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軟骨生長板的發育遺傳學研究進展周堅賀林【摘要】生長板在軟骨內骨發育過程中調控骨的縱向生長速度。生長板內軟骨細胞的增殖、肥大化和軟骨基質的分泌產生出新的軟骨由于血管和骨細胞在肥大軟骨細胞區域的侵入新生的軟骨逐漸被骨組織所取代。
軟骨生長板的發育過程受到多種信號通路的調控它們共同作用確保軟骨細胞增殖和分化的正常進行。本文主要介紹幾個關鍵的信號通路在小鼠生長板發育遺傳學研究中的最新進展闡述這些信號通路在不同發育環節中的調控作用以及它們之間的相互影響。【關鍵詞】生長板軟骨細胞軟骨內骨化信號通路砒鶴明柚姻恤日施磊舊厶幻一概肋昭‰覘瑙妙咖儺【】弛舀鏟叩”孤【∞舀”腫州叩玨伊如叩【】脊椎動物的骨骼發育有兩種主要的機制膜內骨化和軟骨內骨化。前者造骨細胞由間葉細胞直接分化形成而后者骨的形成需要經歷兩步首先是間葉細胞分化成軟骨細胞形成軟骨然后由造骨細胞侵入軟骨并開始骨化。顱骨主要通過膜內骨化形成軀干骨和四肢骨則主要通過軟骨內骨化形成。軟骨內的骨化過程起始于軟骨的中央軟骨由此被分成相對應的兩個生長板。生長板內成熟的軟骨不斷退化并被骨所取代同時新的軟骨細胞通過增殖又不斷產生從而保證了骨化向兩端推進時生長板能夠維持一定的厚度。當骨骼發育到成熟階段生長板完全被骨化骨的縱向生長也隨之停止。
軟骨生長板是骨形成之前的模版它決定了骨的縱向生長速度和骨的最終長度。
軟骨生長板由軟骨細胞和軟骨基質構成軟骨細胞按形態差異可分成三類即圓形軟骨細胞、扁平軟骨細胞和肥大軟骨細胞。這三類軟骨細胞在生長板中沿骨軸從關節到骨的中心有序排列。圓形軟骨作者單位上海交通大學中心通訊作者賀林—?9?9?9?9?9?9綜述?9?9細胞增殖緩慢被稱為靜止型軟骨細胞。這類細胞經過分化形成扁平的增殖型軟骨細胞。這兩類軟骨細胞都表達Ⅱ型
膠原蛋白。扁平軟骨細胞經歷了快速增殖階段以后最終退出細胞周期減少Ⅱ型
膠原蛋白的表達并向肥大軟骨細胞分化。肥大軟骨細胞分泌型
膠原蛋白并將周圍的基質逐漸鈣化。軟骨細胞的肥大化是胚胎期骨骼快速生長的主要推動力。肥大軟骨細胞進一步分化后成為終端肥大軟骨細胞該區域可以誘導血管生成吸引造骨細胞和破骨細胞的侵入。伴隨著終端肥大軟骨細胞的凋亡和鈣化的軟骨基質的降解造骨細胞逐漸取代軟骨細胞而它分泌的骨基質取代了軟骨基質最終實現了骨化。近年來
軟骨生長板的發育遺傳學研究取得了重要進展人們發現了調控生長板的多種信號分子并且揭示了一些信號分子之間的調控關系。本文對其中幾個關鍵信號分子的研究進展進行綜述。信號是一個重要的生長板發育調控信號它對于軟骨細胞的增殖軟骨細胞的分化萬方數據墾匪遺佳堂盤盍塑?生?旦?旦塑≥鲞筮翅叢型皇豎?。螋叢盟和造骨細胞的生成等軟骨內骨化過程都是必需的。屬于一個非常保守的信號蛋白家族它通過和跨膜蛋白的結合釋放對于另一個跨膜蛋白的抑制作用從而啟動細胞內的級聯反應最后通過轉錄因子家族激活一系列基因的轉錄…。在生長板中蛋白由預肥大軟骨細胞和早期肥大軟骨細胞分泌其作用可以歸納為五點見圖。第一
