I型胶原蛋白对骨矿化机制的影响

梁文娜 叶蕻芝廖凌虹 张凌媛 沈建英 陈淑娇 丁珊珊

(福建中医药大学中医证研究基地，福建 福州 350108)

I型胶原蛋白对骨矿化机制的影响

梁文娜 叶蕻芝1廖凌虹 张凌媛 沈建英 陈淑娇 丁珊珊

(福建中医药大学中医证研究基地，福建 福州 350108)

骨质疏松;I型胶原蛋白;骨矿化

骨质疏松(OP)是以低骨量和骨组织显微结构退变为特征的一种全身性骨骼疾病，伴有骨脆性增加，易于发生骨折。骨强度的问题是引起OP骨折危险性增加重要因素之一，骨强度反映骨骼的两个主要方面是骨矿密度和骨质量。骨的“质”和“量”共同决定着骨的强度，恢复骨质量，改善骨生物力学性能是当前研究骨损伤修复的热点问题。骨的胶原成分是骨质量的重要决定因素之一，本文探讨骨基质内Ⅰ型胶原蛋白结构、含量及稳定性的异常对骨微结构的退变和生物力学特性异常的影响，旨在阐述Ⅰ型胶原蛋白与OP的相关性。

1 Ⅰ型胶原蛋白的生物学效应

骨是一种结缔组织，除有支持和保护功能外，还有储存钙和磷酸盐的作用。骨具有结缔组织的共同特点，含有基质、纤维和细胞。Ⅰ型胶原蛋白是骨细胞外基质的主要成分，能够引导钙盐沉积、矿化，并作为沉积的模板，形成羟基磷灰石晶体〔1〕，决定骨的可塑性，也显著影响骨质量。良好的骨生物力学性能取决于骨骼内矿化骨量的多少和骨基质所构成的空间结构的生物适应性，Ⅰ型胶原蛋白非常重要。研究表明Ⅰ型胶原结构、含量及稳定性的异常直接关系到骨微结构的退变和生物力学特性的异常〔2，3〕。Ⅰ型胶原蛋白分子间交联的形式构建了胶原纤维的有序排列和结构完整，为钙磷灰盐结晶的沉积创造了良好的微环境，因此骨矿化功能的正常也取决于胶原分子间的良好交联形式〔4〕。总之，Ⅰ型胶原纤维不仅为骨矿化提供基本结构场所、保证了骨骼的韧性，还在骨细胞的发育、分化和活性调节等方面起重要作用，胶原结构和数量的改变可致骨细胞发育、分化和功能的异常，进而改变骨的结构和性能。

1.1 Ⅰ型胶原蛋白的结构 胶原蛋白是一个庞大的家族，种类繁多，结构高度复杂，从分子结构、超分子结构，再到组织分布和功能，具有显著的多样性。尽管如此，胶原蛋白的基本组成却是大同小异，在氨基酸序列上都含有(Gly-X-Y)n重复序列，这些重复序列是构成三聚体的结构基础，其中X通常为Pro，Y通常为Hy-Pm或Hy-Lys。Ⅰ型原胶原蛋白，即Ⅰ型胶原蛋白的前体，比Ⅰ型胶原蛋白在结构上多2个末端前肽结构(C-前肽与N-前肽)。Ⅰ型原胶原蛋白具有胶原蛋白家族中所有原胶原蛋白的典型特征:首先含有一段具有(Gly-X-Y)n重复序列的三聚体结构，在N端与C端的2个前肽形成非螺旋的结构域(NC结构域)，位于(Gly-X-Y)n重复序列两侧，NC结构域再进一步形成球状结构〔5〕。折叠好的Ⅰ型原胶原蛋白是异源三聚体的结构，即由2条α1链与1条α2链交互缠绕所形成，胶原三聚体有很高的抗拉强度。Ⅰ型原胶原蛋白分泌到胞外基质中后，经过蛋白酶的剪切除去C-前肽与N-前肽，就形成了成熟的胶原蛋白。成熟的胶原蛋白能自我组装成高度有序的结构——胶原纤维〔6〕。

