4个为一组,构成类似三叶草的核 心结构.FGF家族有相同的核心结构,均能与肝素 或硫酸乙酰肝素结合.FGF-9为单链多肽,由208 个氨基酸组成,与经典的FGF家族成员FGF-1,FGF- 2有30%的序列相同,具有三叶草核心结构,而且必 须与肝素结合才能活化受体2.大部分FGF成员 有经典的信号肽,这种信号肽使FGF经内质网,高 尔基体以糖基化的形式分泌.FGF-9没有经典的信 号肽,但是N端的35个氨基酸作为非剪切信号肽使 FGF-9能以同样的方式分泌_3J. 在溶液中FGF-9可以形成二聚体,其与受体结 合的部位处于二聚体内部,被遮盖,故不能与受体接 触,这可能是FGF-9的一种自我抑制机制.其他 FGF成员是否会在溶液中形成二聚体尚未见报 道[2l. 不同种属间的FGF-9具有高度同源性,如人类, 大鼠,小鼠,非洲蟾蜍的FGF-9的cDNA一致性达 93%,人类与大鼠的FGF一9只有一个氨基酸不同(人 类FGF-9蛋白第9位为天冬酰胺而大鼠为丝氨酸), 说明其在生命中的重要作用[.FGF-9广泛分布于 人体的脑,肾,运动神经元和发育中的骨组织中[, 可促进神经胶质细胞,牙间质细胞,前列腺上皮细胞 和干细胞增殖,延长体外培养的运动神经元的存活 时间,胚胎期促进肺组织发育和生殖系统发育.还 可能参与形成滑膜内软骨结节. 1.2FGFR的结构FGFR主要有4种(FGFR一1, FGFR-4),均为单链酪氨酸激酶受体,结构十分相 似,由胞外区,跨膜区,胞内区组成.FGF-9主要与 FGFR-2和FGFR一3结合,不能与FGFR一1和FGFR-4 结合. 在人类胚胎期FGFR一2是软骨形成中心形成的 最早标志,随后FGFR-2主要表达于软骨膜和骨膜, 而FGFR一3主要表达于软骨生长板内的软骨细 胞_6J.在胎儿期颅骨的膜内成骨中,FGFR一2主要位 于骨化前缘的成骨细胞. 人类FGFR-2基因突变可导致多种伴有颅缝早闭 的综合征,如Pfeiffer综合征,Crouzon综合征,Ape.综合 征.FGFR-3基因突变活性增强时可导致多种伴有侏 儒的综合征,如季肋发育不全,软骨发育不全(ACH),致 死性发育不良(r?),均是由于软骨内成骨受抑制,导致 软骨发育不全形成的,症状依次加重. FGFR-1第252位的脯氨酸由精氨酸取代 (r~252Arg突变)可形成Pfeiffer综合征,表现为颅缝早 闭,手或足呈并指(趾)或短指(趾);FGFR-2第252位的 丝氨酸由色氨酸取代(Ser252Try突变)可导致Apert综 合征,表现为冠状缝早闭,关节融合,精神迟滞;FGFR-3 第250位的脯氨酸由精氨酸取代(突变)也可 造成颅缝早闭_8,9].这几种类型的突变,致使受体与 FGF-9的亲和力进一步增强,说明FGF-9参与骨骼生长 发育,与某些遗传『生畸形有关. 2.9对骨骼的作用 2.1促进膜内成骨小鼠颅缝的形态发生主要由颅 骨骨化前缘,颅缝间质,硬脑膜协调完成.小鼠出生 前后FGFR-1表达较弱,分布于骨化前缘,颅部软骨; FGFR-2表达较强,主要位于骨化前缘;FGFR-3位于头 部软骨;颅骨和颅骨间质未见FGFR-4.FGF-9分布于 颅骨间质,硬脑膜,发育中的颅骨和颅部皮肤.给予 体外培养的小鼠颅骨FGF-9后可见颅缝融合,成骨细 胞分化增强,同时Msx一2(同源异型转录基因盒家族成 员)和Runt相关转录因子2(Runx2)表达升高10. Msx-2是一种转录因子,与颅面部形态的发育有关,而 Runx2是成骨细胞特异转录因子.给去卵巢大鼠静 脉注射FGF-9,治疗两周,可见新骨形成和骨吸收表面 积降低,股骨中段皮质骨骨密度增加II. FGFR-2基因完全敲除小鼠在胚胎期因不能形 成正常胎盘而死亡.Yu等_7J建立FGFR-2基因部 分敲除小鼠,使该信号途径的破坏仅限于成骨细胞 系和软骨细胞系.这种小鼠出生后30d头呈穹隆 状,矢状缝,额缝,枕骨中部开放;脊柱和四肢均短于 野生型小鼠;骨密度,干骺端骨小梁数量,长度,宽度 均低于野生型小鼠,成骨细胞数量明显减少,细胞胞 浆萎缩,合成骨基质蛋白的能力降低,骨矿盐沉积率 显着降低.FGFR一2主要表达于成骨细胞系和动脉 内的软骨细胞,但是不表达于生长板内的软骨细胞. FGFR-2基因部分敲除小鼠的软骨细胞增殖,分化正 常,但是表现型如侏儒,显然是因干骺端骨生成障碍 造成的. 