促進軟骨細胞的增殖。肌矗基因敲除的小鼠中軟骨細胞的增殖顯著減少這個效應被認為可能是直接作用于軟骨細胞產生的因為在正常小鼠中能夠誘導增殖型軟骨細胞表達信號的靶基因九【。在軟骨細胞中特異的敲除腳。琥聊基因來阻斷的信號作用同樣會導致軟骨細胞的增殖減少而通過轉基因在軟骨細胞中過量表達或者表達組成型活性形式的則會
促進軟骨細胞的增殖這些結果證實了信號在調控軟骨細胞增殖方面具有直接的作用?。第二通過誘導繞關節軟骨細胞表達—間接抑制軟骨細胞的肥大化。盯是在胚胎期由繞關節軟骨細胞分泌的一種信號蛋白。胛和甲狀旁腺激素咖作用于相同的蛋白偶聯受體門。這種受體在增殖型軟骨細胞中低水平表達而在預肥大軟骨細胞和早期的肥大軟骨細胞中高水平表達。信號能夠抑制軟骨細胞的肥大化。在肌或其受體基因敲除的小鼠中軟骨細胞提前肥大化’而在軟骨細胞中過量表達”或者表達組成型活性形式的受體則延緩了軟骨細胞的肥大化∞’。胛的表達受信號的調控在軟骨細胞中表達組成型活性形式的可以挽救眈矗基因敲除造成的軟骨細胞提前肥大化但不能挽救軟骨細胞增殖減少等變化舊。這些研究表明和阿通過負反饋機制共同調控了軟骨細胞的肥大化速率。繞關節軟骨細胞表達的作用于增殖型軟骨細胞上的受體使它們保持增殖狀態當遠端的增殖型軟骨細胞沒有足夠的’刺激時它們就停止增殖向肥大軟骨細胞分化并表達而又
促進了門的表達。這個負反饋調節機制決定了胚胎期增殖型軟骨細胞區域的長度。第三對軟骨細胞的肥大化有直接的
促進作用。在脅基因缺陷軟骨中通過過量表達或者去除信號的負調控因子來增強信號都
促進了軟骨細胞的肥大化而敲除溉眈刪基因阻斷信號則延緩了軟骨細胞的肥大化。在出生后的軟骨中增強信號可以
促進長骨兩端的軟骨細胞在次級骨化過程中的肥大化導致關節軟骨的減少【】。信號直接
促進軟骨細胞肥大化的這種作用可能在出生后的軟骨發育中特別重要。第四
促進靜止型軟骨細胞向增殖型軟骨細胞分化。在軟骨中去除尸尺或者減少的表達都增強了信號在繞關節軟骨中的活性表達顯著增加靜止型軟骨細胞的增殖加快但區域反而縮小說明這些細胞的分化也加快了?。在軟骨細胞中過量表達使得肥大軟骨細胞缺失沒有表達軟骨中幾乎所有細胞都顯示靜止型軟骨細胞的特征。在軟骨細胞中過量表達以及在體外用蛋白誘導靜止型軟骨細胞的實驗都證實了信號在胚胎期對靜止型軟骨細胞的分化有
促進作用‘。圖生長板中信號的調控作用囂印叭缸①預肥大和早期肥大軟骨細胞分泌的直接
促進軟骨細胞的增殖②誘導繞關節軟骨細胞表達胛③而啪抑制增殖型軟骨細胞的肥大化④
促進靜止型軟骨細胞的分化和⑤增殖型軟骨細胞的肥大化這些作用都不依賴于⑥還誘導軟骨膜細胞分化成造骨細胞。①?9?9”②盯陀夠③”④∞玨套⑤腿⑥∞如——?Ⅺ啦萬方數據國匪盜佳堂鍪查墮笙旦旦筮鲞筮翅叢』璺型叁塑№叢第五誘導軟骨膜細胞分化成造骨細胞。脅基因敲除造成軟骨內骨化過程中初級松質骨和骨領中的造骨細胞缺失呤。在正常小鼠中靠近表達部位的軟骨膜細胞才發生分化并且這些細胞表達信號的靶基因拋因而信號可能直接誘導了造骨細胞的生成。這一點在分析軟骨膜細胞中特異敲除加眥基因的小鼠后得到了證實。在嵌合體小鼠中淝缺陷的軟骨膜細胞沒有分化成造骨細胞而是成了軟骨細胞。在軟骨細胞中過量表達
