软骨生长板的发育遗传学研究进展

圄匿遗佳堂盘查塑生旦?旦差鲞筮期丛』曼塑咝叁坚?塑垡软骨生长板的发育遗传学研究进展周坚贺林【摘要】生长板在软骨内骨发育过程中调控骨的纵向生长速度。生长板内软骨细胞的增殖、肥大化和软骨基质的分泌产生出新的软骨由于血管和骨细胞在肥大软骨细胞区域的侵入新生的软骨逐渐被骨组织所取代。软骨生长板的发育过程受到多种信号通路的调控它们共同作用确保软骨细胞增殖和分化的正常进行。本文主要介绍几个关键的信号通路在小鼠生长板发育遗传学研究中的最新进展阐述这些信号通路在不同发育环节中的调控作用以及它们之间的相互影响。【关键词】生长板软骨细胞软骨内骨化信号通路砒鹤明柚姻恤日施磊旧厶幻一概肋昭‰觇瑙妙咖傩【】弛舀铲叩”孤【∞舀”肿州叩珏伊如叩【】脊椎动物的骨骼发育有两种主要的机制膜内骨化和软骨内骨化。前者造骨细胞由间叶细胞直接分化形成而后者骨的形成需要经历两步首先是间叶细胞分化成软骨细胞形成软骨然后由造骨细胞侵入软骨并开始骨化。颅骨主要通过膜内骨化形成躯干骨和四肢骨则主要通过软骨内骨化形成。软骨内的骨化过程起始于软骨的中央软骨由此被分成相对应的两个生长板。生长板内成熟的软骨不断退化并被骨所取代同时新的软骨细胞通过增殖又不断产生从而保证了骨化向两端推进时生长板能够维持一定的厚度。当骨骼发育到成熟阶段生长板完全被骨化骨的纵向生长也随之停止。软骨生长板是骨形成之前的模版它决定了骨的纵向生长速度和骨的最终长度。软骨生长板由软骨细胞和软骨基质构成软骨细胞按形态差异可分成三类即圆形软骨细胞、扁平软骨细胞和肥大软骨细胞。这三类软骨细胞在生长板中沿骨轴从关节到骨的中心有序排列。圆形软骨作者单位上海交通大学中心通讯作者贺林—?9?9?9?9?9?9综述?9?9细胞增殖缓慢被称为静止型软骨细胞。这类细胞经过分化形成扁平的增殖型软骨细胞。这两类软骨细胞都表达Ⅱ型胶原蛋白。扁平软骨细胞经历了快速增殖阶段以后最终退出细胞周期减少Ⅱ型胶原蛋白的表达并向肥大软骨细胞分化。肥大软骨细胞分泌型胶原蛋白并将周围的基质逐渐钙化。软骨细胞的肥大化是胚胎期骨骼快速生长的主要推动力。肥大软骨细胞进一步分化后成为终端肥大软骨细胞该区域可以诱导血管生成吸引造骨细胞和破骨细胞的侵入。伴随着终端肥大软骨细胞的凋亡和钙化的软骨基质的降解造骨细胞逐渐取代软骨细胞而它分泌的骨基质取代了软骨基质最终实现了骨化。近年来软骨生长板的发育遗传学研究取得了重要进展人们发现了调控生长板的多种信号分子并且揭示了一些信号分子之间的调控关系。本文对其中几个关键信号分子的研究进展进行综述。信号是一个重要的生长板发育调控信号它对于软骨细胞的增殖软骨细胞的分化万方数据垦匪遗佳堂盘盍塑?生?旦?旦塑≥鲞筮翅丛型皇竖?。螋丛盟和造骨细胞的生成等软骨内骨化过程都是必需的。属于一个非常保守的信号蛋白家族它通过和跨膜蛋白的结合释放对于另一个跨膜蛋白的抑制作用从而启动细胞内的级联反应最后通过转录因子家族激活一系列基因的转录…。