小研与MSCs成脂和成骨分化相关的信号通路的进展
1 引言在人类许多疾病中均可以见到骨组织与脂肪组织“此消彼长”的现象[1-4]。由于成骨细胞和脂肪细胞共同来源于间充质干细胞，可见人们间充质干细胞成骨分化与成脂分化不是彼此孤立的过程，而是存在着相互制约的平衡关系。目前该领域已成为干细胞生物学研究的热点。
成骨细胞和脂肪细胞来源于共同的前体细胞-多潜能的间充质干细胞（MSCs），骨髓和脂肪中含有这种细胞，即骨髓间充质干细胞（BMSCs）和脂肪间充质干细胞（ASCs）。大量的研究证实这两种分化机制与多种生长因子，和胞内外信号通路紧密相关。有趣的是，成脂分化的诱导因素常常是成骨分化的抑制因素，反之亦然。例如，过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ）是成脂分化的主要的诱导因子，它可以抑制细胞的成骨分化。成脂分化与成骨分化间多种信号通路间相互作用的结果，包括BMP、Wnt、hedgehogs, delta/jagged 蛋白、FGF、IGF、以及转录因子PPAR-γ 和Runx2 等信号通路。本文将信号通路中的关于成脂和成骨分化的最新研究进展综述如下。
2 Wnt 信号通路
2.1 经典Wnt 信号通路
目前人们大多认为Wnt 在骨形成过程中是起到促进前体成骨细胞分化为成熟的成骨细胞，而不决定细胞的分化命运[5-8]。经典的Wnt 信号通路是通过抑制PPAR-γ 和CCAAT/增强了结合蛋白α的mRNA 的表达。但是至于分子水平的具体抑制机制还不是很明了。Wnt 经典信号通路的激活由分泌型Wnt 糖蛋白与卷轴受体(Frizzled Receptor) 的结合而起始，细胞膜表面的FZD 与LRP5/6 的异二聚体组成配体Wnt 的特异结合靶点. 配体Wnt 与FZD 特异结合能够导致β- Catenin 在胞浆中稳定积累并进入细胞核内进而导致Wnt 目的基因的表达。但是，最近Yadav 和其同事的研究结果[9]挑战了这种传统的观点（lRP5 通过经典的信号通路影响骨量），他们证明了，lRP5 在肠道内以一种不依赖β-catenin 的方式，通过调节5-羟色胺（serotonin）的合成间接控制骨量。
最近Jing Nie 和E. Helene Sage 等发现富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(SPARC)可调节Wnt/β-catenin 信号通路, 抑制了成脂分化，促进了成骨分化[10,11]. SPARC 诱导β-连环素（β-catenin）与淋巴样增强因子-1（T cell/lymphoid enhancer factor 1）的富集和在核内的易位。整合素连接激酶（integrin-linked kinase）的活性对于SPARC 引起的β-catenin 富集和细胞外基质的重建是必需的。在成脂分化过程中，纺锤状的前体脂肪细胞分化为球状的成熟脂肪细胞，细胞外基质也从富含纤维结合蛋的基质转化为富含层粘连蛋白的基质。SPARC 阻碍了前体脂肪细胞成脂分化过程中的形态变化。在添加SPARC 的条件下，纤维结合蛋白含量增高，而层粘连蛋白的表达则被抑制；与此同时整合素α5 含量增加，而整合素α6 被抑制。
能够增强β-catenin 的表达的氯化锂同样也能抑制整合素α6 的表达。这些发现证明了SPARC在前体脂肪细胞形态变化和其终末分化过程的信号传导过程中的重要作用。
2.2 非经典Wnt 信号通路
非经典 Wnt 信号通路对于骨形成和骨重建的影响目前是个研究热点。非经典Wnt 信号通路配体，如wnt4、 wnt5a 和wnt11，它们的信号传递是通过激活一些激酶（包括MAP 激酶, PKC, 钙调神经磷酸酶（calcineurin） 和钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ））来实现的，但是至于具体的磷酸化底物现在大多不知道或未经证实的。在经典Wnt 信号通路的配体wnt3a 或其复合受体lRP5 不足的老鼠中，有骨丢失现象但是不会促进骨髓脂肪化。但是在非经典wnt 信号通路配体wnt5a 不足的杂合老鼠中却发现在成骨分化减少的同时还伴有骨髓脂肪化的增强。在未分化的间充质杨的细胞系ST2 中，wnt5a 是成骨分化的有效诱导物，并且通过MAP3K7/MAP3K7lP2?NLK 线路抑制PPAR-γ介导的成脂分化。激活的NLK 磷酸化SETDB1（一种组蛋白甲基转移酶），进而使得NLK, SETDB1, CHD7 及PPArγ间复合物的形成[12]。再者wnt5a 在老鼠骨髓中至始至终都表达且作为PPAR-γ的辅阻遏物，因此，非经典wnt 信号通路配体wnt5 是一种MSC 的细胞命运决定因子，它驱使细胞从成脂往成骨方向分化[13,14]。
