Notch信号通路在骨代谢中的研究进展

郭健民邹军1

(上海体育学院运动科学学院，上海200438)

关键词〔〕骨代谢；骨细胞；notch信号通路

1上海体育学院发展规划处

第一作者：郭健民(1990-)，男，硕士，主要从事运动与骨代谢的相关研究。

Notch基因是因1919年Mohr〔1〕发现该基因的功能缺失会导致果蝇翅缘缺角而命名。Notch信号通路在骨骼中的报道最早见于Conlon等〔2〕关于Notch1缺失会导致小鼠胚胎体节发育异常的研究中。Notch是骨骼细胞活动和骨骼发育的关键〔3〕，当Notch功能发生异常或缺失时，会引起一系列的骨代谢异常和骨疾病。此外成骨细胞和破骨细胞的生长在骨架模型中起着关键作用，这些细胞的耦合作用控制骨骼组织的重塑〔4〕。本文旨在综合国内外最新的关于Notch信号通路在骨代谢方面的研究，强调Notch信号的传导在调节成骨细胞和破骨细胞生理方面的作用，并讨论Notch基因突变导致的骨疾病，为Notch信号通路未来的研究提供理论基础。

1Notch信号通路的组成和激活

Notch信号通路是一个在进化上高度保守的系统，是胚胎正常发育所必不可少的同时也参与调节人体组织的平衡。Notch信号通路由受体(Notch1、Notch2、Notch3、Notch4)和配体(GLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2)以及细胞内效应分子(Hes1、Hes5)以及相关的酶组成〔5〕。

Notch的配体和受体以单次跨膜受体介导相邻细胞的相互作用。Notch受体是一种异二聚体跨膜蛋白，其组成分为胞内结构域(NICD)和跨膜结构域：胞外结构域(NECD)的糖基化是Notch受体和配体相互作用的关键〔6〕;NECD是由EGF样重复序列和核管理区(NRR)组成,NRR可以阻止受体在没有配体情况下被激活。胞内结构域(NICD)由四个结构域(RAM,ANK,TAD and PEST)和两个核定位序列组成，NICD的缺失会导致CSL形成各种具有抑制性作用的复合物来抑制Notch靶基因的转录；Notch通路活化后被γ-分泌酶复合体识别，释放Notch的活性片段NICD，后者转移至细胞核内与DNA结合蛋白CSL结合形成转录复合物，激活2个关键的碱性螺旋-环-螺旋转录因子(Hes及HEY)，进而调控靶基因的转录〔5〕。Notch配体也是Ⅰ型单通道跨膜蛋白，跨膜结构的内吞是配体激活notch所必须的传导信号〔7〕，跨膜运输已经被证明在Notch的激活和调控中具有非常复杂而重要的作用〔8〕。图1。

图1　Notch信号通路激活示意图 〔9〕

2Notch信号通路与成骨细胞

Notch信号通路的生理性阻断已经证明其在骨的调控中起着关键性的作用。成骨细胞来源于间充质细胞，并存在于骨髓微环境中可进一步分化为成骨细胞或者发生凋亡〔4〕。Dong等〔10〕的研究表明Notch1和Notch2的失活将会导致Notch对成骨细胞产生抑制作用。Canalis等〔11〕的研究表明当Notch激活时成骨细胞谱系不同分化阶段中成骨前体细胞的分化受到抑制，造成骨质疏松；当Notch在骨中表达时可以抑制骨吸收增加骨体积。Zhang等〔12〕的研究表明在骨髓间充之干细胞中，Notch的持续激活会抑制间充质干细胞分化为成骨细胞，造成骨量减少。Hilton等〔13〕的研究表明：骨髓间质细胞中Prx1-cre引起的Notch1和Notch2的缺失的小鼠中，八周时会骨量增加，但在26 w时变异组的骨量减少到对照组的10%，而且Notch信号在抑制间充质祖细胞的分化中起重要作用。Tu等〔14〕的研究表明Notch2在抑制成骨细胞生成中起主导作用，其调节机制主要通过RBPik来实现；当RBPjk去除后NICD的功能受到抑制〔15〕。Salie等〔16〕的研究表明在12周龄的小鼠中Hey1的过度表达会导致骨量的减少而形成骨质疏松，这项研究为Hey蛋白在成骨中的抑制作用提供了支持。Zhang等〔17〕的研究表明Hes和Hey蛋白抑制成骨细胞分化，Hes1和Runx-2相互作用调节骨钙素和骨桥蛋白基因启动子的活性。Engin等〔18〕的研究表明，在细胞水平上NICD的过度表达会刺激成骨细胞系细胞早期阶段的增殖，但是会阻止它们生长为完全成熟的成骨细胞。综合起来，Notch信号可以调控成骨细胞的增殖、分化以此调节骨量的平衡。