在生长板中蛋白由预肥大软骨细胞和早期肥大软骨细胞分泌其作用可以归纳为五点见图。第一促进软骨细胞的增殖。肌矗基因敲除的小鼠中软骨细胞的增殖显著减少这个效应被认为可能是直接作用于软骨细胞产生的因为在正常小鼠中能够诱导增殖型软骨细胞表达信号的靶基因九【。在软骨细胞中特异的敲除脚。琥聊基因来阻断的信号作用同样会导致软骨细胞的增殖减少而通过转基因在软骨细胞中过量表达或者表达组成型活性形式的则会促进软骨细胞的增殖这些结果证实了信号在调控软骨细胞增殖方面具有直接的作用?。第二通过诱导绕关节软骨细胞表达—间接抑制软骨细胞的肥大化。盯是在胚胎期由绕关节软骨细胞分泌的一种信号蛋白。胛和甲状旁腺激素咖作用于相同的蛋白偶联受体门。这种受体在增殖型软骨细胞中低水平表达而在预肥大软骨细胞和早期的肥大软骨细胞中高水平表达。信号能够抑制软骨细胞的肥大化。在肌或其受体基因敲除的小鼠中软骨细胞提前肥大化’而在软骨细胞中过量表达”或者表达组成型活性形式的受体则延缓了软骨细胞的肥大化∞’。胛的表达受信号的调控在软骨细胞中表达组成型活性形式的可以挽救眈矗基因敲除造成的软骨细胞提前肥大化但不能挽救软骨细胞增殖减少等变化旧。这些研究表明和阿通过负反馈机制共同调控了软骨细胞的肥大化速率。绕关节软骨细胞表达的作用于增殖型软骨细胞上的受体使它们保持增殖状态当远端的增殖型软骨细胞没有足够的’刺激时它们就停止增殖向肥大软骨细胞分化并表达而又促进了门的表达。这个负反馈调节机制决定了胚胎期增殖型软骨细胞区域的长度。第三对软骨细胞的肥大化有直接的促进作用。在胁基因缺陷软骨中通过过量表达或者去除信号的负调控因子来增强信号都促进了软骨细胞的肥大化而敲除溉眈删基因阻断信号则延缓了软骨细胞的肥大化。在出生后的软骨中增强信号可以促进长骨两端的软骨细胞在次级骨化过程中的肥大化导致关节软骨的减少【】。信号直接促进软骨细胞肥大化的这种作用可能在出生后的软骨发育中特别重要。第四促进静止型软骨细胞向增殖型软骨细胞分化。在软骨中去除尸尺或者减少的表达都增强了信号在绕关节软骨中的活性表达显著增加静止型软骨细胞的增殖加快但区域反而缩小说明这些细胞的分化也加快了?。在软骨细胞中过量表达使得肥大软骨细胞缺失没有表达软骨中几乎所有细胞都显示静止型软骨细胞的特征。在软骨细胞中过量表达以及在体外用蛋白诱导静止型软骨细胞的实验都证实了信号在胚胎期对静止型软骨细胞的分化有促进作用‘。图生长板中信号的调控作用嚣印叭缸①预肥大和早期肥大软骨细胞分泌的直接促进软骨细胞的增殖②诱导绕关节软骨细胞表达胛③而啪抑制增殖型软骨细胞的肥大化④促进静止型软骨细胞的分化和⑤增殖型软骨细胞的肥大化这些作用都不依赖于⑥还诱导软骨膜细胞分化成造骨细胞。①?9?9”②盯陀够③”④∞珏套⑤腿⑥∞如——?Ⅺ啦万方数据国匪盗佳堂鍪查堕笙旦旦筮鲞筮翅丛』璺型叁塑№丛第五诱导软骨膜细胞分化成造骨细胞。胁基因敲除造成软骨内骨化过程中初级松质骨和骨领中的造骨细胞缺失呤。在正常小鼠中靠近表达部位的软骨膜细胞才发生分化并且这些细胞表达信号的靶基因抛因而信号可能直接诱导了造骨细胞的生成。