转化生长因子β在骨代谢中的研究进展

          转化生长因子β(TGF-β)是一种相对分子量为25 KD的蛋白多肽，广泛存在于动物正常组织细胞及转化细胞中，其中骨组织中TGF-β的浓度是其他组织的100倍，成为TGF-β大的组织来源[1]。TGF-β在机体细胞生长分化和凋亡、细胞外基质的合成和贮存、胚胎发育、创伤修复、肿瘤发生等方面都发挥着重要作用。

          1TGF-β的生物性 TGF-β是一种相对分子量为25 KD，含224个氨基酸的蛋白多肽。TGF-β基因位于染色体19q3 上，由100 kb组成，含有7个外显子，它编码两条相同或相近的含112个氨基酸的多肽链并通过二硫键相连。几乎所有的正常细胞和肿瘤细胞都能合成TGF-β，其中以骨组织和血小板含量高。TGF-β被细胞分泌后以无活性的前体存在，这种无功能的前体经蛋白酶水解而被激活。TGF-β共有5种异构体，在哺乳动物中有3种形式：TGF-β1、β2、β3。骨组织中含量多的是TGF-β1。

          2TGF-β和成骨细胞 成骨细胞是骨组织形成和修复的主要功能细胞，其增殖、分化及凋亡直接影响骨重塑过程。成骨细胞受多种细胞因子调控，TGF-β是与成骨细胞较为密切的生长因子，一方面，成骨细胞自身可合成分泌TGF-β;另一方面，在成骨细胞的细胞膜上有TGF-β的特异性受体，可捕获体液循环中的TGF-β，调节其自身增殖和分化。 1989年Noda运用外源性TGF-β1直接注入鼠和兔的颅骨中发现，TGF-β对骨形成具有明显促进作用，局部骨生成量明显增加[2]。TGF-β1能直接促进成骨细胞DNA的合成和重组，加快成骨细胞的分裂、增殖。Kassem等[3]证明，TGF-β1亦可诱导成骨细胞分化、成熟。与此同时，TGF-β1可提高体内骨髓成骨细胞祖细胞(OPC)的数量和增殖能力，间接增加成骨细胞数量和活性。Yamada在同样实验条件下加入TGF-β1抗体，结果显示，OPC克隆数量和增殖能力明显降低，致使成骨细胞数量减少、活性下降[4]。TG F-β1与正常人成骨细胞在无血清条件下共培养24 h，成骨细胞数量可增长2倍，但这种作用呈剂量-时间和细胞依赖性。在体外，1~10 ng/ml浓度的TGF-β可诱发大鼠胚胎肌细胞分化为软骨细胞，并促进其合成I型胶原，但随浓度的增加，促增殖作用明显减弱，甚至起抑制作用[5]。Taniguchi等[6]报道，对于新生大鼠，TGF-β主要产生膜内化骨效应;而对成年大鼠，则为软骨化骨效应。

          3TGF-β和破骨细胞 破骨细胞是骨组织中负责吸收骨质的多核巨细胞，来源于骨髓单核/巨噬细胞系。有关TGF- β对破骨细胞的影响一直存在争议。长久以来，人们普遍认为TGF-β1是强有力的骨吸收抑制剂，高浓度TGF-β促进成骨细胞保骨素(OPG)的合成并降低核因子kB受体活化因子配基(RANKL)的活性，OPG与RANK的竞争性结合抑制了RANKL与RANK的结合，从而阻止了破骨细胞的分化、成熟。据此，Mehrara推测，若给予骨质疏松患者外源性TGF-β1，不仅增加骨形成，还可减轻破骨细胞的破骨作用，有益于骨质疏松的防治[7]。但是近期的研究证实，在体外没有基质细胞存在的情况下，TGF-β促进破骨细胞的分化[8]。T GF-β能诱发破骨前体细胞NF-κB和RANK的表达，进而通过RANKL-RANK机制促进破骨细胞的生长、分化[9]。在小鼠骨髓细胞体外实验中，在RANKL和M-CSF存在的条件下，TGF -β可明显促进破骨细胞的分化，并显著延长破骨细胞的寿命，进而增强了破骨细胞的骨吸收功能[10]。