3 BMP 信号通路
骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)是转化生长因子-β (transforminggrowth factor-β, TGF-β)超家族中的重要成员。它们通过自分泌或旁分泌发挥作用, 参与细胞生长、增殖、分化、迁移、凋亡和各种组织的发育等多个重要的生物学过程。目前经鉴定的BMPs 已经有20 多种，其中关于BMP-2, BMP-4,BMP-6,和BMP-7 在MSCs 成脂或成骨分化中的调节作用是研究得最为多的[15]。据近期文献报道[16]，BMP-2,BMP-4, BMP-6, BMP-7,和BMP-9 以一种相互排斥的方式促进MSCs 的成脂或成骨相关的定型和终末分化。BMPs的受体很大程度上决定了它的胞内信号是起到成脂分化还是成骨分化的作用。总体上，BMPR-IA 是促进细胞成脂分化而BMPR-IB 是促进成骨分化[17]。此外如人们料想的Runx2基因敲减降低了成骨分化，但是PPARg 的基因敲减或过表达却各自同时损害了或刺激了BMP 诱导的成骨和成脂分化。这些研究结果可能预示着成脂分化的调控因子PPAR-γ在BMP 信号通路中有着更为复杂的作用。
2008 年范启明等研究人员文献报道了关于着C/EBPα在BMP-2 诱导的C3H10T1/2 细胞向成骨细胞定向分化和成骨-成脂转分化过程中的基因表达模式、基因表达调控机制和它对C3H10T1/2 细胞成骨分化的调节作用[18]。结果显示，在BMP-2 诱导C3H10T1/2 细胞向成骨细胞定向分化过程中，C/EBPα表达量先上调后下调；而过表达C/EBPα则抑制BMP-2 诱导的C3H10T1/2 细胞的成骨分化；同早期相比，BMP-2 诱导C3H10T1/2 细胞向成骨细胞分化的末期细胞成脂分化潜能减弱，这是由于C/EBPα对成脂信号的可诱导性减弱造成的。
Smads 的磷酸化在BMPs 信号通路起着决定性作用，虽然其在核内的去磷酸化作用已经研究得比较清楚，但是至于它在胞质中的去磷酸化却是鲜为人知的。2009 年有文献报道[19,20]，PP2A 通过与BMP 受体复合物相互作用调节BMP 信号通路，它能够Smad1 的C 端和连接区域去磷酸化。PP2A 是一种与细胞分裂周期调节和信号传导相关的丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，其Bβ亚基与BMP 的两种受体均相互作用。此外，一些B 亚基甚至能在不依赖于受体的激酶活性和PP2A 催化亚基的情况下，与BMPll 型受体作用。 与此相反，PP2A 的催化亚基对于在受体复合物中将Smad1 去磷酸化则是必需的，且主要是在连接区域。PP2A 介导的BMP-Smad 连接区域的去磷酸化，增强了Smads 的核转运，进而放大了BMP 信号通路。
在以往的研究中，经鉴定的BMP 信号通路中的磷酸酶均是抑制信号传递[21]，故PP2A 是该信号通路中第一个起着促进作用的磷酸酶。
4 Hedgehog 信号通路
Hedgehog (Hh) 蛋白家族包括3 个成员：Sonic hedgehog （Shh）、Indian hedgehog(Ihh)和Dersert Hedgehog(Dhh)。锌指蛋白Ci/Gli 家族是Hedgehog 信号通路的终极转录活性效应器。与经典的Wnt 信号通路类似，Hedgehog 通过细胞表面特殊受体Ptch 激活锌指蛋白Ci/Gli家族，使其不被蛋白降解，从而促进它们的核内聚集和转录活性。在MSCs 中整个Hedgehog(Hh) 蛋白家族和Gli 都是高表达的。人的MSCs 脂肪分化过程中，Hedgehog 信号通路基本上随着Gli 表达的降低而减弱。