胶原蛋白基因COLIA1与COLIA2是两条编码Ⅰ型胶原蛋白三螺旋结构的基因，也是重要骨量调节基因。COLIA1基因长约18 kb，位于 17q 21.3-q22，COLIA2 基因长 38 kb，位于7q21.3-q22.1，分别由51 个和 52 个外显子构成〔7～9〕。COLI在成骨细胞生长的整个过程中均起重要的作用，COLI通过其受体整合素α2β1对成骨细胞发挥促分化和促细胞间的黏附作用，促进成骨细胞发生分化，增强其成骨能力〔10〕。胶原蛋白基因突变可导致Ⅰ型胶原α1和α2链氨基酸排列顺序改变，影响Ⅰ型胶原细胞内和细胞外翻译后修饰活动的改变，从而引起骨基质矿化的异常。同时遗传学的研究发现，Ⅰ型胶原蛋白基因是调节骨量的强有力的候选基因，对早期预测低骨量和骨折危险性具有重要意义〔11〕。由此可见，如何调控骨内Ⅰ型胶原代谢和基质矿化的作用机制，是研究骨重建修复领域需要迫切解决的关键问题。

1.2 合成Ⅰ型胶原蛋白的调控机制 胶原纤维并非在细胞内形成后再分泌出来，而是在细胞内先合成前胶原，再分泌到细胞外进一步转变聚合成胶原纤维。胶原的合成步骤包括基因转录、翻译、翻译后修饰(羟基化和糖基化)形成α肽链，每个前胶原分子都是由三条α链形成三联螺旋状构型的纤维状蛋白质，即胶原的基本单位——前胶原，经微管排泌到细胞外切去N端和C端肽后相可交联形成胶原纤维或网格状结构。

“羟基化”是胶原蛋白转录后的修饰特点，通过脯氨酸或赖氨酸羟化酶使脯氨酸或赖氨酸残基加上羟基。羟脯氨酸羟基通过分子间氢键起稳定胶原螺旋结构的作用;羟赖氨酸羟基则提供糖类分子的附着位点，并在胶原分泌至胞外后，通过赖氨酸氧化酶在羟赖氨酸、赖氨酸之间醛基缩合，发挥稳定胶原分子间交连的作用。在Ⅰ型胶原蛋白分子的合成涉及一系列复杂的翻译后修饰，在赖氨酸羟化酶(LH)作用下的赖氨酸残基的羟化决定了原胶原分子间的交联形式，使得广泛存在于机体的Ⅰ型胶原蛋白家族具有不同的组织特异性，如骨胶原主要以羟赖氨酸醛化途径为主，软组织的胶原则主要以赖氨酸醛化途径为主，同时还保证了胶原纤维的有序排列和结构的完整。LH功能的异常或缺陷可导致Ⅰ型胶原分子合成障碍，如过度羟化可导致人和动物的骨基质矿化障碍，出现典型的OP或成骨不全。研究表明Ⅰ型胶原的形成与LH密切相关，在人、大鼠和小鼠体内克隆出 LH 的三种异构体，即 LH1，LH2 和 LH3〔12，13〕。其中LH1是催化胶原分子螺旋结构区域醛化的主要酶类，LH2则主要是催化胶原分子端肽部位羟赖氨酸醛化的主要酶类，而端肽区域的羟赖氨酸醛化是决定胶原分子交联形式的关键。研究表明LH2b是LH存在于MC3T3-E1细胞内的主要形式，当LH2b过度表达时，增加双羟赖己氨酸/羟赖己氨酸的比值和吡啶啉，促进交联间羟赖氨酸的过度醛化，影响胶原分子交联的形式〔14，15〕。综上所述，LH又是一种可调节酶，通过外加干预因素可调控LH的生物效应，可以实现对Ⅰ型胶原蛋白合成的调节。因此，提出以Ⅰ型胶原蛋白为“靶点”，优化Ⅰ型胶原蛋白调控骨代谢的方法来防治OP的新思路。

