糖皮质激素通过糖皮质激素受体介导骨质疏松症的分子机制

黄艳茹 综述 袁伟杰 审核

糖皮质激素(GC)已广泛用于肾脏疾病、结缔组织病及器官移植等领域。有报道显示长期使用任何剂量的GC均可能导致患者骨量丢失、骨重建功能减退及机体对骨微损伤修复能力的下降，最终患者骨脆性增加，易发生骨折［1，2］，此类现象称 GC 诱导的骨质疏松症(GIOP)。目前GIOP的患病率仅次于绝经后骨质疏松，为20～45岁人群骨质疏松最常见原因之一。GIOP的发病机制十分复杂，本文旨在对GC通过GC受体(GR)诱导骨质疏松的分子信号机制研究做一综述。

GC与GR基本生物学作用

GC与GR结合通过基因效应发挥生物学作用，即GC与胞质中游离的非活化GR结合，导致受体构象改变并与热休克蛋白解离，形成GC-GR复合物转移至细胞核，对下游靶基因发挥转录活化或转录抑制的调节作用［3，4］。GR广泛存在于体内所有有核细胞，根据其在细胞中的分布常分为胞内受体(iGR)和膜受体(mGR)2类。iGR属于激素受体超家族成员，是一种配体依赖性蛋白质，有GRα和GRβ两个主要亚型［5］，是GR基因同一转录产物通过不同方式剪切的结果。GRα一般表达于人的成骨细胞和体外培养的成骨细胞系，在成熟破骨细胞中不表达，通过与GC结合，激活或抑制GC反应元件(GREs)，介导GC的主要作用。GRβ主要在人破骨细胞中表达，不能与GC结合，能竞争抑制GRa介导的转录活化，并在炎症反应中诱导GC抵抗［6］。

GR与GC对成骨细胞的影响

成骨细胞分化

成骨细胞分化的关键 近年发现核心结合因子a1(Cbfa1)是调节成骨细胞分化和骨形成过程的关键转录因子［7，8］，许多参与细胞外基质蛋白(ECMP)形成的基因调控序列都有Cbfa1的结合位点，现已证实，骨桥蛋白(OPN)、骨延蛋白(BSP)、α1Ⅰ型胶原蛋白的基因5’端均有与Cbfa1结合的成骨细胞特异元件2(OSE2)序列。Komori等［9］用基因敲除技术构制Cbfal基因缺失的小鼠发现，Cbfa1缺失小鼠成骨细胞及骨化组织减少。Ducy等［10］研究表明，成骨细胞特异性转录因子2/核结合因子α1(Osf2/Cbfa1)的超表达能诱导多潜能间充质干细胞分化为成骨细胞，并激活骨钙素(OSN)、Ⅰ型胶原蛋白、OPN、BSP等一系列下游成骨基因的转录。而GC可抑制Cbfa1的表达，抑制这些过程，从而抑制成骨细胞分化。

此外，亮氨酸拉链(GILZ)转录因子在成骨细胞分化中也起重要作用。骨髓成骨细胞与脂肪细胞共同来源于骨髓间充质干细胞。研究表明，大剂量的GC 可促进成骨细胞向脂肪细胞转分化［11，12］，这一影响主要与过氧化物酶体增生体激活受体γ2(PPARγ2)表达有关。GC介导的GILZ基因启动子上包含两个 GC受体作用元件(GREs)，可抑制PPARγ2的表达，从而促进骨髓间充质干细胞向脂肪细胞分化增多，抑制成骨细胞分化［13］。Zhang等［13］发现，敲除小鼠骨髓间充质干细胞的GILZ可降低间充质干细胞向成骨细胞的分化能力。

GC对经典Wnt信号通路的作用 经典的Wnt信号通路是目前公认的骨形成的重要调节通路。Wnt蛋白可与卷曲蛋白家族跨膜受体及其辅助受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5和6(LRP-5/6)结合形成复合体，该复合体可激活胞质内的蓬乱蛋白(Dsh)，使糖原合成酶3β(GSK-3β)失活。Wnt信号通路可使β连环蛋白(β-catenin)蓄积并异位到细胞核内，通过T细胞因子(TCF)和淋巴增强因子(LEF)家族的作用，激活靶基因，诱导成骨细胞转录因子的表达，使成骨细胞数目增加［14］。

