成骨细胞分化及增殖的研究进展

王勇平;欧阳元明;蒋垚

【摘 要】During bone metabolism and bone remodeling, mesenchymal cells differentiate into osteoblasts under certain conditions, which play an important role in bone formation. The normal bone remodeling and part of the bone pathological changes are closely related to osteoblast differentiation and proliferation. Osteoblast differentiation and

proliferation are regulated by a variety of systemic and regional factors. Recent progress of regulation of osteoblast differentiation and

proliferation is reviewed in this paper.%在骨代谢与骨改建过程中,间充质细胞在一定条件下分化为成骨细胞,使新骨生成,正常骨改建和部分骨病理性改变与成骨细胞的分化和增殖功能的关系密切.成骨细胞在分化和增殖过程中受许多全身和局部调节因子的精细,本文就成骨细胞分化和增殖过程因素的研究进展作一综述.

【期刊名称】《上海交通大学学报（医学版）》 【年(卷),期】2011(031)010 【总页数】5页(P1465-1469) 【关键词】成骨细胞;分化;增殖; 【作 者】王勇平;欧阳元明;蒋垚

【作者单位】上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海 200233;上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海 200233;上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海 200233

【正文语种】中 文 【中图分类】R68;R34

骨的新陈代谢是破骨细胞(osteoclast，OC)吸收旧骨和成骨细胞(osteoblast，OB)形成新骨的动态平衡过程。成骨细胞是骨形成细胞，对骨组织的生长发育、骨代谢平衡、骨量平衡和骨损伤修复起关键作用。成骨细胞在骨形成过程中要经历细胞增殖、细胞外基质成熟、矿化和细胞凋亡4个阶段，这4个阶段之间并没有明确的界限，均需借助于精细的，以最终完成正常的骨形成，其中成骨细胞的分化是骨发生、骨形成的前提，成骨干细胞经过一步或几步分化为前成骨细胞，再继续分化为有功能的成骨细胞。成骨细胞在分化和增殖过程中受到多种全身和局部调节因子的精细，其作用结果包括促进、抑制和双向调节。 1 转录因子

成骨细胞起源于间充质细胞的前体细胞［1，2］，主要负责骨基质的合成、分泌和矿化及破骨细胞的调节，此过程依赖于转录因子调节通路，核心结合因子αl(core-binding factor αl，Cbfal)和 Osterix(Osx)是成骨细胞分子和骨形成的关键转录因子，若Cbfal和 Osx 缺失则无成骨细胞形成［3，4］。 1.1 Cbfal

Cbfal是近年来骨生物学研究中发现的重要因子，是成骨细胞发生和分化的特异性转录因子之一。Cbfal是 Cbfa家族成员之一，又称为 Pebp2a A或aml3，最近被重新命名为 Runt相关转录因子 2(Runx2)。Cbfa家族有3个成员，即Cbfal、

Cbfa2和Cbfa3，它们的分子结构中均含有1个由128个氨基酸组成的结构域，为DNA结合区，并与果蝇的分节基因runt结构域同源，故又被称为runt结构域。 Runx2是成骨细胞分化首要特异的转录调节因子，是转录因子Runxx家族成员之一。Runxx家族是一类转录因子蛋白的统称，又称多瘤病毒增强子结合蛋白2a(polyomavirus enhancer binding protein 2a，PEBP2a)、急性骨髓性白血病因子和Cbfa等，它们都是由α和β亚单位构成的异二聚体。Runxx家族主要有 Runxl、Runx2 和 Runx3。

Runx2基因于1993年首次被克隆，人Runx2位于染色体6p12-p21上。Runx2蛋白结构含有1个Runt结构域、3个转录激活区(activity domain，AD)、1个转录抑制区(repression domain)和1个核定位信号(nuclear localization signal，NLS)等。Runx2有3种异构体;Runx2是一种成骨分化特异性转录因子，能够众多基因的转录。在成骨细胞形成和分化、软骨细胞的分化和成熟、破骨细胞的形成和吸收及骨基质蛋白产生中发挥重要作用。Runx2表达是间质细胞向成骨细胞谱系分化的必要和充分条件，Runx2缺失鼠成骨细胞的分化完全被抑制，均不发生骨膜成骨和软骨内成骨。

目前认为，Runx2在成骨细胞分化的起始阶段触发骨基质蛋白的形成，但同时又使其维持在较早期阶段而阻止成骨细胞的进一步分化;Runx2的作用是提供大量的未成熟成骨细胞［5，6］。 1.2 Osx

