軟骨生長板的發(fā)育遺傳學(xué)研究進(jìn)展

成為亨特 2013-09-30

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圄匿遺佳堂盤查塑生旦?旦差鲞筮期叢』曼塑咝叁堅?塑垡軟骨生長板的發(fā)育遺傳學(xué)研究進(jìn)展周堅賀林【摘要】生長板在軟骨內(nèi)骨發(fā)育過程中調(diào)控骨的縱向生長速度。生長板內(nèi)軟骨細(xì)胞的增殖、肥大化和軟骨基質(zhì)的分泌產(chǎn)生出新的軟骨由于血管和骨細(xì)胞在肥大軟骨細(xì)胞區(qū)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(fā)育過程受到多種信號通路的調(diào)控它們共同作用確保軟骨細(xì)胞增殖和分化的正常進(jìn)行。本文主要介紹幾個關(guān)鍵的信號通路在小鼠生長板發(fā)育遺傳學(xué)研究中的最新進(jìn)展闡述這些信號通路在不同發(fā)育環(huán)節(jié)中的調(diào)控作用以及它們之間的相互影響?！娟P(guān)鍵詞】生長板軟骨細(xì)胞軟骨內(nèi)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(fā)育有兩種主要的機(jī)制膜內(nèi)骨化和軟骨內(nèi)骨化。前者造骨細(xì)胞由間葉細(xì)胞直接分化形成而后者骨的形成需要經(jīng)歷兩步首先是間葉細(xì)胞分化成軟骨細(xì)胞形成軟骨然后由造骨細(xì)胞侵入軟骨并開始骨化。顱骨主要通過膜內(nèi)骨化形成軀干骨和四肢骨則主要通過軟骨內(nèi)骨化形成。軟骨內(nèi)的骨化過程起始于軟骨的中央軟骨由此被分成相對應(yīng)的兩個生長板。生長板內(nèi)成熟的軟骨不斷退化并被骨所取代同時新的軟骨細(xì)胞通過增殖又不斷產(chǎn)生從而保證了骨化向兩端推進(jìn)時生長板能夠維持一定的厚度。當(dāng)骨骼發(fā)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(xì)胞和軟骨基質(zhì)構(gòu)成軟骨細(xì)胞按形態(tài)差異可分成三類即圓形軟骨細(xì)胞、扁平軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞。這三類軟骨細(xì)胞在生長板中沿骨軸從關(guān)節(jié)到骨的中心有序排列。圓形軟骨作者單位上海交通大學(xué)中心通訊作者賀林—?9?9?9?9?9?9綜述?9?9細(xì)胞增殖緩慢被稱為靜止型軟骨細(xì)胞。這類細(xì)胞經(jīng)過分化形成扁平的增殖型軟骨細(xì)胞。這兩類軟骨細(xì)胞都表達(dá)Ⅱ型膠原蛋白。扁平軟骨細(xì)胞經(jīng)歷了快速增殖階段以后最終退出細(xì)胞周期減少Ⅱ型膠原蛋白的表達(dá)并向肥大軟骨細(xì)胞分化。肥大軟骨細(xì)胞分泌型膠原蛋白并將周圍的基質(zhì)逐漸鈣化。軟骨細(xì)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(xì)胞進(jìn)一步分化后成為終端肥大軟骨細(xì)胞該區(qū)域可以誘導(dǎo)血管生成吸引造骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的侵入。伴隨著終端肥大軟骨細(xì)胞的凋亡和鈣化的軟骨基質(zhì)的降解造骨細(xì)胞逐漸取代軟骨細(xì)胞而它分泌的骨基質(zhì)取代了軟骨基質(zhì)最終實現(xiàn)了骨化。近年來軟骨生長板的發(fā)育遺傳學(xué)研究取得了重要進(jìn)展人們發(fā)現(xiàn)了調(diào)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(diào)控關(guān)系。本文對其中幾個關(guān)鍵信號分子的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。信號是一個重要的生長板發(fā)育調(diào)控信號它對于軟骨細(xì)胞的增殖軟骨細(xì)胞的分化萬方數(shù)據(jù)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(xì)胞的生成等軟骨內(nèi)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(jié)合釋放對于另一個跨膜蛋白的抑制作用從而啟動細(xì)胞內(nèi)的級聯(lián)反應(yīng)最后通過轉(zhuǎn)錄因子家族激活一系列基因的轉(zhuǎn)錄…。在生長板中蛋白由預(yù)肥大軟骨細(xì)胞和早期肥大軟骨細(xì)胞分泌其作用可以歸納為五點見圖。第一促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖。肌?