促進了骨領的形成但是不能誘導整個軟骨膜全部骨化引。骨領中造骨細胞的生成可能依賴于信號和其他內源信號的協同作用。信號最近的遺傳學研究顯示成纖維細胞生長因子弛信號在調節軟骨細胞的增殖和分化方面起重要作用。蛋白家族包含了至少個成員這些蛋白配體之間可能存在功能冗余受體有種它們在骨骼發育的不同階段具有不同的功能。蛋白序列中包含了保守的與硫酸肝素結合的序列以及與作用的序列。硫酸肝素或硫酸肝素蛋白聚糖對于和?9?9相互作用從而激活是必需的。屬于受體酪氨酸激酶它包含了—個免疫球蛋白樣結構域和一段肝素結合序列。蛋白與受體結合后引起受體二聚化酪氨酸激酶活性被觸發受體的胞內結構域發生自磷酸化。酪氨酸磷酸化后受體得到活化從而啟動一系列胞內催化反應?。和—信號在胞內已知的單一通路不同信號在胞內的傳遞有多個通路至少包含通路、通路‖“通路和通路。信號在發育過程中的調控作用既依賴于配體和受體的表達又依賴于受體細胞的類型及其所處的信號環境。在軟骨內骨化過程中靜止型軟骨細胞和增殖型軟骨細胞表達預肥大及肥大軟骨細胞表達軟骨膜和骨膜中的細胞表達。人的陽嘲基因發生組成型活化的點突變會導致軟骨發育不良產生侏儒癥表型。將這種突變引入到小鼠后小鼠骨骼明顯縮小軟骨細胞增殖減慢?引。相反在缺失職的小鼠中軟骨細胞增殖加快增殖型軟骨細胞和肥大軟骨細胞的區域都增大?。信號通過其受體抑制了軟骨爭一—、亳售緩二●●●●●●圖生長板中信號和信號的拮抗作用以及和之間的正反饋調節切蛔卵咖啪Ⅱ蛐也把在胚胎晚期抑制軟骨細胞的增殖和肥大化。
促進肥大軟骨細胞的終端分化。在各個環節中的作用與恰好相反。和相互
促進表達形成一個正反饋循環。鴕”瑚明峨∞叩細胞的增殖這個作用是由轉錄因子介導的Ⅲ。然而體外研究顯示還可以
促進細胞增殖與此相一致在早期胚胎的生長板中有
促進軟骨細胞增殖的作用?坶。這些研究表明在軟骨發育的不同時期有不同的作用在胚胎早期
促進軟骨細胞增殖在胚胎晚期和出生以后抑制軟骨細胞的增殖。對軟骨細胞的增殖調控發生這種轉變的機制還不清楚。在軟骨膜中表達的被認為是軟骨細胞中的生理配體因為缺失這兩個基因的小鼠生長板非常相似在晚期胚胎中增殖型軟骨細胞區域和肥大軟骨細胞區域都擴大了啪’圳。與陽職基因缺陷小鼠不同的是在卯基因缺陷小鼠的早期軟骨中血管侵入肥大軟骨細胞區域的過程延遲了導致骨化延遲這可能是因為朋還作用于其他的受體例如舊。在軟骨膜中表達的另一個蛋白具有與類似的功能但敲除該基因后只有肱骨和股骨的發育受較溫和的影響四肢中其他骨的發育沒有明顯變化舊。在軟骨膜中表達的蛋白還有、咫和缺失其中任何一個基因對
軟骨生長板的發育都沒有影萬方數據’、墾匾遺佳塑盛塑生旦旦星≥鲞星翅垡』魚墮壘堅』鯉墜≥盟?響Ⅲ。這些蛋白在軟骨內骨化過程中是否存在功能冗余還有待進一步的研究。信號在軟骨發育中的調控作用有一部分是信號介導的。在早期胚胎中
