Notch信号通路调控软骨内成骨的研究现状

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  脊椎动物的骨骼形成是一个复杂的过程。从间充质细胞的富集、体节的形成、软骨内成骨或膜内成骨到骨骼的钙化,软骨细胞、成骨细胞和破骨细胞之间总是存在功能的平衡。软骨内成骨作为骨骼形成的一种主要方式,受多种因素的影响,Notch通路在该过程中起到了极其重要的作用。
  1 软骨内成骨
  脊椎动物的骨骼发育主要有两种形式:一种是以颅面部骨及锁骨为代表的膜内成骨,还有以中轴骨、四肢骨及颅底骨为代表的软骨内成骨[1]。软骨内成骨发生在胚胎早期,始于间充质细胞的富集,继而形成两种不同的细胞亚群:一个群体形成骨骼生长板,即胚胎发育的一次骨化中心,主要决定了骨的形状;另外一群体则形成骨骺端关节软骨,又被称为二次骨化中心,进一步限定了骨的形状和大小[2]。通常,骨的形状不同,骨化的方式也有所不同,如:四肢的长骨为二次骨化形式,而椎骨则为一次骨化形成。颅底软骨的形成及骨化类似于四肢骨,以生长板形式进行。
  在间充质细胞富集区,中心区域的细胞终止增殖,进入分化,经过前肥大细胞、肥大细胞、终末肥大细胞最终分化为肥大成熟的软骨细胞,分泌矿化的细胞外基质即形成软骨,为下一步的骨化提供模板。软骨由一层成纤维细胞样细胞包裹,后者被称为软骨膜。当间充质细胞分化到肥大细胞阶段,软骨膜内的细胞开始分化为成骨细胞,同时软骨膜开始转变为血管丰富的骨膜,血管进入软骨基质中,成骨和破骨细胞通过血管分布到软骨基质,开始破坏软骨基质同时分泌骨基质,形成松质骨,存留在骨膜中的成骨细胞则分泌高度钙化的基质形成皮质骨[1]。
  2 Notch信号通路
  胚胎软骨发育受复杂多变的信号通路综合调节,从现有知识体系来看,主要包括Ihh、BMP、FGF、Wnt、Notch等信号通路[1]。其中,Notch通路通过调节胚胎期干细胞的增殖、分化与凋亡过程,参与调控哺乳动物胚胎体节发生[3]、胚胎神经系统及消化系统的发育[4],并在肿瘤的发生过程中扮演了重要的角色,现在已成为肿瘤治疗研究的新靶点[5]。近年来,研究者们开始关注该通路在骨发育过程中的作用。Notch基因最初在果蝇体内发现[6],随后众多的研究证明其广泛存在且高度保守。在哺乳动物,Notch受体包括Notch1-4四种,配体主要有Delta-like1、3、4和Jagged1、2共五种。作为一种跨膜蛋白受体,Notch配体首先在内质网中转录翻译形成初级蛋白并被运输到高尔基体,其中的蛋白转化酶(protein convertases)在Notch1初级蛋白S1位点进行剪切,随后糖基化转移酶(glycosyltransferases)对其进行不同的糖基化修饰,从而影响配体和受体结合后的不同反应[6]。Notch与相邻细胞上的配体结合后,膜旁负性调节区域(juxtamembrane negative control region,NRR)展开,α-secretase识别该区域并在S2位点剪切掉Notch的胞外段,随后γ-secretase在胞内段S3位点的剪切最终产生胞内片段NICD。NICD直接进入细胞核内,与CSL(DNA结合蛋白,不同种属中名称不同)结合,然后募集Maml(NICD的共同激活因子)、结合组蛋白乙酰化酶和核染色质改建复合物等形成复合体,解除CSL对目标基因的转录抑制作用,并最终产生生物学效应[7]。
  3 Notch信号通路对软骨内成骨的影响
  3.1体内试验:胚胎12.5天(E12.5)的小鼠前肢芽区开始出现成软骨祖细胞的聚集,此时整个干细胞聚集区都呈现Notch1阳性信号,而到16.5天(E16.5),软骨分化成熟时,Notch1阳性细胞只分布于软骨的边缘区域[8]。这提示其可能参与调控软骨内成骨全过程。进一步的模型动物研究表明:Notch过表达(Gain of function)的小鼠总体表现出圆头短吻、胸廓小、躯干及尾部短的特点,阿辛蓝-茜素红染色显示整体软骨发育不全,通过软骨内成骨方式形成的骨普遍体积较小且长度不足,肢端几乎没有骨化中心存在,且这种转基因小鼠均为胚胎期致死[9-10]。也有研究者通过过表达配体激活内源性Notch通路,进一步观察软骨内成骨过程的变化。研究发现,在鸡胚上肢区域用逆转录病毒过表达Del-1后,早期上肢的发育形态并无改变,而在胚胎7天以后,大小上的差异逐渐明显起来,肢端出现畸形。值得注意的是,Notch通路的配体在脊椎动物有五种,其中一种配体的升高并不能全面解释经典Notch通路在软骨发育中的作用[11]。因为不同配体的表达具有阶段性,故以不同配体过表达方式进行研究有利于揭示Notch通路在骨发育不同阶段的影响。这一方面的研究值得进一步深入。同时,因为Notch通路在胚胎的各个系统发育,尤其是神经系统发育中有重要的作用,因此,全身敲除Notch导致胚胎早期致死,无法进行后续研究,而条件性基因敲除策略或许可以避免这一缺点,为后续的骨发育研究创造条件。