；蚯贸男∈笾熊浌羌?xì)胞的增殖顯著減少這個效應(yīng)被認(rèn)為可能是直接作用于軟骨細(xì)胞產(chǎn)生的因為在正常小鼠中能夠誘導(dǎo)增殖型軟骨細(xì)胞表達(dá)信號的靶基因九【。在軟骨細(xì)胞中特異的敲除腳。琥聊基因來阻斷的信號作用同樣會導(dǎo)致軟骨細(xì)胞的增殖減少而通過轉(zhuǎn)基因在軟骨細(xì)胞中過量表達(dá)或者表達(dá)組成型活性形式的則會促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖這些結(jié)果證實了信號在調(diào)控軟骨細(xì)胞增殖方面具有直接的作用?。第二通過誘導(dǎo)繞關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表達(dá)—間接抑制軟骨細(xì)胞的肥大化。盯是在胚胎期由繞關(guān)節(jié)軟骨細(xì)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(lián)受體門。這種受體在增殖型軟骨細(xì)胞中低水平表達(dá)而在預(yù)肥大軟骨細(xì)胞和早期的肥大軟骨細(xì)胞中高水平表達(dá)。信號能夠抑制軟骨細(xì)胞的肥大化。在肌或其受體基因敲除的小鼠中軟骨細(xì)胞提前肥大化’而在軟骨細(xì)胞中過量表達(dá)”或者表達(dá)組成型活性形式的受體則延緩了軟骨細(xì)胞的肥大化∞’。胛的表達(dá)受信號的調(diào)控在軟骨細(xì)胞中表達(dá)組成型活性形式的可以挽救眈?；蚯贸斐傻能浌羌?xì)胞提前肥大化但不能挽救軟骨細(xì)胞增殖減少等變化舊。這些研究表明和阿通過負(fù)反饋機(jī)制共同調(diào)控了軟骨細(xì)胞的肥大化速率。繞關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表達(dá)的作用于增殖型軟骨細(xì)胞上的受體使它們保持增殖狀態(tài)當(dāng)遠(yuǎn)端的增殖型軟骨細(xì)胞沒有足夠的’刺激時它們就停止增殖向肥大軟骨細(xì)胞分化并表達(dá)而又促進(jìn)了門的表達(dá)。這個負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制決定了胚胎期增殖型軟骨細(xì)胞區(qū)域的長度。第三對軟骨細(xì)胞的肥大化有直接的促進(jìn)作用。在脅基因缺陷軟骨中通過過量表達(dá)或者去除信號的負(fù)調(diào)控因子來增強(qiáng)信號都促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的肥大化而敲除溉眈刪基因阻斷信號則延緩了軟骨細(xì)胞的肥大化。在出生后的軟骨中增強(qiáng)信號可以促進(jìn)長骨兩端的軟骨細(xì)胞在次級骨化過程中的肥大化導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的減少【】。信號直接促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大化的這種作用可能在出生后的軟骨發(fā)育中特別重要。第四促進(jìn)靜止型軟骨細(xì)胞向增殖型軟骨細(xì)胞分化。在軟骨中去除尸尺或者減少的表達(dá)都增強(qiáng)了信號在繞關(guān)節(jié)軟骨中的活性表達(dá)顯著增加靜止型軟骨細(xì)胞的增殖加快但區(qū)域反而縮小說明這些細(xì)胞的分化也加快了?。在軟骨細(xì)胞中過量表達(dá)使得肥大軟骨細(xì)胞缺失沒有表達(dá)軟骨中幾乎所有細(xì)胞都顯示靜止型軟骨細(xì)胞的特征。在軟骨細(xì)胞中過量表達(dá)以及在體外用蛋白誘導(dǎo)靜止型軟骨細(xì)胞的實驗都證實了信號在胚胎期對靜止型軟骨細(xì)胞的分化有促進(jìn)作用‘。圖生長板中信號的調(diào)控作用囂印叭缸①預(yù)肥大和早期肥大軟骨細(xì)胞分泌的直接促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖②誘導(dǎo)繞關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表達(dá)胛③而啪抑制增殖型軟骨細(xì)胞的肥大化④促進(jìn)靜止型軟骨細(xì)胞的分化和⑤增殖型軟骨細(xì)胞的肥大化這些作用都不依賴于⑥還誘導(dǎo)軟骨膜細(xì)胞分化成造骨細(xì)胞。①?9?9”②盯陀夠③”④∞玨套⑤腿⑥∞如——?Ⅺ啦萬方數(shù)據(jù)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(dǎo)軟骨膜細(xì)胞分化成造骨細(xì)胞。脅基因敲除造成軟骨內(nèi)骨化過程中初級松質(zhì)骨和骨領(lǐng)中的造骨細(xì)胞缺失呤。