2 Ⅰ型胶原蛋白影响骨矿化的作用机制

Ⅰ型胶原蛋白为生物体提供了一种机械支撑作用，维护器官与组织的完整性，维持其正常的功能。Ⅰ型胶原蛋白具有形成和保持骨架完整性的作用，在形成特定的细胞外微环境中也起到主要作用，而这些微环境对于维持细胞的完整性及传递细胞外信号非常关键〔16〕。

Ⅰ型胶原蛋白除有生物力学作用以外，还有确立细胞形状及行为的信号分子、在细胞分化与发育中起重要作用。Ⅰ型胶原蛋白分子还可以通过整合素、盘蛋白结构域受体、糖蛋白等跨膜受体向细胞内传递不断变化的外源刺激信号，从而起到信号分子的作用〔17〕，与此同时，胶原蛋白还具有信号“中转站”的功能，能够截留、贮存、运输生长因子，从而在器官发育、伤口愈合和组织修复等过程中充当重要角色。骨质疏松性骨折是骨结构的退变所造成的病理改变，可能是由于Ⅰ型胶原蛋白基因表达异常，胶原蛋白分子间交联形式、排列改变所造成成骨异常。成骨作用包含胶原的合成和骨基质的矿化，骨基质的矿化主要由局部的生长因子来调控，其中转化生长因子(TGF-β)是耦合骨吸收与骨形成的调节剂，可抑制新破骨细胞的形成，并诱导破骨细胞程序性死亡，可增加成骨细胞的增殖及Ⅰ型胶原蛋白的合成，同时可刺激几种骨基质蛋白的产生，如纤维结合蛋白、蛋白聚糖和骨黏连素等，从而促进骨基质矿化的作用〔18，19〕。

TGF-β是一族多功能细胞调节蛋白，在骨基质内含量最丰富的生长因子，是成骨细胞与破骨细胞之间相互耦联的调节因子之一。人类TGF-β基因位于染色体19q13，由7个外显子组成，富含GC和Ap2序列，基因水平的调节是通过Ap2启动子的激活来实现的。TGF-β发挥生物学作用的途径是 TGF-β-Smad信号途径〔20～22〕，其能影响成骨细胞分化基因的表达，最终影响Ⅰ型胶原蛋白的矿化。研究表明TGF-β能增强Ⅰ型原胶原蛋白的生物合成，在组织修复的病理生理过程中发挥关键作用，Ⅰ型胶原蛋白能结合核心蛋白聚糖，间接阻断TGF-β可能是正常组织的一种反馈调节作用。因此，可以利用现代基因分子生物学技术，有效地调控由局部的生长因子的生物学效应，干预Ⅰ型胶原蛋白的矿化过程，从而有效的提高骨质量，改善骨的生物力学性能。

3 Ⅰ型胶原蛋白的研究前景

OP是一种多因素疾病，人体骨量既受遗传因素影响，同时还受到体内激素水平、钙摄入量、体力活动水平等环境因素的影响。随着世界人口老龄化，OP已成为一个世界性的公共健康问题，由OP导致的骨痛和病理性骨折严重影响着老龄人群的生活质量。因此，提高骨质量了来改善骨骼的力学强度、减少骨折的发生，延缓OP的进展是目前研究的热点之一。骨骼的强度不等同于骨量，强度是从整体上评估力学性能，除骨量外骨骼的强度还受到骨小梁的空间结构、骨矿盐的分布等微观结构形态学的因素影响。骨的微观结构形态主要是由Ⅰ型胶原蛋白分子间的良好交联形式决定，因此如何有效调控Ⅰ型胶原代谢与骨基质的矿化，提高骨质量和纠正失衡的骨转换状态，在一定程度上可以延缓和修复骨结构的破坏，将为OP的防治开辟一个新的视角。

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〔2011-01-24收稿 2011-04-10修回〕

(编辑 曹梦园)

R681

A

1005-9202(2012)17-3840-03;

10.3969/j.issn.1005-9202.2012.17.126

福建省自然科学基金(No.2009J01172)

1 福建中医药大学中西医结合研究院

叶蕻芝(1968-)，女，副研究员，硕士生导师，主要从事中药防治骨性关节炎的物质基础研究。

梁文娜(1979-)，女，讲师，博士，主要从事内分泌病证研究。