3Notch信号通路与破骨细胞

破骨细胞在不同阶段的特异性调控涉及到不同的Notch受体和配体：Jag1和Notch1阻碍破骨细胞的生成，而Dll1和notch2促进破骨细胞的生成〔19〕。Bai等〔3〕的研究表明巨噬细胞中Notch受体的缺失强化了破骨细胞的分化；并且在破骨细胞中Notch1和Notch3功能的缺失会促进细胞增殖，使破骨细胞数量增加。相反的Yamada等〔20〕的研究表明骨髓巨噬细胞与一个固定化的Notch配合基一起培养会抑制M-CSF受体对刺激的应答，并抑制破骨细胞分化。Fukushima等〔21〕的研究表明在巨噬细胞系中RANKL诱导的破骨细胞分化会使notch2和Hes1上调，因此用γ分泌酶抑制剂的治疗方法阻碍了细胞中破骨细胞的生成；Notch1受体的活化使M-CSF得表达降低，并使RANKL/OPG的表达提高从而降低间充质干细胞中破骨细胞的数量。Zanotti等〔22〕的研究表明在转基因雌性小鼠中Ⅰ型胶原控制下的Hes1的过度表达会导致破骨细胞数量增加而导致骨质疏松。Colombo等〔23〕的研究表明骨肉瘤细胞(MM)中Notch的激活可以促进破骨细胞生成因子RANKL的分泌，Notch2可以通过促进RANKL信号的分泌刺激破骨细胞的分化，此外Notch信号通路的抑制可以减小人体骨肉瘤细胞生成的潜力。Notch信号通路对破骨细胞生成的作用取决于细胞的分化状态以及特定配体和受体的表达。

4Notch信号通路与软骨

软骨的形成是软骨细胞增殖、肥大、分化、聚集的过程，并且软骨为脊柱动物骨架提供最初的支架。人体骨架主要由两部分组成：四肢骨和中轴骨，四肢骨主要有上肢、下肢以及肩带和腰带；中轴骨主要有颅骨、肋骨和脊柱〔24〕。脊柱和肋骨主要由体节间质发展而来，四肢骨主要由COP细胞发育而来。在胚胎发育过程中间充质干细胞凝集、分化并通过COP阶段转化成软骨细胞并形成软骨支架；随后由软骨的骨化被钙化的骨所取代〔25〕。Dong等〔10〕的研究表明软骨细胞中Notch信号的抑制会引起软骨细胞增殖和肥大，这将会导致骨形成减少。Zanotti等〔26〕的研究表明Notch可以抑制活化T细胞的核因子在软骨细胞中的转录和表达。Chen等〔27〕的研究表明Rbpjk依赖的Notch信号通路通过抑制Sox9蛋白的表达来抑制软骨祖细胞的分化。Kohn等〔28〕的研究表明软骨细胞和软骨膜细胞中Rbpjk的缺失会导致软骨细胞的成熟延缓；此外notch可以影响软骨细胞的形态，诱导软骨细胞的增殖以及不成熟软骨细胞的凋亡。Dishowitz等〔29〕的研究表明在胫骨骨折和骨缺损的愈合中Notch的表达增强其中Jag1和Notch2的表达增强最明显，而在间充质细胞中则会降低软骨形成的表达；因此Notch可以调节软骨内和膜内成骨的愈合。Tian等〔30〕的研究表明小鼠肢芽间充质干细胞中Notch的激活可抑制软骨的形成。Serrano等〔31〕的研究表明Notch信号的阻断会抑制下颌髁突软骨(MCC)中软骨细胞的增殖，促进软骨细胞的分化。Hosaka等〔32〕的研究表明在小鼠软骨细胞系ATD5和原代软骨细胞的分化中，Notch1、Notch2、RBPj和Hes1的表达增加，而Notch3、Notch4以及Hes和Hey家族的表达减少；这说明Notch信号可以调控软骨细胞的分化。综合起来Notch信号通路可以调控软骨细胞的增殖、分化、成熟以及软骨前体细胞的生理活动。

5Notch信号通路和骨疾病

阿拉吉欧(Alagille)综合征是一种具有骨骼畸形、肾发育不良等特点的常染色体显性疾病，而Notch2基因突变在Alagille综合征的病人中被发现〔33〕。Sparrow等〔34〕研究表明在人体中4型脊柱肋骨发育不良与Hes7的失活和突变有关，这为Notch信号通路失调导致此类疾病提供了有力的证据。豪-谢(Hajdu-Cheney)综合征是指骨远端骨溶解、骨丢失和骨折为特征的成染色体显性遗传病，而Hajdu-Cheney综合征与Notch2的持续激活有关〔35〕。Engin等〔36〕的研究表明骨肉瘤的侵袭能力与Notch信号通路有关，骨肉瘤中Jag1、Notch1、Hes1的表达增加。Sethi等〔37〕的研究表明通过RNA干扰下调Jag1可以降低乳腺癌的骨溶性，这揭示了Notch信号通路在溶骨性转移方面的作用〔37〕。在中国人口和中欧混血人口中关于全基因组关联的研究表明：骨密度与Jag1存在关联性〔38〕，这说明notch信号通路与骨质疏松存在一定联系。Sugita等〔39〕的研究表明在小鼠中Hes的缺失会抑制骨关节炎(OA)的发展。

