赵军伟，李争争，孟会强，汪玉良

(兰州大学第二医院骨科、甘肃省骨关节疾病重点实验室，兰州 730030)



成纤维细胞生长因子受体3在骨重建中作用机制的研究进展

赵军伟，李争争，孟会强，汪玉良

(兰州大学第二医院骨科、甘肃省骨关节疾病重点实验室，兰州 730030)

成纤维细胞生长因子受体3(FGFR3)是成纤维细胞生长因子受体家族里唯一一个负向参与骨骼重建的膜蛋白，并与一些骨骼遗传病有着密切的关系。本文就FGFR3的结构、功能及参与的骨骼重建的机制进行综述。

FGFR3； 骨重建细胞因子； 骨折

成纤维细胞生长因子受体(FGFRs)3(FGFR3)是酪氨酸家族里面位于细胞膜表面的一种膜蛋白，在参于组织修复、信号传导、细胞再生分化凋亡中发挥着重要作用[1]。近年来发现成纤维细胞生长因子(FGFs)家族中有23个成员[2]，其中，FGFR1-4主要参与骨骼的重建。在骨骼重建过程中，FGFR1、FGFR2主要参与膜内成骨，好发于扁平骨如颅骨、肩胛骨等不规则骨。FGFR3主要参与软骨内成骨，主要发生于四肢骨、椎体等长骨[3]。其中FGFR1、FGFR2成正性作用，促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞、软骨细胞等细胞分化，加速骨骼的重建，同时使骨量增加，增加骨骼的生物力学特性。Le Blanc等[4]发现，在骨重建过程中FGFR3是FGFRs家族中唯一一个负性调节因子，通过抑制骨髓间充质干细胞向软骨细胞、成骨细胞分化，促进骨髓间充间质干细胞向破骨细胞分化，从而达到对骨重建的负性调节。在这些细胞分化增殖过程中，也包含着许多FGFR3的分子信号通路。在FGFR3基因增强的大鼠中发现，骨骼的全骨量明显减少，易骨折，软骨发育不全[5]，在临床中某些遗传病如软骨发育不全(ACH)、季肋发育不全(HCH)和致死性骨发育不全(TD)等都与FGFR3基因突变有关[6]。FGFR3在骨骼遗传疾病中发挥着重要作用，本文着重从FGFR3的分子机制、信号通路、细胞水平、遗传病、骨折愈合等方面来综述FGFR3在骨骼中的作用机制。

1 FGFR3的分子结构及与FGFs的相互作用

FGFR3为位于细胞膜表面的一种酪氨酸激酶受体，分为膜外区、跨膜区和胞质区，其中膜外区蛋白(EC)具有3个免疫球蛋白样亚结构域(D1、D2和D3域)，跨膜区为一个单一的跨膜(TM)结构域，和胞质区与酪氨酸激酶活性相关[7]。FGFRs 仅跨膜1次，膜内部分包括近膜区、2个保守的酪氨酸激酶(TK)功能域和可发生自身磷酸化的C末端。FGFRs有不同的亚型，主要通过不同的剪接方式来实现[8]。FGFRs在功能上有重要意义的剪接主要发生在IgⅢ区域，包含IgⅢb和IgⅢc两种形式，能结合多种FGFs[9]。目前还不清楚这两种剪接体的作用是否有区别[10]。

在FGFR3蛋白的转录过程中包含有19个外显子，其蛋白编码产物由2—18号外显子所编码，而其中一些剪切体因在FGFRs受体家族膜上而闻名。在FGFR1—3上，第三个结构域的第二半选择性剪切体有两种异构体，分别命名为Ⅲb和ⅢC，能够与不同的配体特异性结合[11]，FGFR3的 ⅢC型主要在软骨细胞主细胞上表达，与侏儒症有着密切的关系，而Ⅲb型主要在上皮细胞上表达。许多其他的剪接形式也有被描述的，具体的机制还不清楚[12]。FGFR3的Ⅲb和Ⅲc剪切体能够被FGF1(能够与FGFR1—4结合)和FGF9 配体激活，后者与Ⅲb的结合力比Ⅲc相对较弱，且FGF9配体与受体的结合力明显比FGF1弱[13]。FGFs能够结合多种FGFRs，其中FGF9因子能够激活FGFR3受体，通过先于硫酸乙酰肝素蛋白多糖(HSPGs)结合，进一步激活FGFR3受体通路[14]。