  3.2体外实验:间充质干细胞、胚胎肢芽微聚体等原代细胞有向软骨细胞分化的潜能,常被用于软骨分化机制的研究。ATDC5细胞系(小鼠畸胎瘤成纤维细胞系)在胰岛素的诱导下发生软骨向分化[12]。ATDC5细胞在诱导早期即开始表达Notch1和相应的配体Del1[8],这种表达的时间模式与原代细胞的培养结果相似,也类似于体内试验中动物早期干细胞富集区Notch1的表达模式[8]。运用该体外模型,有利于探索Notch信号通路对软骨向分化调控的机制。首先,Notch通路的激活有利于细胞的增殖:在配体Del的激活Notch信号通路的情况下,小鼠间神经嵴细胞克隆的直径明显增大,细胞数目显著增加[13]。其次,在促进细胞增殖的同时,Notch也可调控体外培养细胞的软骨向分化能力。与高表达Del1的D10细胞共培养时,ATDC5细胞软骨结节及细胞外基质形成明显减少[8];相反,通过DAPT(γ蛋白酶阻断剂)阻断Notch通路后,肢芽微聚体及间充质干细胞中NICD量明显下降,软骨向分化能力增强,表现为软骨结节的表达增多[14-15];实验从正反两方面说明,Notch信号通路的激活能维持细胞系的增殖潜能,抑制软骨向分化。值得注意的是ATDC5细胞系软骨源性的细胞系,并非多能干细胞。   同样,利用JAG1过表达的质粒使hMSC的Notch通路持续激活,则细胞会维持在聚合体状态,不再继续分化为成熟的圆形肥大细胞[2]。有趣的是,在小鼠神经嵴细胞成软骨诱导初始即刻添加Delta-Fc,软骨结节更丰富,24h后再添加相同剂量Delta-Fc,成软骨情况不会改善[13]。两种相反的实验结果表明了Notch通路作用时间及细胞所处分化阶段的重要性。最新的研究对Notch表达时期的重要性进行了探索,Rachel等利用人间充质干细胞3D聚体培养进行成软骨向诱导,发现Notch通路配体Jag-1及目标基因Hey-1的表达从诱导开始便急剧上升,并在第2天到达最高值,之后迅速下降,在表达下降后,才开始出现软骨分化标志物Col-II的上升。利用DAPT早期阻断Notch通路可有效降低软骨形成,同时若诱导后期Jag-1过表达持续激活Notch通路,则软骨的形成受到抑制。Notch通路的早期激活开启了干细胞的软骨向分化,但在分化后期持续表达却能抑制进一步分化进行,从而维持前体细胞状态[16]。目前,对Notch通路调节细胞凋亡作用的研究主要集中在肿瘤发生发展领域,Notch通路能够抑制肿瘤细胞的凋亡,现已成为肿瘤治疗的新靶点[17]。而 Notch通路对ATDC5凋亡影响的初步研究表明其对凋亡没有明显影响[8]。
  综上所述,体内外实验研究表明,Notch能够促进细胞的增殖,启动早期分化,维持前体细胞的干性,抑制细胞的进一步分化成熟,与软骨内成骨过程密切相关。
  4 Notch通路与其他通路的相互作用
  作为一条高度保守的重要通路,Notch通路调节各个系统的生长发育,只依靠自身有限的受体配体作用,不足以解释其控制发育过程的复杂性,因此通路之间的相互调节共同作用也是十分重要的。在软骨发育中,主要的调节通路包括Sox9、BMP、FGF等可能与Notch通路有交互作用。有研究表明,Jag1通过激活Notch通路抑制Sox9的表达,另一方面,Notch也直接抑制Sox9的目的基因,两条途径共同作用抑制hMSC的软骨向分化[16]。另外,研究发现FGF2能促进小鼠MSC成软骨向分化,阻断Notch通路后,其促进成软骨向分化能力减弱,表现为Col-II表达减少,而利用SU5402阻断FGF通路后,Del-Fc激活Notch通路可部分解除对Col-II的表达抑制,这说明FGF2的部分功能可以通过Notch通路行使[13]。再者,DAPT处理细胞抑制Notch通路后,BMP4表达未受影响,但相应的下游蛋白Id1表达却有了相当的升高,这可能是由于BMP4位于Notch上游并通过其抑制成软骨向分化过程[14]。很多证据表明Notch在影响软骨分化的过程中与其他通路有着密切的联系和相互作用,这是一个复杂而精细的调控网络,具体的机制还有待进一步探讨。
  5 结论
  软骨内成骨过程中,Notch通路作用的细胞及分子生物学机制是非常复杂的,不同时期配体的调控、与其他通路的相互作用等在Notch行使功能时扮演了重要角色。越来越多的研究表明,Notch通路在控制干细胞的增殖和软骨向分化、维持细胞的干细胞活性、保持基质的平衡方面起了重要的作用,而其中的具体机制仍有待探索。深入研究Notch通路对软骨内成骨的影响有利于人们进一步理解生命发展过程,为各种先天性骨、软骨发育不全等骨畸形的预防性诊断及治疗开辟途径。
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  编辑/李阳利
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