根据以上实验结果可见,FGF-9通过活化FGFR— 医学内分泌学分册2OO5年2箜箜鲞箜翅曼妞 2促进膜内成骨,但是FGF-9对成骨细胞增殖和分 化的影响及其作用机制尚需要深入研究. 2.2抑制软骨内成骨软骨组织过度表达FGF.9 的转基因小鼠与同窝野生型小鼠相比,体长小 50%,颅面部畸形,口鼻部短;四肢短而且不成比例, 股骨等近端骨更严重;脊柱短而且宽,尾部呈不规则 卷曲;软骨下骨小梁少而薄;生长板内增殖期和肥大 期的软骨细胞明显减少,生长板破坏情况与FGFR.3 自身活化导致的ACH,TD患者的生长板类似_5J5. FGFR.3第380位的甘氨酸由精氨酸取代(Gly380Arg 突变)将形成ACH[』,FGF.9过表达小鼠的表现型 与ACH患者相似,也与FGFR.3(含Gly380Arg突变) 转基因小鼠的表现相似.来源于大鼠颅骨的软骨细 胞系C5.18能够向软骨细胞分化,有研究人员用 FGF.9刺激该细胞,发现FGF.9具有促进其初期分 化,阻断其终末期分化的作用. FGFR-3基因完全敲除小鼠出生后骨骼过度生 长L1,主要表现为脊柱较长并伴有驼背或侧突,尾 部卷曲;长骨主要累及近端的肱骨,股骨;颅部扁平 骨发育无明显异常.骨骺生长板内的软骨细胞呈柱 状排列,软骨细胞依次经历静息,增殖,前肥大和肥 大阶段.肥大的软骨细胞是成熟的,凋亡后由骨小 梁代替.FGFR.3基因敲除小鼠的组织学表现为软 骨肥大带变宽,并且不能及时转变为无细胞层,致使 骨小梁内可见软骨细胞.表明软骨内成骨能力增 强,时间延长.但胚胎期未见异常,说明FGFR.3在 出生后抑制软骨内成骨,且该作用不能由其他FGFR 代替. 目前对FGFR.3在软骨细胞内的作用机制已有 一 定的了解.Murakami等_1j建立了多种转基因小 鼠,认为FGFR.3经丝裂原活化蛋白激酶激酶 (MEK)/细胞外信号调节激酶(ERK)/Sox9途径抑 制软骨细胞分化,经信号转导及转录活化因子1 (STAT1)途径抑制软骨细胞增殖.此外,还有文献 报道FGFR.3通过抑制mh(具有发育调节功能的一 种分泌性蛋白)表达,间接抑制软骨内成骨;并能促 进p21表达,p21是细胞周期蛋白激酶抑制剂,能够 抑制软骨细胞增殖及其终末期分化[.因此, FGFR-3可能通过多条途径影响软骨细胞生长. FGF-9刺激大鼠软骨肉瘤细胞引起的胞内变 化,与FGFR-3(含Gly380Arg突变)转基因小鼠体内 的变化相似,例如细胞增殖停滞于DNA合成前期 (G1期),ERK活化,p21表达升高[15].说明FGF.9 通过活化FGFR.3抑制软骨内成骨. 综上所述,FGFR.2主要表达于成骨细胞系, FGF.9活化FGFR.2可能促进膜内成骨和提高骨密 度;FGFR.3主要表达于软骨细胞系,FGF.9与FGFR. 3结合后抑制软骨内成骨.但FGF.9对成骨细胞增 殖和分化的影响及作用机制尚不清楚. 对FGFR.2,FGFR.3功能的描述主要来自于发 育中的小鼠.骨骼发育成熟后,骨骺闭合,此时给予 FGF.9若能活化FGFR.2,FGFR.3将有利于成骨细胞 生长,提高骨密度,对软骨细胞的不良影响将很微 弱.动物实验得到的结果在人体内是否相同,尚需 要进一步深入研究. 参考文献 1OlsenSH,GarbiM,ZampierN,eta1.Fibroblastgrowthfactor(FGF) homologousfactorssharestructuralbutnotfunctionalhomologywith FGlFs.J?olChem,2003.278:34226.34236. 2HotnikovAN,EliseenkovaAV,IbrahimiOA,eta1.Crystalstructureof fibroblastgwwthfactor9revealsregionsimpficatedindimerizationand autoinhibition.JBiolChem.20o1,276:4322-4329. 