Osx是继Cbfal之后由 Nakashima等［7］发现的成骨细胞特异性转录因子之一，属于锌指DNA结合蛋白，在Cbfal的下游区起作用。只在发育的骨组织中特异性表达，是成骨细胞分化和骨形成过程中所必需的转录因子。

人类Osterix定位于12q13.13靠近Spl基因的位置。Gao等［8］发现，人类Osx有3个外显子和2个内含子，根据不同的选择性拼接可形成3种异构体。

Osx在人类胎儿时期主要表达于成骨细胞，出生后则表达在颅面骨成骨细胞、软骨细胞、骨肉瘤细胞及骨巨细胞瘤间质细胞，其缺失时会直接导致骨形成能力的完全丧失。

Osx是目前发现的骨骼发育的最直接的转录因子，它的发现使人们对成骨细胞分化的认识更进一步，成骨是一个受多基因的复杂过程，目前仍有许多关于此基因的问题尚未阐明。

Osx缺失鼠表达正常水平的Runx2，而在Runx2缺失鼠中并无Osx的表达。故而人们认为在成骨细胞分化途径中，Osx处于Runx2的下游。但对于成骨过程中两者的相互关系目前尚不完全清楚。Cbfal在成骨细胞分化的起始阶段触发骨基质蛋白的形成，且可使其维持在较早期的阶段而阻止成骨细胞的进一步分化，故Cbfal的作用是提供大量的未成熟成骨细胞。成骨细胞的最终分化成熟则需要Osx的［9］。 1.3 其他

成骨细胞的转录因子除Runx2和Osx外，研究［10，11］发现，β -连环蛋白(β-catenin)和转录激活因子氨基末端片段(activating transcription factor，ATF)位于Runx2及Osx下游发挥作用。另外，已发现成骨细胞形成的其他转录因子还包括过氧化物酶增殖物激活受体γ(proliferation activated receptor γ，PPARγ)及其同源结构体激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)和CCAAT-增强子结合蛋白(CCAAT-enhancer-binding proteins，C-EBPs)，这些转录因子严格地在成骨细胞发育过程中下游区空间和时间依赖性成骨细胞表型基因表达，同时受调节蛋白级联激活的，共同成骨细胞的分化、增殖及骨形成过程。 2 细胞因子

2.1 转化生长因子β和骨形成蛋白

2.1.1 转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)TGF-β家族是一

种具有多种功能的多肽生长因子，有40多个成员，除包括TGF-β原型外，还有骨形成蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)、生长分化因子(growth differentiation factor，GDFs)、活化素(activins)、抑制素(inhibins)和缪勒管抑制物(mullerlan inhibitor substance，MIS)等。在细胞分化的所有阶段很多细胞及组织都会产生TGF-β，血小板和骨组织中 TGF-β含量最为丰富。骨组织中TGF-β主要由骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞和骨髓细胞等通过自分泌和旁分泌途径产生，主要分布于骨细胞、肌细胞和外周骨膜内。在骨组织中TGF-β浓度是其他组织的100倍。TGF-β有6种异构体，各种异构体的作用相似，其中TGF-β1最为重要。TGF-β是体内生理生化、信号转导与的重要因子。TGF-β既具有促进成骨细胞分化增殖、刺激骨形成，又具有支持破骨细胞形成、刺激骨吸收的双重作用，是骨形成和与骨吸收之间重要的耦联调节因子。TGF-β对骨代谢的调节过程非常复杂，在不同条件下表现为促进或抑制细胞增殖的双重作用。对成骨细胞，既能刺激增殖分化，也具有抑制作用。一般来说，低浓度 TGF-β促进成骨，高浓度TGF-β 则抑制成骨作用［12，13］。在骨再建过程中，TGF-β具有促进骨膜间充质细胞增殖和分化、骨细胞增殖和骨细胞定向迁移作用;对破骨细胞也具有双重调节作用。

2.1.2 BMPs 是多功能生长因子，除BMP-1外均属于TGF-β超家族成员，是一组具有类似结构的高度保守的功能蛋白，目前有20多种，具有广泛的生物学作用，对于细胞的形态、增殖、分化及凋亡均有重要作用。BMP可由成骨细胞产生，产生的BMP主要与骨基质结合，很少释放到骨外。BMP是骨形态发生最早期的信号分子，是凝缩过程的天然诱导因子，主要生物学作用是诱导未分化的间质细胞分化形成软骨和新生骨，并促进成骨细胞成熟［14-16］，对成骨细胞的分化和骨形成过程具有特异性诱导作用。BMP-2是目前研究最为广泛、诱导成骨活性最强的BMP之一。BMP-2主要对未分化间充质细胞和骨系细胞具有募集和分化作用。在