6小结

Notch信号通路是骨骼发育和骨重建一个重要的调节器，通过与其他信号传导系统的相互作用调控成骨细胞、破骨细胞以及软骨的生理活动以维持人体骨量的平衡。随着研究的深入人们对Notch信号通路越来越了解，但Notch的作用不是孤立的，在体内当细胞接受多个信号时会做出一个集成的应答，因此Notch与其他信号系统的相互作用以及Notch在有机整体的作用需要进一步的探索。

参考文献7

1Mohr OL.Character Changes Caused by Mutation of an Entire Region of a Chromosome in Drosophila〔J〕.Genetics,1919;4(3):275-82.

2Conlon RA,Reaume AG,Rossant J.Notch1 is required for the coordinate segmentation of somites〔J〕.Development,1995;121(5):1533-45.

3Bai S,Kopan R,Zou W,etal.NOTCH1 regulates osteoclastogenesis directly in osteoclast precursors and indirectly via osteoblast lineage cells〔J〕.J Biol Chem,2008;283(10):6509-18.

4Park D,Spencer JA,Kon BI,etal.Endogenous bone marrow MSCs are dynamic,fate-restricted participants in bone maintenance and regeneration〔J〕.Cell Stem Cell,2012;10(3):259-72.

5Kopan R,Ilagan MX.The canonical Notch signaling pathway:unfolding the activation mechanism〔J〕.Cell,2009;137(2):216-33.

6Rana NA,Haltiwanger RS.Fringe benefits:functional and structural impacts of O-glycosylation on the extracellular domain of Notch receptors〔J〕.Curr Opin Struct Biol,2011;21(5):583-9.

7D'souza B,Meloty-Kapella L,Weinmaster G.Canonical and non-canonical Notch ligands〔J〕.Curr Top Dev Biol,2010;92:73-129.

8Baron M.Endocytic routes to Notch activation〔J〕.Semin Cell Dev Biol,2012;23(4):437-42.

9Barak H,Surendran K,Boyle SC.The role of Notch signaling in kidney development and disease〔J〕.Adv Exp Med Biol,2012;727:99-113.

10Dong Y,Jesse AM,Kohn A,etal.RBPjkappa-dependent Notch signaling regulates mesenchymal progenitor cell proliferation and differentiation during skeletal development〔J〕.Development,2010;137(9):1461-71.

11Canalis E,Parker K,Feng JQ,etal.Osteoblast lineage-specific effects of notch activation in the skeleton〔J〕.Endocrinology,2013;154(2):623-34.

12Zhang H,Hilton MJ,Anolik JH,etal.NOTCH inhibits osteoblast formation in inflammatory arthritis via noncanonical NF-kappaB〔J〕.J Clin Invest,2014;124(7):3200-14.

13Hilton MJ,Tu X,Wu X,etal.Notch signaling maintains bone marrow mesenchymal progenitors by suppressing osteoblast differentiation〔J〕.Nat Med,2008;14(3):306-14.

14Tu X,Chen J,Lim J,etal.Physiological notch signaling maintains bone homeostasis via RBPjk and Hey upstream of NFATC1〔J〕.PLoS Genet,2012;8(3):e1002577.

15Tao J,Chen S,Yang T,etal.Osteosclerosis owing to Notch gain of function is solely Rbpj-dependent〔J〕.J Bone Miner Res,2010;25(10):2175-83.

16Salie R,Kneissel M,Vukevic M,etal.Ubiquitous overexpression of Hey1 transcription factor leads to osteopenia and chondrocyte hypertrophy in bone〔J〕.Bone,2010;46(3):680-94.

17Zhang Y,Lian JB,Stein JL,etal.The Notch-responsive transcription factor Hes-1 attenuates osteocalcin promoter activity in osteoblastic cells〔J〕.J Cell Biochem,2009;108(3):651-9.

18Engin F,Yao Z,Yang T,etal.Dimorphic effects of Notch signaling in bone homeostasis〔J〕.Nat Med,2008;14(3):299-305.