GC对Wnt信号通路的作用呈剂量依赖性，小剂量可使Wnt7和Wnt10b的表达上调3～3.5倍。而过量的GC又可抑制Wnt通路，阻止β-catenin的累积［15］。GC可通过GR抑制Wnt信号通路，Olkku等［16］发现 GR可通过减少成骨细胞细胞核内的β-catenin含量和增加β-catenin向细胞膜的重新定位抑制Wnt信号通路。钙网织蛋白(CRT)可与GR上DNA结合域结合，参与GR对Wnt信号通路的抑制作用。DKK-1是 Wnt信号通路的抑制因子，Ohnaka等［17］发现在人 DKK-1基因启动子的-788～-774 bp区域存在GC作用元件，地塞米松可增加原代培养的人类成骨细胞DKK-1 mRNA的表达，从而抑制Wnt信号通路。

GC对骨形成蛋白(BMP)及胰岛素样生长因子1(IGF-1)的影响 BMP可诱导血液中骨髓间充质干细胞经过趋化、分裂、分化等过程不可逆地分化为成骨或成软骨，是目前唯一能异位诱导成骨生成能力最强的细胞因子。骨形成蛋白还可与其他细胞因子协同诱导成骨过程，如BMP可增加IGF-1、IGF-II、转化生长因子 β(TGF-β)及 IL-6的表达［18］。最近的研究显示，在骨间充质干细胞中GC及BMP-2以协同方式通过JAK/STAT信号通路使碱性磷酸酶的表达增加［19］。相反，GC可通过GR抑制 BMP-2对骨钙素表达及成骨细胞分化诱导作用［20］。

IGF-1具有促进细胞增生和分化的功能，不仅包括成骨细胞在内的多种细胞促有丝分裂作用，而且还可通过不依赖有丝分裂的途径促进骨基质细胞的合成和矿化。它以自分泌和旁分泌的途径调节骨骼细胞的功能，影响骨代谢，减少骨胶原退化，促进成骨细胞分化、成熟，刺激骨矿化，促进骨生长［21］。GC不仅直接从转录水平抑制人成骨样细胞IGF-1mRNA表达，导致IGF-1水平下降［21］，同时也影响IGF结合蛋白的活性及mRNA的表达，从而削弱IGF的骨形成作用。

其他 此外，与GR相关对成骨细胞分化的影响因子包括肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素1β(IL-1β)、IL-6及核刺激因子受体配体/骨保护素(RANKL/OPG)等。GC直接或间接通过GR与这些因子一起刺激或抑制成骨细胞分化。在体内及体外的实验中，GC对成骨细胞分化的刺激或抑制作用与GC的用药周期、持续时间及剂量相关。长期服用激素患者，激素的累积作用及机体内环境的改变可导致GC对骨代谢产生不良影响［22］。成骨细胞的分化及骨形成在体内是多因子参与的多步骤过程，是多个细胞及多功能基因产物的相互作用。然而，体内试验尚无法反映各因子相互作用的调节过程。

成骨细胞凋亡

B细胞淋巴瘤/白血病2(Bcl-2)基因家族 GC诱导的成骨细胞的凋亡受到促凋亡基因及抗凋亡基因的调节。Bcl-2家族中Bcl-2、Bcl-XL抑制凋亡，而Bax、Bad、Bak等则促进凋亡。研究提示，凋亡抑制因子和凋亡促进因子的比值决定细胞是否接受凋亡信号，两者的比值通过竞争形成二聚体来决定。Espina等［23］发现在骨肉瘤中GC通过GR下调抗凋亡因子Bcl-2基因导致细胞凋亡。Rogatsky等［24］发现GC可诱导增强Bcl-2家族成员Bim下游效应器［如天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 3、7、8(caspases-3、7、8)］的活性，在 GR 介导的成骨细胞凋亡中Bal-2家族起重要作用。目前公认的GREs位于Bcl-2家族成员NOXA及Mcl-1的启动子调节区域内，说明GREs很可能成为GR的作用靶点［25］。