在正常小鼠中靠近表達(dá)部位的軟骨膜細(xì)胞才發(fā)生分化并且這些細(xì)胞表達(dá)信號的靶基因拋因而信號可能直接誘導(dǎo)了造骨細(xì)胞的生成。這一點在分析軟骨膜細(xì)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(xì)胞沒有分化成造骨細(xì)胞而是成了軟骨細(xì)胞。在軟骨細(xì)胞中過量表達(dá)促進(jìn)了骨領(lǐng)的形成但是不能誘導(dǎo)整個軟骨膜全部骨化引。骨領(lǐng)中造骨細(xì)胞的生成可能依賴于信號和其他內(nèi)源信號的協(xié)同作用。信號最近的遺傳學(xué)研究顯示成纖維細(xì)胞生長因子弛信號在調(diào)節(jié)軟骨細(xì)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(fā)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(jié)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(jié)構(gòu)域和一段肝素結(jié)合序列。蛋白與受體結(jié)合后引起受體二聚化酪氨酸激酶活性被觸發(fā)受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域發(fā)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(nèi)催化反應(yīng)?。和—信號在胞內(nèi)已知的單一通路不同信號在胞內(nèi)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(fā)育過程中的調(diào)控作用既依賴于配體和受體的表達(dá)又依賴于受體細(xì)胞的類型及其所處的信號環(huán)境。在軟骨內(nèi)骨化過程中靜止型軟骨細(xì)胞和增殖型軟骨細(xì)胞表達(dá)預(yù)肥大及肥大軟骨細(xì)胞表達(dá)軟骨膜和骨膜中的細(xì)胞表達(dá)。人的陽嘲基因發(fā)生組成型活化的點突變會導(dǎo)致軟骨發(fā)育不良產(chǎn)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(xì)胞增殖減慢?引。相反在缺失職的小鼠中軟骨細(xì)胞增殖加快增殖型軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞的區(qū)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(diào)節(jié)切蛔卵咖啪Ⅱ蛐也把在胚胎晚期抑制軟骨細(xì)胞的增殖和肥大化。促進(jìn)肥大軟骨細(xì)胞的終端分化。在各個環(huán)節(jié)中的作用與恰好相反。和相互促進(jìn)表達(dá)形成一個正反饋循環(huán)。鴕”瑚明峨?！瞢┆瑾氆┆ⅹ绐＿但┇＋┇ⅹ岐猹岖浍ⅹí瑾氆ЙΛΛ倡┇Й┇ⅹ搏＋┇í┇ⅹ┆┇ЙΚ┇＋＋蔼カ?xì)胞的增殖這個作用是由轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的Ⅲ。然而體外研究顯示還可以促進(jìn)細(xì)胞增殖與此相一致在早期胚胎的生長板中有促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖的作用?坶。這些研究表明在軟骨發(fā)育的不同時期有不同的作用在胚胎早期促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖在胚胎晚期和出生以后抑制軟骨細(xì)胞的增殖。對軟骨細(xì)胞的增殖調(diào)控發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的機(jī)制還不清楚。在軟骨膜中表達(dá)的被認(rèn)為是軟骨細(xì)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(xì)胞區(qū)域和肥大軟骨細(xì)胞區(qū)域都擴(kuò)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(xì)胞區(qū)域的過程延遲了導(dǎo)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(dá)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(fā)育受較溫和的影響四肢中其他骨的發(fā)育沒有明顯變化舊。在軟骨膜中表達(dá)的蛋白還有、咫和缺失其中任何一個基因?qū)?b style="background-color: rgb(255, 153, 153); ">軟骨生長板的發(fā)育都沒有影萬方數(shù)據(jù)’、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(nèi)骨化過程中是否存在功能冗余還有待進(jìn)一步的研究。