这一点在分析软骨膜细胞中特异敲除加眦基因的小鼠后得到了证实。在嵌合体小鼠中淝缺陷的软骨膜细胞没有分化成造骨细胞而是成了软骨细胞。在软骨细胞中过量表达促进了骨领的形成但是不能诱导整个软骨膜全部骨化引。骨领中造骨细胞的生成可能依赖于信号和其他内源信号的协同作用。信号最近的遗传学研究显示成纤维细胞生长因子弛信号在调节软骨细胞的增殖和分化方面起重要作用。蛋白家族包含了至少个成员这些蛋白配体之间可能存在功能冗余受体有种它们在骨骼发育的不同阶段具有不同的功能。蛋白序列中包含了保守的与硫酸肝素结合的序列以及与作用的序列。硫酸肝素或硫酸肝素蛋白聚糖对于和?9?9相互作用从而激活是必需的。属于受体酪氨酸激酶它包含了—个免疫球蛋白样结构域和一段肝素结合序列。蛋白与受体结合后引起受体二聚化酪氨酸激酶活性被触发受体的胞内结构域发生自磷酸化。酪氨酸磷酸化后受体得到活化从而启动一系列胞内催化反应?。和—信号在胞内已知的单一通路不同信号在胞内的传递有多个通路至少包含通路、通路‖“通路和通路。信号在发育过程中的调控作用既依赖于配体和受体的表达又依赖于受体细胞的类型及其所处的信号环境。在软骨内骨化过程中静止型软骨细胞和增殖型软骨细胞表达预肥大及肥大软骨细胞表达软骨膜和骨膜中的细胞表达。人的阳嘲基因发生组成型活化的点突变会导致软骨发育不良产生侏儒症表型。将这种突变引入到小鼠后小鼠骨骼明显缩小软骨细胞增殖减慢?引。相反在缺失职的小鼠中软骨细胞增殖加快增殖型软骨细胞和肥大软骨细胞的区域都增大?。信号通过其受体抑制了软骨争一—、亳售缓二●●●●●●图生长板中信号和信号的拮抗作用以及和之间的正反馈调节切蛔卵咖啪Ⅱ蛐也把在胚胎晚期抑制软骨细胞的增殖和肥大化。促进肥大软骨细胞的终端分化。在各个环节中的作用与恰好相反。和相互促进表达形成一个正反馈循环。鸵”瑚明峨∞叩细胞的增殖这个作用是由转录因子介导的Ⅲ。然而体外研究显示还可以促进细胞增殖与此相一致在早期胚胎的生长板中有促进软骨细胞增殖的作用?坶。这些研究表明在软骨发育的不同时期有不同的作用在胚胎早期促进软骨细胞增殖在胚胎晚期和出生以后抑制软骨细胞的增殖。对软骨细胞的增殖调控发生这种转变的机制还不清楚。在软骨膜中表达的被认为是软骨细胞中的生理配体因为缺失这两个基因的小鼠生长板非常相似在晚期胚胎中增殖型软骨细胞区域和肥大软骨细胞区域都扩大了啪’圳。与阳职基因缺陷小鼠不同的是在卯基因缺陷小鼠的早期软骨中血管侵入肥大软骨细胞区域的过程延迟了导致骨化延迟这可能是因为朋还作用于其他的受体例如旧。在软骨膜中表达的另一个蛋白具有与类似的功能但敲除该基因后只有肱骨和股骨的发育受较温和的影响四肢中其他骨的发育没有明显变化旧。在软骨膜中表达的蛋白还有、咫和缺失其中任何一个基因对软骨生长板的发育都没有影万方数据’、垦匾遗佳塑盛塑生旦旦星≥鲞星翅垡』鱼堕垒坚』鲤坠≥盟?响Ⅲ。这些蛋白在软骨内骨化过程中是否存在功能冗余还有待进一步的研究。信号在软骨发育中的调控作用有一部分是信号介导的。