促進了的表達在晚期胚胎中抑制了的表達而對
軟骨生長板的發育有多方面的調控作用Ⅲ劃。軟骨體外培養實驗表明信號在不依賴于信號的情形下抑制軟骨細胞增殖和肥大化并且
促進肥大軟骨細胞的終端分化見圖這可能是信號在晚期胚胎中對
軟骨生長板的直接調控作用∞。信號骨形成蛋白。也被稱作生長分化因子叭脆是超家族中的一個亞族。蛋白通過與細胞膜上的型受體及型受體結合形成復合體來傳導信號。與配體結合后型受體將型受體的絲氨酸蘇氨酸殘基磷酸化激活型受體的催化活性然后型受體將胞內蛋白——磷酸化。活化的—與—巾相結合并進入細胞核內調控靶基因的表達。除了通路信號還可以活化通路但該通路在軟骨發育中的功能還不清楚。傳導信號的型受體有種、和。在軟骨生成階段信號可以
促進間葉細胞聚集和分化。和都缺失的小鼠顯示出嚴重的軟骨發育不良間葉細胞聚集體縮小并且不能發育成有序的生長板。反之缺失的拮抗劑則引起間葉細胞過度聚集生成過大的
軟骨生長板Ⅲ。在
軟骨生長板的發育過程中信號可能起到多方面的調控作用。—、在軟骨膜中表達、在肥大軟骨細胞中表達在增殖型軟骨細胞中表達。在軟骨膜、增殖型軟骨細胞和肥大軟骨細胞中表達在整個生長板和軟骨膜中都表達主要在靜止型軟骨細胞和增殖型軟骨細胞中表達。在軟骨細胞中表達組成型活性的可以
促進軟骨細胞的肥大化幢。在剔除尸及的一個等位基因后軟骨發育出現溫和的延遲生長板縮小但沒有出現肥大化分化的異常這可能是由于配體之間存在功能冗余造成的。軟骨體外培養實驗表明信號可以
促進軟骨細胞增殖抑制肥大軟骨細胞的終端分化而且這些作用是不依賴于從信號的【?。信號和信號在調控軟骨細胞增殖和肥大化以及肥大軟骨細胞的終端分化方面的功能都是相互拮抗的見圖。這種拮抗作用的具體機制還不清楚但不會是簡單的抑制配體表達因為眩可以增加的表達而可以增加的表達舊。軟骨發育過程中信號還與信號相互調控形成一個正反饋循環見圖。軟骨中過量表達可以增加軟骨膜中、和的表達其中刪和腳的啟動子可以直接被介導信號的轉錄因子所活化因此至少有一部分信號是由直接調控的。另一方面信號可以增加的表達的拮抗劑則抑制的表達生化分析表明眈的啟動子含有多個結合序列并且可以被所活化因此眈是信號的一個直接的靶基因∞’。信號和信號對
軟骨生長板的發育既有各自獨立的調控作用又通過相互影響發揮間接調控的作用。展望
軟骨生長板的發育受到多種信號分子的調控除了上述幾類信號外還包括生長激素、胰島素樣生長因子、信號、甲狀腺激素、性激素、糖皮質激素等等。這些信號通路之間如何相互影響以及它們激活哪些關鍵的轉錄因子等問題還有待進一步的研究。最近的全基因組關聯分析識別出多個與人的身高相關的基因∽其中一些基因的作用機制是已知的例如信號通路的調控因子另外一些基因在骨骼發育中的作用仍是未知的分析這些基因如何參與到生長板的調控之中將為生長板的分子機制研究開拓新的方向。參考文獻啦妒秈咖印蛔洫“雎∞蚰辯唧砒酷。—船刪越叩—印枷“蚰州∞”磁萬方數據宦匪遺熊蘭盤盍堅生旦旦星鲞筮翹墜墮紐?。堅生≥堂璺Ⅱ印【卵畦自.
