任茜;周建;石文贵;陈克明
【期刊名称】《解放军医药杂志》
【年(卷),期】2016(028)010
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】环磷酸鸟苷;信号传导;骨疾病,代谢性
【作 者】任茜;周建;石文贵;陈克明
mdi格式【作者单位】730050兰州,兰州军区兰州总医院骨科研究所;730050兰州,兰州军区兰州总医院骨科研究所;730050兰州,兰州军区兰州总医院骨科研究所;730050兰州,兰州军区兰州总医院骨科研究所
【正文语种】中 文
【中图分类】R681
成骨细胞由骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells， BMSCs)分化而来，并参与破骨细胞生物活性的调节，是骨形成过程中的重要细胞。成骨细胞主要负责合成和分泌骨基质[1]。骨形成是多种因素参与协调的过程。这些物质通过与Ca2+、环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)和三磷酸肌醇(IP3)等多种信号分子相互作用而参与调节骨代谢[2]。其中NO/cGMP及相关信号通路在成骨细胞成熟矿化过程中的作用，已成为研究热点。 成骨细胞在骨形成过程中具有重要作用，不仅分泌和合成骨基质(包括胶原和糖蛋白)，并与破骨细胞相互作用协调并维持骨的代谢平衡[3-4]。成骨细胞和各种细胞因子通过复杂的调节系统维持骨代谢的平衡。激素、细胞因子和生长因子等与其相应的受体结合，促使第二信使含量发生变化激活其下游的信号转导通路。其中细胞内常见的第二信使有cAMP、cGMP、Ca2+、IP3和二酯酰甘油(DAG)等[5]。
2.1 NO/cGMP信号通路 研究表明，NO在信号转导中起着十分重要的信使作用。在生物体内，NO对其下游分子的调节主要为依赖和非依赖于cGMP这两种方式。cGMP作为细胞内
的第二信使，具有传递信息的作用。由G蛋白偶联受体所激活的蛋白激酶活化,从而将细胞外信号转移到细胞内。因此cGMP是细胞内一种普遍存在且具有生物学活性的环核苷酸[6-8]。
NO/cGMP信号途径相关分子主要有NO、可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)、环核苷酸磷酸二酯(PDEs)、cGMP、蛋白激酶G(PKG)等。sGC是由α亚基及β亚基构成的异源二聚体，主要有4种亚型，是体内NO的受体[9]。PDEs作为催化细胞内第二信使cAMP、cGMP水解的酶，在调控细胞内各种信号途径中具有重要作用。cGMP作为细胞内重要的第二信使，受到sGC和PDEs的双向调节作用：cGMP是由sGC催化产生，PDEs催化细胞内cGMP的降解，使胞内cGMP维持在恒定水平。cGMP通过激活cGMP依赖性PKG，从而发挥其生物学作用。PKG是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，其在真核细胞中广泛存在，通过催化底物蛋白磷酸化，从而改变底物蛋白的活性，调控其相关的生物学效应[10]。
2.2 NO/cGMP在骨代谢过程中的作用 BMSCs来源于发育早期的中胚层和外胚层，具有多向分化潜能[11]，NO/cGMP信号途径在其中发挥重要作用。细胞内NO/cGMP水平变化可以调节骨髓来源干细胞的分化。大量研究表明，NO/cGMP信号途径参与骨形成的调节。S
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aura等[12]报道，将大鼠一氧化氮合成酶(eNOS)基因或者PKG基因敲除后，会表现出骨发育异常。核心结合因子(Cbfα1)是骨形成中的重要基因，Zaragoza等[13]研究报道认为NO影响cGMP途径，cGMP再通过Genistein激活骨形成的关键基因Cbfα1，从而促进大鼠成骨细胞增殖分化。NO/cGMP通路也可以调节Cbfα1从而影响基质金属蛋白酶-13(MMP-13)的表达量，调控骨形成[14]。NO/cGMP信号通路也介导破骨细胞引起的骨吸收过程。有研究发现，高浓度(30 μmol/L)的可溶性NO气体和NO生成剂硝普盐(>0.01 mmol/L)能抑制大鼠破骨细胞的骨吸收[15-17]。