          4TGF-β和骨髓间充质干细胞 骨髓间充质干细胞(MSCs)具有多向分化潜能，能在特定的微环境中再生为骨组织，是目前骨缺损修复的种子细胞。TGF-β能调控多种间充质来源的细胞增殖及定向分化，尤其是在成骨分化、骨基质合成和骨修复重建中起着不可替代作用，是调控MSCs的生长因子之一[11]。 Noble于1995年成功地诱导了MSCs向单一的软骨细胞分化，随后的大量研究也证实了MSC s的体内外成软骨能力[12]。TGF-β1可促进MSCs向软骨细胞增殖分化，刺激Runx2、I型胶原、骨连结素(ON)和骨桥蛋白(OPN)的合成。同时，TGF-β1可抑制破骨细胞的生成、分化以及成熟破骨细胞的活性，从而抑制骨吸收作用，并下调成脂标志物的表达[13]。Worster体外实验进一步证明，低浓度的TGF-β1确实促进MSCs的增殖及成骨分化;而高浓度抑制MSCs增殖，促进其向血管平滑肌细胞(VSMC)分化为主[14]，只有在骨形态发生蛋白(BMPs)同时存在的情况下，TGF-β才可促进MSCs向成骨细胞转化[15]。成骨分化过程受到Smad3蛋白的特异性和选择性的调节，TGF-β1/Smad3信号级链活化后，Smad3蛋白表达水平适时地降低，抑制或终止TGF-β1信号转导，从而有效地降低分化细胞对TGF-β1的敏感性，利于成骨基质的充分矿化[16]。大鼠体内研究也证实，TGF-β通过改变rBMSCs向成骨细胞方向的转化及迁移率而影响正常及病理状态下的骨骼形态，具有促进骨形成和骨吸收的双重作用[17]。Marcelli等[18]将一定剂量的TG F-β1注射到鼠股骨骨膜下，发现MSCs分化为成骨细胞和软骨细胞，并大量增殖;软骨特异性蛋白聚糖、Ⅱ型胶原、OPN、骨连蛋白和纤连蛋白合成明显增多。另外，Lee CH等[19]研究表明，MSCs还可在TGF-β诱导下向肌成纤维细胞分化。

           5TGF-β和激素 除与骨骼系统直接联系外，TGF-β还是一类具有激素样活性的多肽分子，与雌激素、糖皮质激素、甲状旁腺激素(PTH)和维生素D等协同作用，参与机体骨代谢过程。雌激素不仅刺激成骨细胞生成TGF-β、促进成骨细胞增殖和成熟，还促进TGF-β介导的破骨细胞凋亡，阻止骨丢失[20]。Matsuda等[21]认为，雌激素受体α(ER-α)是Smad蛋白活化的协阻抑物，而 Smad3却是ER-α介导的转录活性增强子，从分子水平阐述了雌激素和TGF-β在骨形成中相互作用。与雌激素截然相反，糖皮质激素与TGF-β共同作用促进破骨祖细胞向破骨细胞分化，抑制成骨细胞增殖与成熟，并促使其凋亡[22]。 甲状旁腺激素(PTH)，是一种由甲状旁腺分泌的蛋白多肽。TGF-β通过调节PTH相关蛋白的分泌，促进软骨细胞分化及I型胶原合成以增加骨量[23]。然而PTH可同时激活成骨细胞上PTH受体，刺激成骨细胞高表达RANKL竞争性抑制OPG的表达，促进骨吸收,但骨吸收又会释放TGF-β[24]。因此，TGF-β与PTH对骨的代谢的微妙作用有待进一步深入研究。 维生素D在维持正常骨钙化、肠道钙吸收及机体钙平衡等方面起着十分重要的作用。VitD通过结合成骨细胞前体细胞上的受体(VDR)上调OPG表达，来诱导成骨细胞分化、成熟以及细胞外基质矿化来刺激骨形成。VitD还能拮抗PTH介导的骨吸收。在纤维母细胞中的研究发现，T GF-β的Smad3受体基因和VitD基因在骨钙素启动子上位点非常接近，Smad3能部分活化VitD 信号促进OPG的表达;但在骨肉瘤细胞中，TGF-β介导AP-1/MAPK信号途径抑制OPG的表达[25]。因此，TGF-β可通过激活Smad3或MAPK信号传导途径对VitD的功能进行双向调控。 目前，TGF-β对骨组织作用的研究还不够深入，仍有许多问题尚需进一步研究，但它必将成为今后研究的热点。

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