骨形成早期，BMP-2不仅可使未分化间质细胞向骨形成中心募集，并分化为骨系细胞，而且可使成纤维细胞、成肌细胞及骨髓的基细胞逆转分化为骨系细胞［17，18］。

2.2 胰岛素样生长因子

胰岛素样生长因子(isulin-like growth factor，IGF)，又称生长调节素

(somatomedin，Sm)，是骨细胞中含量最丰富的生长因子，对成骨细胞功能起重要的调节作用。目前已知的IGF主要为IGF-1和IGF-2，对成骨细胞的作用基本相似，但IGF-1的含量大于IGF-2，IGF-2作用较IGF-1弱。

IGF由骨细胞生成并储存于骨中，在骨吸收时从骨中释放出来;成骨细胞在骨吸收时也能分泌增加量的IGF，以自分泌方式发挥作用，刺激成骨细胞增殖和分化;另外由破骨细胞产生的IGF以旁分泌方式作用于成骨细胞。IGF对骨形成有很强的促进作用，因此IGF在骨吸收时提高了介导了骨吸收和骨形成之间的耦联作用，使骨吸收后骨形成增加，有利于骨重建的正常进行。

IGF-1是由70个氨基酸组成的碱性多肽，相对分子质量约为7500，其结构与胰岛素相似，IGF-1主要由入肝细胞合成和分泌，其生物作用仅受生长激素的调节，来源于骨的IGF-1则受生长激素、甲状旁腺激素及雌激素的调节。IGF-1通过链接或激活IGF-1R，刺激成骨细胞前体复制，促进Ⅰ型胶原和骨基质合成，且不受DNA合成抑制剂的影响;另外，IGF-1可抑制胶原的降解，从而促进骨骼生长，增加骨胶质形成，参与骨重建，其含量与骨密度密切相关［19］。

IGF-2，又称骨骼生长因子(skeleton growth factor，SGF)，IGF-2的结构与功能与IGF-1非常相似，同源性达52%，是由67个氨基酸组成的碱性多肽，相对分子质量约为7000，主要在胚胎和胎儿组织中产生，是胚胎和胎儿的主要生长因子。IGF-2主要由成骨细胞产生并储存于骨中，是骨组织中含量最丰富的生长因子，被认为是骨形成、骨重塑及骨修复中最关键的调节因子，作为骨代谢过程中的重要细

胞因子，在骨吸收时从骨中释放出来，以自分泌的方式刺激成骨细胞的增殖、募集。除了刺激成骨细胞的增殖外，还影响成骨细胞向成熟型分化，并通过诱导成骨细胞合成Ⅰ型胶原及骨胶原，促进新骨基质和骨的形成，因此在骨形成和骨修复中具有重要作用［20］。

2.3 成纤维细胞生长因子、血小板源性生长因子和血管内皮细胞生长因子 2.3.1 成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)FGF是具成纤维细胞丝裂原活性，既能刺激成纤维细胞生长，又能刺激血管生长作用的一类细胞因子，根据等电点不同分为酸性成纤维细胞生长因子(acidic fibroblast growth factor，aFGF)和碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)。FGF是骨形成和成骨细胞活动的一个重要因子，具有促进成骨与血管形成的双重作用，FGF对成骨细胞的生物学作用为促进成骨细胞的有丝与增殖，增加合成胶原的细胞数量，促进骨胶原蛋白及非胶原蛋白的合成，增加骨钙素的合成。有学者［21］用不同成熟阶段的颅骨祖细胞来研究其对bFGF的反应，结果显示bFGF可刺激大多数成熟骨细胞的增殖，bFGF可促进成骨细胞内一些特异性生长因子蛋白如血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial cell growth factor，VEGF)、TGF-β 和 BMP-2 等的表达，并通过后者发挥促进成骨与血管形成的效应。 2.3.2 血小板源性生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)PDGF即血小板衍化生长因子，是血清中刺激间充质细胞生长的主要有丝原，可促进多种细胞包括成纤维细胞、平滑肌细胞等多种组织细胞的、增殖、迁移、合成并分泌细胞外基质、增加细胞黏附力。在人胚胎发育和正常生理活动中起着极其重要的作用。PDGF对成骨细胞的作用主要是能够促进成骨细胞早期的DNA合成，使成骨细胞从静止状G0/G1期进入到有复制潜能的S期，促使成骨细胞分泌胶原和糖蛋白合成骨基质，参与骨基质钙化促进膜内成骨和软骨内成骨。PDGF的作用机制主要是以自分泌和(或)旁分泌的方式激活PDGF受体(PDGFR)而发挥作用［22］。