信號在軟骨發(fā)育中的調(diào)控作用有一部分是信號介導(dǎo)的。在早期胚胎中促進(jìn)了的表達(dá)在晚期胚胎中抑制了的表達(dá)而對軟骨生長板的發(fā)育有多方面的調(diào)控作用Ⅲ劃。軟骨體外培養(yǎng)實驗表明信號在不依賴于信號的情形下抑制軟骨細(xì)胞增殖和肥大化并且促進(jìn)肥大軟骨細(xì)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(diào)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(xì)胞膜上的型受體及型受體結(jié)合形成復(fù)合體來傳導(dǎo)信號。與配體結(jié)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(nèi)蛋白——磷酸化?；罨莫怼Иc—巾相結(jié)合并進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控靶基因的表達(dá)。除了通路信號還可以活化通路但該通路在軟骨發(fā)育中的功能還不清楚。傳導(dǎo)信號的型受體有種、和。在軟骨生成階段信號可以促進(jìn)間葉細(xì)胞聚集和分化。和都缺失的小鼠顯示出嚴(yán)重的軟骨發(fā)育不良間葉細(xì)胞聚集體縮小并且不能發(fā)育成有序的生長板。反之缺失的拮抗劑則引起間葉細(xì)胞過度聚集生成過大的軟骨生長板Ⅲ。在軟骨生長板的發(fā)育過程中信號可能起到多方面的調(diào)控作用。—、在軟骨膜中表達(dá)、在肥大軟骨細(xì)胞中表達(dá)在增殖型軟骨細(xì)胞中表達(dá)。在軟骨膜、增殖型軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞中表達(dá)在整個生長板和軟骨膜中都表達(dá)主要在靜止型軟骨細(xì)胞和增殖型軟骨細(xì)胞中表達(dá)。在軟骨細(xì)胞中表達(dá)組成型活性的可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的肥大化幢。在剔除尸及的一個等位基因后軟骨發(fā)育出現(xiàn)溫和的延遲生長板縮小但沒有出現(xiàn)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(yǎng)實驗表明信號可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖抑制肥大軟骨細(xì)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(diào)控軟骨細(xì)胞增殖和肥大化以及肥大軟骨細(xì)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(jī)制還不清楚但不會是簡單的抑制配體表達(dá)因為眩可以增加的表達(dá)而可以增加的表達(dá)舊。軟骨發(fā)育過程中信號還與信號相互調(diào)控形成一個正反饋循環(huán)見圖。軟骨中過量表達(dá)可以增加軟骨膜中、和的表達(dá)其中刪和腳的啟動子可以直接被介導(dǎo)信號的轉(zhuǎn)錄因子所活化因此至少有一部分信號是由直接調(diào)控的。另一方面信號可以增加的表達(dá)的拮抗劑則抑制的表達(dá)生化分析表明眈的啟動子含有多個結(jié)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(fā)育既有各自獨立的調(diào)控作用又通過相互影響發(fā)揮間接調(diào)控的作用。展望軟骨生長板的發(fā)育受到多種信號分子的調(diào)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(zhì)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(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子等問題還有待進(jìn)一步的研究。最近的全基因組關(guān)聯(lián)分析識別出多個與人的身高相關(guān)的基因∽其中一些基因的作用機(jī)制是已知的例如信號通路的調(diào)控因子另外一些基因在骨骼發(fā)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(diào)控之中將為生長板的分子機(jī)制研究開拓新的方向。參考文獻(xiàn)啦妒秈?？Йⅹ—┇～Ｓ—Λ＋ǐ～Й～Κ撰┇︿Й＋┇ā蔼ｖ芦ǐ＊＋┇í┇í┆倡掾莫＋q唧砒酷?！酹霆ǐ—岖传ΛΥ～勃瑾妾猹í＊麆h越叩—印枷“蚰州∞”磁萬方數(shù)據(jù)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.