组蛋白修饰在成骨细胞中的调控作用_邝小华.pdf

第 42 卷 第 12 期2022 年 12 月Vol.42 NO.12DEC.2022赣南医学院学报JOURNAL OF GANNAN MEDICAL UNIVERSITY投稿网址：http：/组蛋白修饰在成骨细胞中的调控作用邝小华1，赖仲宏2，刘午阳2（1.寻乌县人民医院骨科；2.赣南医学院第一附属医院骨科，江西 赣州 341000）摘 要：成骨细胞由骨膜和骨髓中的间充质干细胞分化而来，对骨的形成和重建过程至关重要，它的功能失调与多种骨骼疾病相关，如骨质疏松症、骨折愈合延迟、脆骨症和骨石化症等。成骨细胞的分化受多种因素调控，其中组蛋白修饰的作用不容忽视。组蛋白修饰是在修饰酶的催化下，组蛋白尾部的甲基、乙酰基、磷酸基团、泛素和糖基等的加成，重塑染色质的结构，暴露或隐藏基因启动子，调节基因转录。挖掘成骨细胞分化的细胞和分子机制对于理解和调控骨代谢的发展有重要意义，组蛋白修饰重编程可能成为治疗骨骼疾病的潜在手段，但在提高安全有效性和选择性上仍然存在巨大的挑战。关键词：成骨细胞；组蛋白甲基化；组蛋白乙酰化中图分类号：R34 文献标志码：A 文章编号：1001-5779（2022）12-1330-05 DOI:10.3969/j.issn.1001-5779.2022.12.020Regulation of histone modifications in osteoblastsKUANG Xiao-hua1，LAI Zhong-hong2，LIU Wu-yang2（1.Department of Orthopedics，Peoples Hospital of Xunwu County；2.Department of Orthopedics，The First Affiliated Hospital of Gannan Medical University，Ganzhou，Jiangxi 341000）Abstract :Osteoblasts differentiate from mesenchymal stem cells in the periosteum and bone marrow.Theyare essential for the process of bone formation and reconstruction.Its dysfunction is associated with a variety of bone diseases，such as osteoporosis，delayed fracture healing，osteopathy and osteopetrosis.The differentiation of osteoblasts is regulated by a variety of factors，among which the role of histone modification cannot be ignored.Under the catalysis of the modified enzymes，the tail of the histone undergoes methylation，acetylation，phosphorylation，ubiquitination and glycosylation，resulting in structural changes in chromatin and exposing or hiding gene promoters，regulating gene transcription.Exploring the cellular and molecular mechanisms of osteoblast differentiation is important for understanding and regulating the development of bone metabolism.Histone modification reprogramming may become a potential means of treating bone diseases.However，there are still big challenges in improving safety and effectiveness，and in selectivity.Key words :Osteoblast；Histone methylation；Histone acetylation骨是一种动态组织，通过骨形成和骨吸收不断进行重塑。负责骨形成的是成骨细胞，它源于骨间充质干细胞（Bone mesenchymal stem cells，BMSCs），其分化和矿化受多种细胞因子和生长因子的调控。越来越多的研究发现组蛋白修饰和成骨细胞分化密切相关。组蛋白存在于真核生物的细胞核中，与DNA组成核小体，是染色质的基本结构。每一个核小体都是由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子组成核心八聚体，外面缠绕着长147个碱基对的DNA，在核心八聚体之间由长60个碱基对的DNA连接，该处DNA再连接一个单体组蛋白H11。组蛋白修饰一般发生在H3和H4的尾部，在酶促反应下进行动态修饰，包括甲基化和去甲基化、乙酰化和去乙酰化、磷酸化和去磷酸化等，导致染色质重构和基因启动子的暴露或隐藏，影响基因转录2。本文对组蛋白修饰在成骨细胞分化中的作用进行综述，希作者简介：邝小华，男，学士，主治医师，研究方向：股骨头坏死、骨质疏松的诊疗。E-mail：通信作者：刘午阳，男，硕士，副教授，硕士生导师，研究方向：股骨头坏死、脊柱退行性变、骨质疏松的诊疗。E-mail： 133012 期邝小华，等 组蛋白修饰在成骨细胞中的调控作用投稿网址：http：/望为确定相关骨骼疾病的治疗靶点和研发药物提供理论基础。1 成骨细胞分化的分子调控 BMSCs是一种常见的前体细胞，具有自我更新和分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞的潜能。