2 FGFR3信号通路传导

FGFRs信号通路对于膜内成骨和软骨内成骨的作用是至关重要的，其参与成骨过程中细胞的增殖分化及组织损伤的愈合[15]。FGFRs作为一种跨膜信号分子，通过质膜上的酪氨酸残基磷酸二聚化产生相应的传导作用，激活酪氨酸激酶，由其非活化形式转化为活化形式，从而进一步活化其他下游分子，形成级联酶促反应[16]。常见的下游信号通路包括FGFRs的C-末端区的磷酸化激活磷脂酶Cγ(PLCγ)、磷酸化底物(FRS2)和Grb、Sos、Ras、Src、STAT1、shc、PI3K,活化的PLCγ进一步催化磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)转化为二酰甘油(DAG)和三磷酸肌醇(IP3)[17]。二酰甘油可以激活蛋白激酶C，促进血管的生成，IP3可以引起钙离子的释放，调节细胞内外钙离子的浓度引起周围及全身反应。活化的FGFRs磷酸化底物2(FRS2)也能与生长因子受体结合蛋白2(GBR2)的配体结合，从而引起靶细胞的生理变化，FGFs信号可以通过FRS2和GRB2传导到Ras-促分裂原活化蛋白激酶(Ras-MAPK)或PI3激酶-蛋白激酶B(PI3K-AKT)信号通路，可以引起靶细胞的再生、凋亡及药物耐受[18]。活化后的Grb、Sos、Ras、Src蛋白酶通过激活Raf蛋白进而激活MEK1/2和ERK1/2蛋白，能够抑制增生的软骨细胞向肥大软骨细胞成熟分化，促进软骨细胞的凋亡。FGFRs末端磷酸化可以激活蛋白PDK-ADK激酶，从而促进增生的肥大软骨凋亡。激活的STAT1蛋白一方面下调细胞内P21基因的表达，抑制软骨细胞的增殖分化，并且也抑制骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化[19]。

在FGFR3信号通路中，Harada等[20]发现FGFR3受体转录因子、信号蛋白和转录1蛋白(STAT1)的激活能够抑制细胞增殖，诱导软骨细胞凋亡，论证了PLCγ介导FGFR3信号是通过诱导STAT1的激活来发挥作用的，但是PLCγ的负性调控区域可以明显减少STAT1的持续磷酸化； 在细胞凋亡的实验中表明，激活FGFR(TDII-FGFR3)和STAT1(STAT1-C)可以通过激活软骨细胞的蛋白酶活性来诱导软骨细胞凋亡。最终得出结论，即PLCγ-STAT1途径介导软骨细胞凋亡由FGFR3来介导。

在骨组织中FGFR3主要在软骨细胞内表达。FGFR3信号通路抑制软骨细胞的增生，通过STAT1信号通路中细胞周期中的抑制基因的表达来影响软骨细胞的增生，如CDK、P21。在FGFR3基因敲除的大鼠中研究发现MEK1表达量增加，证明FGFR3通过ERK/MAPK通路抑制软骨细胞的增生，促进软骨细胞向终末肥大软骨分化[21]。此外，FGFR3的信号通路中还被其他细胞内、细胞外信号影响。激活FGFR3可以抑制新生骨的生长板BMP4的表达，同时BMP4也可以治疗因FGFR3缺陷导致的长骨软化病[22]。而有实验[23]证明甲状旁腺激素相关肽可以抑制FGFR3突变所导致的长骨过度增长，并且FGFR3有可能通过调节甲状旁腺激素相关肽上游基因而起作用，调节肥大软骨的分化。还有实验[24]证明胰岛素生长因子(IGF1)参与FGFR3的信号调节，通过调节PI3K和MAPK信号通路来抑制细胞的凋亡。激活FGFR3还可以导致骨量的减少及骨密度及矿化障碍。在体外实验[25]中发现，激活FGFR3抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞、软骨细胞分化。Amizuka等[26]发现，FGFR3基因缺陷的变异鼠和FGFR3与PTHrp基因同时缺陷的变异鼠都能使血管生长因子表达量减少，骨骺端肥大的软骨细胞池加深； 单独的PTHrp基因缺陷的变异鼠在软骨生长池中心能看见软骨细胞大量凋亡；单独FGFR3缺陷能够缓解PTHrp缺陷所致的缺陷。可见FGFR3和PTHrp在调节软骨细胞增殖池中发挥着重要作用，而 FGFR3信号通路主要又在软骨素骨交界处对骨成熟和血管浸润起着重要的作用。