2.3.3 VEGF VEGF是由血小板、巨核细胞、内皮细胞、成骨细胞或肿瘤细胞合成和分泌的多功能细胞素，是一种由亚基内、亚基间二硫键交联形成的同源二聚体糖蛋白，VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E及胎盘生长因子(Placental growth factor，PlGF)。人VEGF基因定位于染色体6p21.3，为单一基因，全长14 kb，由8个外显子和7个内显子组成［23］。VEGF与胚胎骨发生时骨形成关系密切，骨生发中心位于血管化的环境中，而成骨细胞和骨细胞在新骨形成过程中总是毗邻血管内皮细胞存在。VEGF能显著提高大鼠成骨细胞活性，增强其迁移、增殖、分化并加速其骨形成。 2.4 骨桥蛋白、成骨生长肽、成骨细胞因子45和骨钙素

2.4.1 骨桥蛋白(osteopontin，OPN)OPN是一种分泌型的磷酸化糖蛋白，是非胶原蛋白的主要成分之一，富含唾液酸，相对分子质量约66000，该蛋白有8个α螺旋和6个β折叠的二级结构，中心部位是α螺旋结构［24］。成骨细胞、骨细胞及破骨细胞均可分泌OPN，可诱导成骨细胞细胞分化、矿化骨基质成熟、调节羟磷灰石形成、促进矿化组织的重建，因此，骨桥蛋白被认为是成骨细胞成熟分化的标志［25，26］。OPN 作为非胶原蛋白的主要成分之一，在骨基质的矿化和吸收过程中发挥重要作用。

2.4.2 成骨生长肽(osteoprotegerin，OPG)OPG又称骨保护蛋白、骨保护素、护骨素，能特异性抑制破骨细胞生成，故又称为破骨细胞生成抑制因子

(osteoclastogenesis inhibitory factor，OCIF)，是新发现的具有促进成骨和刺激造血的多肽类生长因子，是肿瘤坏死因子超家族受体成员。OPG是一种糖蛋白，有单聚体和二聚体两种形式，在生理状态下，大量存在于人和哺乳动物的血清中。人类OPG基因位于染色体8q23-24。OPG主要功能是抑制破骨细胞的形成及成熟破骨细胞的骨吸收活性，并诱导其凋亡。OPG能促进成骨细胞样细胞增殖成熟为成骨细胞，同时能激发其更高的成骨活性，形成更多的新骨组织。有研究［27，

28］证明，OPG 有促进体外培养成骨细胞的矿化作用，且对成骨细胞的增殖和碱性磷酸酶活性的表达呈双向作用，表现为OPG低浓度时抑制，而高浓度时促进成骨细胞的增殖和碱性磷酸酶活性的表达。

2.4.3 成骨细胞因子45(osteoblast factor 45，OF45)在骨组织中，OF45的表达可促进基质成熟和提高细胞的矿化能力。在成骨细胞矿化的早期能检测到OF45表达，提示OF45控制着成骨细胞的矿化能力，OF45的表达可作为成骨细胞矿化期的一个重要标志。

2.4.4 骨钙素(bone gla protein，BGP)BGP又称骨钙蛋白(osteocalcin，OCN)，是维生素K依赖、维生素D诱导的钙连接基质蛋白，骨钙素mRNA的转录和蛋白合成是成骨细胞进入矿化期的主要指征之一，是成骨细胞成熟的标志。BGP是骨钙蛋白基因转录和表达的产物，在基质矿化阶段由成骨细胞产生，合成后，大部分沉积于骨基质中，少量直接分泌入血循环。BGP的主要功能是维持骨的正常矿化速率，抑制异常的羟磷灰石结晶的形成，抑制生长软骨矿化的速度，促进骨组织矿物质沉积的正常钙化过程［16］。 2.5 其他

随着分子生物学的发展和研究的进一步深入，还有许多成骨细胞分化和增殖的细胞因子不断被发现，如瘦素(leptin，LEP)、Nel样1型分子(Nell-1)、骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)、降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)，溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid，LPA)，结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTOF)等。这些因子相互作用和影响，共同调节成骨细胞的分化与增殖。 3 展望

在骨代谢及改建过程中，骨形成和吸收是一个平衡过程，研究骨形成及骨吸收的分子机理，对于骨的代谢性疾病、非肿瘤性骨病和骨组织肿瘤的发病机制有很重要的

意义，但分子机制相当复杂，影响因素众多，目前还不是很清楚，尚需进一步研究探讨。此外，随着现代分子生物学实验技术与方法的不断改进和发展，研究者尝试从分子生物学水平用药物成骨细胞分化，并探讨药物影响骨代谢及骨改建的作用机制，为成骨细胞分化与增殖开拓了新领域。 ［参考文献］

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