BMSCs的分化受多种信号的调控（图1），包括经典Wnt信号、转化生长因子-、骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）以及一些关键转录因子，如 RUNX2、osterix、CCAAT 增 强 子 结 合 蛋 白（CCAAT enhancer binding protein，C/EBP）和过氧化物酶体增殖物激活受体，这些信号都是BMSCs分化为前成骨细胞所必需的3。MSH Homeobox2（MSX2）、碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，AKP）和型胶原1（Collagen type I 1，COL1A1）表达增加标志着前成骨细胞形成4。Osterix在成骨细胞分化全程都发挥了不可替代的作用。Osterix通过激活骨唾液酸蛋白（Bone sialoprotein，BSP）和骨钙素（Osteocalcin，OC）基因以及上调COL1A1来触发前成骨细胞分化为成骨细胞，并进一步诱导 SOST、DMP1和PHEX的表达，为最终形成骨细胞和矿化提供物质基础5。2 组蛋白修饰对成骨细胞的调控 2.1组蛋白甲基化对成骨细胞的调控 组蛋白甲基化可以发生在赖氨酸和精氨酸残基上，在甲基转移酶的作用下，增加一个、两个或三个甲基的过程。不同位点的氨基酸甲基化有不同的特性，H3K4、H3H36、H3K79 的甲基化松解染色质的状态，转录活跃，而H3K9和H3K27的甲基化使染色质更加浓缩，转录沉默6。另外，高的甲基化水平功能改变更显著。组蛋白甲基转移酶根据催化结构域序列，可分为SET结构域和非SET结构域。SET结构域是组蛋白甲基转移酶的重要结构域，诱导它们的酶促活性，包括SET家族、SUV家族、EZH2等。研究表明7，SETD2可介导其靶基因脂多糖结合蛋白的H3K36me3的富集，维持其染色质的活跃状态，积极进行转录起始和延长，在体内外调节BMSCs向成骨细胞转化。这意味着SETD2及其下游靶基因可能成为代谢性骨病的有效靶点。EZH2基因编码的是一种赖氨酸甲基转移酶，抑制EZH2的活性后发现H3K27me3的高甲基化水平得到了控制，进而刺激成骨细胞成熟，并使用抑制剂GSK126进行了验证8。EZH2 抑制成骨的关键是 BMP2 信号的中断，并且EZH2抑制剂和BMP2的联合治疗可刺激BMSCs的成骨分化，同时减少BMP2单独使用的高成本和不良反应问题9。因此表观遗传调控和骨合成药物的协同应用可作为改善骨生成的治疗策略。2.2组蛋白去甲基化 组蛋白去甲基化是氨基酸残基上的甲基在去甲基酶的催化下脱落的过程。去甲基酶包含赖氨酸特异性脱甲基酶（Lysine-specific demethylase，LSD）和 JMJD 家 族 两 大 类。LSD1是单胺氧化酶，利用FAD依赖机制使H3K4和H3K9去甲基化10。LSD1在成骨细胞中高表达，其抑制会损害成骨分化和骨结节形成。在机制上，LSD1与RUNX2的启动子结合，保持H3K4低甲基化水平，是正常成骨分化所必需的10。JMJD家族蛋白可选择多种底物，但又有特异性，不同的成员可以催化不同的赖氨酸残基去甲基化。JMJD3可以特异性催化H3K27me3的去甲基化，一方面通过降低抗凋亡蛋白Bcl-2的甲基化水平，激活Bcl-2的转录而减少成骨细胞凋亡，另一方面催化RUNX2和osterix启动子区H3K27me3的去甲基化，增强其转录活性，诱导成骨细胞分化；另外，研究还发现，敲低JMJD3图1成骨细胞的分化过程 13312022 年赣 南 医 学 院 学 报投稿网址：http：/后蛋白激酶D1减少，使促凋亡蛋白Bim的磷酸化程度下降，并增加其活性，促进成骨细胞凋亡11-12。KDM4A和KDM7A是新型的成骨细胞分化的去甲基化因子，它们都可与分泌性卷曲相关蛋白4（Secreted frizzled related protein 4，SFRP4）、C/EBP的启动子结 合，并 分 别 靶 向 去 除 H3K9me3 和 H3K9me2、H3K27me2的甲基化，进而上调其表达，另外还能中断经典 Wnt 信号传导，以促进脂肪生成和抑制成骨3，13。这些发现可能有助于为骨质疏松症等代谢性骨病提供新的治疗线索。2.3组蛋白乙酰化 组蛋白乙酰化是组蛋白尾部N-端的赖氨酸残基进行乙酰基的加成，这一反应由组蛋白乙酰转移酶催化。乙酰化去除了赖氨酸残基上的正电荷，降低了组蛋白与 DNA 之间的亲和力，从而打开了浓缩的染色质结构，有利于暴露基因启动子，并且允许转录因子和RNA聚合酶进入DNA，促进基因表达6。赖氨酸乙酰转移酶包括P300/CBP、PCAF/GCN5和myst基团。甲状旁腺激素（Parathyroid hormone，PTH）参与调节骨重塑和钙稳态相关基因的转录。在PTH的刺激下，蛋白激酶A被激活，导致基质金属蛋白酶-13（Matrix metalloproteinase-13，MMP13）的启动子RD/Runt位点的RUNX2蛋白磷酸化，进而大量募集P300，随后MMP13的组蛋白H4和H3相继发生乙酰化，促进基因转录14-15。MMP13的表达主要局限在骨骼发育和重塑区域，参与正常骨生长发育和细胞外基质的降解等。另外，TGF-1也具有和PTH相同的作用机制16。因此，刺激PTH和TGF-1的分泌，改变组蛋白的乙酰化修饰以促进基因表达可能是诱导骨生长的潜在手段。2.4组蛋白去乙酰化 组蛋白去乙酰化则是在组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase，HDAC）的作用下使乙酰基脱落，导致染色质呈现压缩状态，降低启动子活性，沉默基因表达，这一过程也参与调控成骨细胞分化。HDAC家族根据结构、酶活性、在细胞中的位置以及与酵母的序列同源性分为四类：类HDAC（HDAC1，2，3，8）、类HDAC（HDAC4，5，6，7，9，10）、类 HDAC（Sirtuin1-7）、类 HD