尽管FGFR3在不同的组织中均有重叠表达，但在胚胎发育过程中也有时间特异性和细胞特异性，主要分布在肾、大脑、肺器官中，在脑中主要表达在星形角质细胞和神经胶质细胞中[27]。在骨组织中，骨髓间充质干细胞及成骨细胞及破骨细胞、软骨细胞中均有表达。近年来研究[28]证实肿瘤细胞中FGFR3含量表达明显增加，激活肿瘤细胞中的FGFR3受体，能够促进肿瘤细胞的增殖和肿瘤基因的扩增，尤其在膀胱肿瘤、肺癌及神经瘤中。然而，FGFR3在骨组织中起负性调节作用。在成骨过程中FGFR3抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞、软骨细胞转化，抑制软骨细胞增殖，促进骨细胞的凋亡和骨的矿化，而FGFR1和FGFR2的激活能够促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞、软骨细胞分化、增殖，并且通过抑制这些细胞的凋亡，促进骨的矿化，从而促进长骨的软骨成骨。Deng等[29]在FGFR3基因敲除的小鼠中发现，变异大鼠的骨骼过度生长、生长板增生和肥大软骨细胞带变宽,骨骼过度生长、生长板增生和肥大软骨细胞带变宽,软骨细胞增生能力增强；软骨细胞增生能力增强。Valverde Franco[30]等发现FGFR 3 基因敲除小鼠的长骨有钙化障碍、骨质减少和易于骨折等特点，且培养的原代骨髓基质细胞(MSCs)形成钙化结节的数量较野生小鼠的少。

3 FGFR3在骨折愈合的表达及机制

骨折的修复是一个反应复杂的过程，包括血肿炎症机化期、原始骨痂形成期、骨板形成塑性期。骨折的修复其实也是骨的再生过程。在骨折愈合过程中，许多分子对骨折的再生起着重要作用。如胰岛素生长因子(IGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、转化因子(TGF)等，其中FGFs在骨的再生中的作用是特别的，一方面能够促进骨折愈合，一方面抑制骨折愈合。通过bFGF信号通路，可以与相应受体结合(FGFR1、FGFR2、FGFR3)，不同受体的激活在骨折愈合过程中产生不同的作用机制[31]。Su等[32]通过建立FGFR3基因增强的小鼠和野生型小鼠的胫骨骨折模型，观察不同时间点FGFR3在骨折处的表达，发现FGFR3主要在骨折断端的软骨细胞上表达，3 d开始升高，7 d达到高峰，其后逐渐减少，至28 d恢复到正常骨骼的表达量；通过与对照组对比发现，FGFR3变异的小鼠骨折延迟愈合，软骨痂明显减少； 骨折处生物力学明显降低。FGFR3主要在骨痂中肥大软骨细胞中大量表达，FGFR3有可能介导软骨细胞的凋亡。Nakajima等[33]推测，FGFR3可能通过诱发细胞的凋亡来促进骨折愈合。吴卓等[34]在大鼠失神经骨折研究中发现，失神经骨折术后5 d凋亡细胞开始增多，术后7 d凋亡细胞达到高峰，此后凋亡细胞急剧减少，至术后28 d趋于正常，这些凋亡细胞大部分位于骨折断端周围骨痂中，显微镜下观察，在空间上这些凋亡细胞位于软骨内成骨部位的骨-软骨连接处和软骨间向硬骨痂转化的起始部，细胞凋亡的时间点与FGFR3的表达一致，且与对照组骨折处凋亡细胞数比较差异有统计学意义，有可能在失神经骨折过程中，中枢神经影响了FGFR3的表达，进而参与细胞的凋亡。有学者[35]通过在FGFR3基因敲除的小鼠和野生型小鼠上建立胫骨骨折模型,通过观察骨折术后各时段骨折愈合情况,发现在骨折愈合过程中,FGFR3功能缺失的小鼠的破骨细胞骨吸收功能降低，从而使骨折愈合过程中软骨痂吸收和硬骨痂重塑过程延迟。进一步验证了FGFR3能够通过正向调控破骨细胞的功能,在骨折的愈合过程中起着重要作用。