p53基因 p53也是目前公认的与细胞凋亡相关的蛋白分子，正常p53基因为细胞周期G1期DNA损伤点，具有阻断细胞增生和引起细胞凋亡的作用，p53基因可通过上调 C-myc、ICE、Fas抗原及Bax基因，下调Bcl-2基因，升高细胞内钙离子浓度，诱发细胞凋亡。Ookawa等［26］发现，在成骨细胞系中p53的表达可抑制细胞生长，使细胞大量积聚并停滞在细胞分化周期G0/G1和G2阶段，同时可观察到细胞内染色体浓缩和DNA片段。表明p53可诱导成骨细胞凋亡。Li等［27］证实，GC诱导小鼠的成骨前体细胞株MC3T3-E1的凋亡和细胞周期停滞与GR相关，经过GR干扰或GR阻滞剂RU486预处理后将不出现这一过程。

11β-羟基类固醇脱氢酶1(11β-HSD1) Moraes等［28］认为激素能与骨细胞、成骨细胞及破骨细胞表面的受体结合，改变其构象，影响核内某些基因的转录及表达。现已明确，骨细胞/成骨细胞特异性11β-HSD1能把激素转化为无活性代谢产物，使其不能活化激素受体。在11β-HSD1基因的转录起始位点上游-197～-190碱基对的位置存在CTGATACAG序列，此序列类似GRE结构序列。故GC可能作用于类似GRE启动子的11β-HSD1的上游基因，从而调节11β-HSD1 基因表达［29］。

其他 GR亚型对前凋亡酵素(粒酶A和caspase-6)及抗凋亡基因调节是有选择性。尽管这些亚型有相同的DNA和配位子结合位点，但是它们在活化细胞凋亡程序的能力不同，例如GRa-D不能有效的抑制核因子κB(NK-κB)相关基因和Bcl-XL、细胞抑制凋亡蛋白1及存活素等抗凋亡基因的活性［30，31］。调节成骨细胞凋亡的因子还很多，包括Fas/FasL蛋白、应激蛋白氧调节蛋白150、血红素氧合酶1、Caspase家族及死亡受体等。然而它们在GC诱导成骨细胞凋亡中所起的作用并不清楚，有待进一步研究。

GR对骨细胞的影响

骨质疏松中的GR介导作用对骨细胞有多重影响，但其研究较少［32］。Plotekin等证实GC通过GR介导骨细胞的凋亡［33］，但也有研究表明，GR在激素诱导骨细胞数目减少中并非核心作用［34］，而RANKL在骨细胞的形成和基质的重吸收中作用突出［35］。

GR对破骨细胞的影响

破骨细胞是一种特殊类型的多核巨细胞，来源于CD34+的骨髓造血干细胞，其分化主要受骨髓基质细胞和成骨细胞所分泌的集落细胞刺激因子(M-SCF)、RANKL 及 OPG 等因子的调控［36］。研究表明 GC可诱导 RANKL和 M-CSF的表达，下调OPG的表达［36］，从而增加破骨细胞重吸收活性。

成骨细胞可刺激破骨细胞形成，Rauch等［34］使用成骨细胞和GR缺乏的转基因小鼠和野生型小鼠的胎儿肝细胞(作为破骨细胞前体)共培养发现，在体外实验中大剂量的GC可通过成骨细胞和破骨细胞内的GR抑制破骨细胞的形成。在Kim［37］的实验中也观察到地塞米松抑制破骨细胞形成和扩散依赖于破骨细胞内的GR。

小结：随着GC在临床上的广泛应用，GIOP的预防和治疗应予重视。了解GIOP发生、发展对控制GIOP具有重要意义。GC通过GR在骨细胞、成骨细胞、破骨细胞中发挥重要作用，但其相关机制复杂，相关因子与GR如何相互作用目前还尚不清楚，均有待深入的探索。

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