Hedgehog 信号通路失调会引发多种疾病，比如先天性缺陷和癌症，这涉及到一些细胞分化过程.法国的Pascal Peraldi 教授实验室近年来在该信号通路做了大量工作。据其2008 年文献[22]报道，证实在人成脂分化过程中Hedgehog 信号通路不断变弱。抑制Hedgehog 信号通路是不足以激发细胞成脂分化的，但是激活该通路可以改变脂肪细胞形态和胰岛素敏感性。Purmorphamine 激活的Hedgehog 信号通路会干扰成脂分化。但是与在啮鼠动物细胞中情况不同，在人类间充质干细胞分化的成熟过程而非早期受Hedgehog 信号通路的影响。
Hedgehog 通过影响CCAAT 增强子结合蛋白α和PPARγ2 的表达而与成脂分化相关，与此同时无PPARγ1 的表达。虽然Hedgehog 信号通路不能改变脂肪细胞的总量，但是它可以引起脂肪形成被大大破坏，同时降低脂滴的聚集，且成脂分化的标志基因也减少，并有胰岛素抵抗的表型。这个研究表明降低Hedgehog 信号通路不足以促使细胞成脂分化，且是啮齿动物和人类间充质干细胞的在成脂分化过程中一个显著的不同点。
2009 年该实验室又发表了关于Hedgehog 信号通路对人的MSCs 成骨分化的影响[23]。在啮齿类动物中，Ihh 在成骨分化过程中发挥着重要作用，过去但是关于Hedgehog 在人类细胞中的成骨分化过程中的研究却很少，在本文中，作者通过不同的人的MSCs 模型，证实Hedgehog 信号通路在成骨分化过程中是减退的。在人的MSCs 中添加Shh，激活Hedgehog信号通路后，抑制了细胞的成骨分化。并且这种抑制作用是比较直观的，细胞矿化作用减低，成骨分化的标志基因（如Runx2）也表达减少。在分化早期激活Hedgehog 信号通路就可抑制成骨分化，但是对于已经分化了的成骨细胞不受影响。总之，通过利用不同的Hedgehog信号通路诱导剂和不同来源的MSCs，证实了Hedgehog 信号通路可以抑制人类细胞的成骨分化，这与啮齿动物是不同的。
5 其它信号通路
delta/jagged 蛋白、FGF 和IGF 家族亦可作为胞外配体调节MSCs 的成脂分化。其中delta/jagged 蛋白结合与notch 受体结合，激活notch 的靶基因Hes-1,继而通过抑制了DLK1/Pref1 和β-catenin 信号通路，促进成脂分化和抑制成骨分化[24,25]。不过notch 信号通路在成脂分化过程中的作用非常复杂，目前在还有很多相关机理不为人们所知。FGFs 和IGFs 对MSCs 的成脂分化和成骨分化都有促进作用[26-31]。但是目前对于FGF 信号通道的下游分子还不是很清楚。IRS1 和IRS2 衔接蛋白是IGF 信号通道的下游关键因子，但是至于在成脂分化和成骨分化信号级联中具体是如何选择各自信息通道目前仍然不是很清楚。
6 小结
越来越多的实验证明骨髓中脂肪组织的增加与衰老、长期慢性药物的使用和致病性生理失调（如糖尿病与骨质疏松症）紧密相关，总是与相伴发生。正常和病理状态下的人类的干细胞对于研究细胞生长和分化的分子机制是个非常有利的根据。近年来间充质干细胞成骨与成脂分化平衡调控机制是干细胞生物学研究的热点，该研究为积极预防和有效治疗以骨形成减少和脂肪异常增生为症状的疾病提供理论基础。此外也为骨组织工程和脂肪组织工程提供了理论依据。因此识别和彻底的鉴定影响与决定MSCs 表型命运的信号通路具有非常重要的意义。
但是实际上基本每种信号通路都处于十分复杂的调控网络之中，至于其机理还有很多不清楚，如BMPs 信号通路，BMPs 信号通路对于MSCs 的成脂分化和成骨分化具有双重作用。
这绝大部分取决于BMPs 是与哪种I 型受体结合。一般而言，BMPR-IA 与成脂分化相关的而BMPR-IB 与成骨分化相关。尽管如此，它们的下游信号通路有些却是相同的，如Smad 和p38-MAPK 的磷酸化。这种受体对于体内的正常骨形成都是必需的。它们的下游信号传递最后若是会聚于C/EBPa 和 PPARg 则是成脂分化，而若是Runx2 和 OSX 则是成骨分化。其中具体的分子机制目前仍不清楚。