4 FGFR3所致骨骼疾病及治疗

FGFR3在骨骼发育过程中起着重要作用，尤其在抑制软骨细胞增生方面的作用是明确的。FGFR3的基因突变与人类的软骨发育不全(ACH)、季肋发育不全(HCH)和致死性骨发育不全(TD)等遗传病有关。FGFR3的异常激活导致人体骨骼的病理性发育，常见的特征有身材矮小、大头中等脸发育不全、腰椎前凸、膝内翻和三叉戟手等畸形[36]。在治疗这些疾病过程中，人们尝试了手术肢体加长方法，但增加了术后感染、术后再生骨骨折等风险。

Kanazawa等[37]尝试用人重组生长激素治疗ACH，发现不但对肢体的长度没有影响，反而增加了骨龄，并且对全身的影响比内分泌的影响较大。鉴于FGFR3化学阻滞剂能够下调FGFR3下游信号的传导，人们尝试对目标基因的靶向抑制，发现了对FGFR3负向调控的C型钠尿肽BMN-111，能够抑制FGFR3的表达，促进软骨细胞的增生，对ACH病的治疗起到了一定作用,但并不能完全治愈，FGFR3在抑制软骨增生方面有效，但其在骨骼中的其他作用还并不完全清楚有待进一步研究。

综上所述，FGFR3在身体大多器官中都能表达，同时在功能上也有矛盾之处：FGFR3一方面导致癌细胞的增殖，另一方面FGFR3的变异可以导致佝偻病、软骨发育不全病，抑制软骨细胞增殖[38]。因此，在治疗FGFR3遗传病时要兼顾全身其他部位的表达及作用。FGFR3信号通路的研究已取得了巨大的进展，但具体信号通路间的交叉有待进一步探讨。FGFR3具体如何作用于成骨细胞以及在失神经状态下FGFR3如何对骨痂矿化产生影响，目前还不清楚。今后可以通过建立失神经骨折动物模型，通过阻滞FGFR3的表达来观察骨痂矿化的影响，同时在细胞实验上加阻滞剂检测下游蛋白来研究各通路间的关联。相信随着研究的不断深入，许多未解之谜都将得到进一步的解答。

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(责任编辑：钟荣梅)

Research Progress in Mechanism of Action of Fibroblast Growth Factor Receptor 3 in Bone Remodeling

ZHAO Jun-wei,LI Zheng-zheng，MENG Hui-qang,WANG Yu-liang

(Department of Orthopedics,the Second Hospital of Lanzhou University,Gansu Key Laboratory of Bone and Joint Diseases,Lanzhou 730030,China)

Fibroblast growth factor receptor 3(FGFR3) is the only one of the fibroblast growth factor receptor family that negatively involved in bone remodeling.FGFR3 is closely correlated with some genetic bone diseases.This paper reviews the structure and function of FGFR3 and its mechanism of action in bone remodeling.

fibroblast growth factor receptor 3; bone remodeling cytokines; fracture

2016-01-05

甘肃省科技厅科技支撑计划项目(0412E2)

赵军伟(1988—)，男，硕士研究生，主要从事创伤骨科的研究。

汪玉良，主任医师,E-mail：wy160918@sina.com。

R687

A

1009-8194(2016)04-0094-04

10.13764/j.cnki.lcsy.2016.04.038