3RevestJM,DeMoerloozeL.DicksonC.Fibroblastgrowthfactor?9secre- tionismediatedbyanon—cl~vedamino-terminalsignalF~quence.JBid Chem,2Ooo,275:8083-8O9O. 4TsaiSJ,WuMI-I,ChenHM,eta1.Fibroblastgrowthfactor-9isanen. dometrial$Lromalgwwthfactor.Endocrinology.20O2.143:2715-2721. 5GarofaloS,Kliger-SpatzM,CookeJ,eta1.Skeletaldysplasiaandddec- fivechondrocytedifferentiationbytargetedoverexpressionoffibroblast growthfactor9intransgenicmice.JBoneMinerRes,2001,19:213- 219. 6wverdeFrancoG,LiuH,DavidsonD.eta1.Defectivebonemineraliza. tionandosteopeniainyoungadultFGFR3一mice.HumMolGenet, 20o4.13:271-284. 7YuK,XuJ,UuZ,eta1.ConditionalinactivationofFGFreceptor2re. vealsallessentialforFGFsi”gintheregulationofosteoblastfunc. tionandbonegw~th.Development,2003,130:3063.3074. 8YuK,HerAB,WaksmanG.eta1.1ossoffibroblastgrowthfactorrecep. tor2ligand-bindingspecificityinApert?dI?嘴.ProcNailAcadSci USA,2O0o,97:14536-14541. 9IbmhimiOA,ZhangF,EliseenkovaAV.eta1.PI~netoairlinemuta tionsinF(reeeptom1and3restdtini侬lrandMuenkecraniosyn. ostosissyndromesth~shenhancementofFGFbindi】唱aff’mity.Hum MolGenet,20o4,13:69.78. 10Igne~MAJr,WangW,YoungAT.Fibroblastg,o~hfactorsleadtoin. creasedMsx2expressionandfusionincalvarialsutures.JBoneMiner Res,20o3.18:751.759. 11TaiwoYO.Approachesindevelopingnewanabolictherapies.Intemation. alConferenceonOsteoporosisandBoneResearch ,Seij~,2oo3.Bei. jing:ChineseSocietyofOsteoporosisandBoneMineralResearchChinese MedicalAssociation;InternationalChineseHardTissueSociety.2003. 】11 医学内分泌学分册生旦箜箜鲞箜?塑塑匹 12YamnakaY,mal【aH,KoikeM,eta1.PTHrPi~ue8ATDC5cells flmmap叩t0sisinducedbyFGFrecepl~r3mutation.JBoneMillerRes, 2003,18:1395—1403. 13Ch0iDY,Toledo-AralJJ,LinHY,eta1.Fibmblastgrowthfactorreceptor 3inducesgeneexpressionva~ily山mu曲Ras.independentsi~ml transductionpathways.JBiolChem,2001,276:5116—5122. 