在早期胚胎中促进了的表达在晚期胚胎中抑制了的表达而对软骨生长板的发育有多方面的调控作用Ⅲ划。软骨体外培养实验表明信号在不依赖于信号的情形下抑制软骨细胞增殖和肥大化并且促进肥大软骨细胞的终端分化见图这可能是信号在晚期胚胎中对软骨生长板的直接调控作用∞。信号骨形成蛋白。也被称作生长分化因子叭脆是超家族中的一个亚族。蛋白通过与细胞膜上的型受体及型受体结合形成复合体来传导信号。与配体结合后型受体将型受体的丝氨酸苏氨酸残基磷酸化激活型受体的催化活性然后型受体将胞内蛋白——磷酸化。活化的—与—巾相结合并进入细胞核内调控靶基因的表达。除了通路信号还可以活化通路但该通路在软骨发育中的功能还不清楚。传导信号的型受体有种、和。在软骨生成阶段信号可以促进间叶细胞聚集和分化。和都缺失的小鼠显示出严重的软骨发育不良间叶细胞聚集体缩小并且不能发育成有序的生长板。反之缺失的拮抗剂则引起间叶细胞过度聚集生成过大的软骨生长板Ⅲ。在软骨生长板的发育过程中信号可能起到多方面的调控作用。—、在软骨膜中表达、在肥大软骨细胞中表达在增殖型软骨细胞中表达。在软骨膜、增殖型软骨细胞和肥大软骨细胞中表达在整个生长板和软骨膜中都表达主要在静止型软骨细胞和增殖型软骨细胞中表达。在软骨细胞中表达组成型活性的可以促进软骨细胞的肥大化幢。在剔除尸及的一个等位基因后软骨发育出现温和的延迟生长板缩小但没有出现肥大化分化的异常这可能是由于配体之间存在功能冗余造成的。软骨体外培养实验表明信号可以促进软骨细胞增殖抑制肥大软骨细胞的终端分化而且这些作用是不依赖于从信号的【?。信号和信号在调控软骨细胞增殖和肥大化以及肥大软骨细胞的终端分化方面的功能都是相互拮抗的见图。这种拮抗作用的具体机制还不清楚但不会是简单的抑制配体表达因为眩可以增加的表达而可以增加的表达旧。软骨发育过程中信号还与信号相互调控形成一个正反馈循环见图。软骨中过量表达可以增加软骨膜中、和的表达其中删和脚的启动子可以直接被介导信号的转录因子所活化因此至少有一部分信号是由直接调控的。另一方面信号可以增加的表达的拮抗剂则抑制的表达生化分析表明眈的启动子含有多个结合序列并且可以被所活化因此眈是信号的一个直接的靶基因∞’。信号和信号对软骨生长板的发育既有各自独立的调控作用又通过相互影响发挥间接调控的作用。展望软骨生长板的发育受到多种信号分子的调控除了上述几类信号外还包括生长激素、胰岛素样生长因子、信号、甲状腺激素、性激素、糖皮质激素等等。这些信号通路之间如何相互影响以及它们激活哪些关键的转录因子等问题还有待进一步的研究。最近的全基因组关联分析识别出多个与人的身高相关的基因∽其中一些基因的作用机制是已知的例如信号通路的调控因子另外一些基因在骨骼发育中的作用仍是未知的分析这些基因如何参与到生长板的调控之中将为生长板的分子机制研究开拓新的方向。参考文献啦妒籼咖印蛔洫“雎∞蚰辩唧砒酷。—船删越叩—印枷“蚰州∞”磁万方数据宦匪遗熊兰盘盍坚生旦旦星鲞筮翘坠堕纽?。坚生≥堂璺Ⅱ印【卵畦自.