19Sekine C,Koyanagi A,Koyama N,etal.Differential regulation of osteoclastogenesis by Notch2/Delta-like 1 and Notch1/Jagged1 axes〔J〕.Arthritis Res Ther,2012;14(2):R45.

20Yamada T,Yamazaki H,Yamane T,etal.Regulation of osteoclast development by Notch signaling directed to osteoclast precursors and through stromal cells〔J〕.Blood,2003;101(6):2227-34.

21Fukushima H,Nakao A,Okamoto F,etal.The association of Notch2 and NF-kappaB accelerates RANKL-induced osteoclastogenesis〔J〕.Mol Cell Biol,2008;28(20):6402-12.

22Zanotti S,Smerdel-Ramoya A,Canalis E.HES1(hairy and enhancer of split 1)is a determinant of bone mass〔J〕.J Biol Chem,2011;286(4):2648-57.

23Colombo M,Thummler K,Mirandola L,etal.Notch signaling drives multiple myeloma induced osteoclastogenesis〔J〕.Oncotarget,2014;5(21):10393-406.

24Nakashima K,DE Crombrugghe B.Transcriptional mechanisms in osteoblast differentiation and bone formation〔J〕.Trends Genet,2003;19(8):458-66.

25Karsenty G,Wagner EF.Reaching a genetic and molecular understanding of skeletal development〔J〕.Dev Cell,2002;2(4):389-406.

26Zanotti S,Ccaalis E.Notch suppresses nuclear factor of activated T cells(NFAT)transactivation and Nfatc1 expression in chondrocytes〔J〕.Endocrinology,2013;154(2):762-72.

27Chen S,Tao J,Bae Y,etal.Notch gain of function inhibits chondrocyte differentiation via Rbpj-dependent suppression of Sox9〔J〕.J Bone Miner Res,2013;28(3):649-59.

28Kohn A,Dong Y,Mirando AJ,etal.Cartilage-specific RBPjkappa-dependent and-independent Notch signals regulate cartilage and bone development〔J〕.Development,2012;139(6):1198-212.

29Dishowitz MI,Terkhorn SP,Bostic SA,etal.Notch signaling components are upregulated during both endochondral and intramembranous bone regeneration〔J〕.J Orthop Res,2012;30(2):296-303.

30Tian Y,Xu Y,Fu Q,etal.Notch inhibits chondrogenic differentiation of mesenchymal progenitor cells by targeting Twist1〔J〕.Mol Cell Endocrinol,2015;403:30-8.

31Serrano MJ,So S,Hinton RJ.Roles of notch signalling in mandibular condylar cartilage〔J〕.Arch Oral Biol,2014;59(7):735-40.

32Hosaka Y,Saito T,Sugita S,etal.Notch signaling in chondrocytes modulates endochondral ossification and osteoarthritis development〔J〕.Proc Natt Acad Sci USA,2013;110(5):1875-80.

33Kamath BM,Bauer RC,Loomes KM,etal.NOTCH2 mutations in Alagille syndrome〔J〕.J Med Genet,2012;49(2):138-44.

34Sparrow DB,Sillence D,Wouters MA,etal.Two novel missense mutations in HAIRY-AND-ENHANCER-OF-SPLIT-7 in a family with spondylocostal dysostosis〔J〕.Eur J Hum Genet,2010;18(6):674-9.

35Simpson MA,Irving MD,Asilmaz E,etal.Mutations in NOTCH2 cause Hajdu-Cheney syndrome,a disorder of severe and progressive bone loss〔J〕.Nat Genet,2011;43(4):303-5.

36Engin F,Bertin T,Ma O,etal.Notch signaling contributes to the pathogenesis of human osteosarcomas〔J〕.Hum Mol Genet,2009;18(8):1464-70.

37Sethi N,Dai X,Winter CG,etal.Tumor-derived JAGGED1 promotes osteolytic bone metastasis of breast cancer by engaging notch signaling in bone cells〔J〕.Cancer Cell,2011;19(2):192-205.

38Kung AW,Xiao SM,Cherny S,etal.Association of JAG1 with bone mineral density and osteoporotic fractures:a genome-wide association study and follow-up replication studies〔J〕.Am J Hum Genet,2010;86(2):229-39.

39Sugita S,Hosaka Y,Okada K,etal.Transcription factor Hes1 modulates osteoarthritis development in cooperation with calcium/calmodulin-dependent protein kinase 2〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2015;112(10):3080-5.

〔2015-01-17修回〕

(编辑滕欣航)

通讯作者：邹军(1969-)，男，教授，主要从事运动与骨代谢的相关研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(81170323)；上海市人类运动能力开发与保障重点实验室(上海体育学院)(11DZ2261100)

中图分类号〔〕R68〔

文献标识码〕A〔

文章编号〕1005-9202(2015)24-7260-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.24.141