14MurakamiS,BalmesG,McKirmeyS,eta1.Constitutiveactivationof MEK1inch0ndroeytescausesStat1.independentachondroplasia.like d?IIfismandrescuestheF夸?一deficientm0usephenotype.GenesDev, 2OO4.18:290—305. 15Rozenblatt.RosenO.Mosonego-OmanE,SadotE,eta1.Inductionof chondrocytegrowtharrestbyFGF:transcriptionalandcytoskeletalalter- ations.JCellSci,2002,115:553—562. (收稿日期:2004-07—26) v I33整合素信号转导与破骨细胞研究进展 晁爱军杨福军综述樊继援审校 【摘要】岛整合素是破骨细胞膜上一种重要的蛋白,影响破骨细胞的运动及骨吸收能力.岛 抗体, 核因子.JcB受体激活剂配体和巨噬细胞集落刺激因子可通过岛整合素调控破骨细胞的分 化及功能.岛 激活后,与富含脯氨酸的酪氨酸激酶2,酪氨酸蛋白家族(c-S~c)形成复合物,诱导信号蛋白 Cbl磷酸化使细 胞信号得以传递.岛的结构,p亚基重要位点的变异影响其信号的传递.以岛及其信号转导途 径为靶 点开发的药物,在类风湿性疾病,某些肿瘤和骨质疏松的I临床治疗上有一定应用前景. 【关键词】破骨细胞;av岛整合素;细胞因子;信号转导 整合素是破骨细胞上的一类跨膜蛋白,是由a, J3两个亚单位组成的异源二聚体.根据其a和J3亚 基的不同又分为多种类型,可介导细胞间及细胞与 基质问的交互作用.代表a岛整合素的玻璃粘连蛋 白受体(vnR)在许多组织广泛表达,但仅在破骨细 胞上特异性的高表达,表明a岛整合素对破骨细胞 的功能有重要影响.本文简要综述a岛整合素信号 转导及临床应用的研究进展. 10【v整合素的功能及其调控因素 岛的分子量约为150u,呈水晶状结构_l』.a岛 缺乏会导致破骨细胞功能障碍,出现骨吸收异常及骨 硬化_2J.骨吸收时,破骨细胞和骨基质紧密接触,破 骨细胞皱褶缘上的跨膜蛋白,特别是整合素家族.与 细胞外基质紧密附着,形成特定的封闭带(po. dosome)结构.该结构区域包括桩蛋白,富含脯氨酸 的酪氨酸激酶2(PyI【2)和a等细胞蛋白成分,阻 断a岛的信号分子如凝胶溶素可以影响oodosome 的形成,细胞的运动和骨吸收_3j3. a岛可识别细胞外基质蛋白精氨酸一甘氨酸一 天冬氨酸(RGD)结构.含有RGD结构的a岛阻断 性抗体,如锯鳞血抑肽(echistatin)在体外可影响破 基金项目:天津市自然科学基金资助项目(033605911) 作者单位:300052天津医科大学总医院内分泌科(晁爱军,樊继 援);300192天津,中国医学科学院放射医学研究所生物室(杨福军) 骨细胞的形成,诱导黏附的破骨细胞回缩和脱离;在 体内echistatin可导致骨硬化,但骨表面上的破骨细 胞数量无明显减少,表明干扰a岛整合素信号通路 可影响破骨细胞骨吸收能力而不影响破骨细胞的分 化及黏附功能.体外破骨细胞迁移实验发现,a岛 沿着破骨细胞肌动蛋白的前导缘分布,当存在echis. tatin时,a岛在黏附表面随机分布,提示a岛抗体可 通过影响a岛的分布影响破骨细胞的功能. 核因子(NF).xB受体活化因子配体(RANKL)和 巨噬细胞集落刺激因子(M.CSF)是破骨细胞成熟的 必需因子,均可通过a影响破骨细胞的功能. RANKL可诱导破骨细胞高水平表达a岛,并强化po. dosome在破骨细胞外周的分布.M.CSF及其受体c. Fms结合,可提供早期破骨细胞前体生存和增殖所 需要的信号.M.CSF对破骨细胞功能的调节.至少 有一部分是通过增加a在膜表面的活性来实现 的_4j.有研究发现,岛基因缺乏纯合子()小鼠 的骨髓巨噬细胞(破骨细胞前体细胞)在体外破 骨细胞培养条件下不能正常分化为破骨细胞.增加 RANKL浓度对其没有任何影响,而通过c.FmsY697 (第697位的酪氨酸)介导,增加M.CSF的浓度可以 完全恢复这种小鼠破骨细胞前体细胞的分化缺陷, 但不能改善破骨细胞的骨吸收缺陷[5j5.电子显微镜 检查发现,经M.CSF代偿而形成的厂-破骨细胞, 迁徙和多核化情况均正常,但在体内不能有正常的