3.1 cGMP/PKG信号通路 cGMP是细胞内常见第二信使。细胞内鸟苷酸环化酶(GC)和磷酸二酯酶(PDE)共同参与调节cGMP含量[18-19]。PKG是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，普遍存在于真核细胞中，主要有直接作用和间接作用。有3种类型的PKG存在于哺乳动物细胞中：PKG Iα、PKG Iβ和PKGⅡ。PKG Iα单体分子量为76 KD，PKG Iβ单体分子量78 KD，其主要以同源二聚体的方式存在。PKGⅡ主要以单体形式存在，分子量为86 KD[20-21]。
3.2 cGMP/PKG在骨代谢过程中的作用 cGMP/PKG信号途径可以通过众多因素影响骨的形成。如NO、雌激素等可以通过影响cGMP含量，而影响骨的形成过程[22]。作为cGMP的
下游信号分子，PKG对软骨内成骨性发挥直接调控作用。研究发现，将老鼠的PKG基因敲除，由SOX9引起的软骨细胞分化受到影响。Miyazawa等[23]研究表明，提高cGMP的含量，能促进软骨细胞的成熟和分化，PKGⅡ在该过程中具有重要的调控作用。Cheng等[24]研究表明，通过添加sGC抑制ODQ和cGMP抑制剂PDE5，其成骨性指标发生变化，碱性磷酸酶(ALP)活性显著降低，成骨性基因OSX表达量下降，成骨细胞钙化结节数量减少。表明cGMP/PKG信号途径在骨形成过程中具有重要重用。
上皮钠离子通道(epithelial sodium channel， ENaC)在哺乳动物中有4个亚型：α、β、γ和δ，每个亚基由2个跨膜螺旋组成[25]。最近的研究表明，在骨组织中ENaC具有从结构和功能方面影响其信号转导的可能性。但也有研究表明，ENaC基因的表达会因加入外源的cGMP后而增强，并且成骨相关性指标ALP、Collagen-I、OSX、BMP-2、RANKL等的表达也会增强，所以认为PKG通过磷酸化ENaC将其激活[26]。ENaC作为cGMP/PKG信号途径的下游分子而影响对骨形成过程的调控[27]。
网络新闻的特点初级纤毛是一种比较特殊的细胞器，主要存在于哺乳动物细胞表面，体形较小，结构比较复杂。在细胞分裂期的间期G0期由中心粒锚定在细胞的表面[28]，可感应细胞外机械和化
学信号变化，并将其转导至细胞内部引发相应细胞生物学反应。在初级纤毛中，多重的cGMP信号通路被人们熟知。一条途径是通过激活初级纤毛内的G-蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)从而启动G-蛋白信号通路，分别通过GC或PDE引起cGMP的合成或水解。第二条途径是通过初级纤毛细胞外的配体直接激活细胞膜结合的GC颗粒(membrane-associated particulate GC, pGC)。最后，初级纤毛中cGMP信号通路可以通过sGCs N末端结构域结合小分子(NO、CO、O2)激活[29]。在骨形成的过程中，初级纤毛内sGC通过调节cGMP水解酶的活性及与其相关的PDE6引起cGMP含量的降低。cGMP水平的下降导致cGMP离子通道的关闭，活化相关细胞调节成骨细胞和破骨细胞的活性[30]。然后，GC与钙共同作用激活鸟苷酸环化酶活性蛋白(GCAPs)从而恢复cGMP的水平。cGMP结合CNG离子通道促进Ca2+和Na+的进入促进细胞的去极化。Ca2+进入并与钙调蛋白(CaM)结合引起反馈调节机制，降低cGMP和CNG离子通道的亲和性，这对于成骨性是很重要的[31]。PKG是初级纤毛众多的细胞内靶分子之一，不同的细胞纤毛中cGMP有显著的活性差异。因此，我们认为cGMP在调节纤毛功能中具有重要作用，cGMP通过影响初级纤毛调节骨形成。
骨形成是复杂的过程，不仅激素参与调节，且细胞因子和生长因子也参与其中，其中信号
通路在骨形成过程中具有重要意义[32]。文献资料表明，NO/cGMP信号通路在成骨细胞成熟矿化的过程中具有重要作用，NO/cGMP信号通路的激活可以促使胚胎干细胞和BMSCs向成骨细胞的分化。NO/cGMP信号途径相关分子参与了骨的吸收、形成及改建，通过复杂的分子机制，协同并维持了骨代谢平衡。
cGMP是细胞内常见的第二信使，通过激活cGMP依赖性PKG而发挥作用。cGMP/PKG信号途径在成骨细胞成熟矿化过程中具有重要作用[33]，尽管研究报道较少，但由于发现该基因的敲除会抑制大鼠骨的发育成熟，这一途径已逐渐受到研究者们的青睐。NO/cGMP信号途径不仅影响骨代谢，而且对靶细胞也有影响。众所周知，Na+对骨质疏松有一定影响[34]，但其影响对骨代谢的具体作用机制还不是很明确。因此我们在对NO/cGMP促进骨形成的机制研究过程中，了解其促进成骨细胞成熟矿化的机制，有望为骨质疏松症开辟新途径，其具体作用机制需要进一步的深入研究。
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