PI3K/Akt相关信号通路调节成骨细胞生长的研究进展

PI3K/Akt 相关信号通路调节成骨细胞生长的研究进展

赵秋玥 1，王鹏志 1，李盛华 2*

1. 甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050

摘要：研究证实PI3K/Akt信号通路在调控成骨细胞、破骨细胞的骨代谢中发挥着重要作用，对维持人体骨稳态具有一定的意义。本文拟探讨该信号通路在成骨细胞分化、破骨细胞凋亡中的作用，并探析以miRNA为代表的非编码RNA在PI3K/AKt信号通路中调控骨代谢的作用机制，以期为骨代谢相关疾病的防治提供理论依据。

关键词：PI3K/Akt信号通路；骨代谢；成骨细胞；破骨细胞

中图分类号：Q71 文献标识码：A

Advances in The Study of PI3K/Akt-related Signaling Pathways to Regulate Osteoblasts Growth

（1.Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China；Gansu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730050, China.）

Abstract: The study confirms that the PI3K/Akt signaling pathway plays an important role in regulating bone metabolism of bone cells and bone-breaking cells, which is of some significance in maintaining the steady state of human bone. In this paper, the role of this signaling pathway in bone-forming cell differentiation and bone-breaking apoptosis is explored, and the mechanism of regulating bone metabolism in the PI3K/AKt signaling pathway represented by miRNA is explored, with a view to providing theoretical basis for the prevention and treatment of bone metabolism-related diseases.

Key words: PI3K/Akt signaling pathways; bone metabolism; osteoblasts; osteoclast

成骨细胞（osteoblast，OB）起源于间充质干细胞（marrow mesenchymal stem cells，MSCs）。而间充质干细胞在充足的条件下可以分化成许多谱系,包括骨骼、脂肪、肌肉和软骨^[1,2]。这种分配取决于多种信号网络的转录因子的激活或抑制。近年来关于骨形成过程的相关信号通路作用及机制一直是研究的热点和焦点。其中，PI3K/Akt信号通路因为在细胞增殖、分化、转运、新陈代谢、凋亡等众多功能中发挥着重要作用^[3]，更是广受关注。近年的许多研究表明，该信号通路广泛参与调控OB和破骨细胞（osteoclast，OC）的生成、凋亡，并与多种信号之间存在联系。骨代谢过程中，OB和OC通过调节骨的形成与再吸收过程，共同协调参与骨的改造^[4]。

故本文将从该信号通路在骨代谢疾病中的作用机制及研究现状做一探讨总结，以为骨代谢相关疾病的研究提供思路。

经典的PI3K信号通路主要由PI3K家族，PIP3，PTEN基因，Akt等组成^[5]。PI3K是一种重要的脂质激酶，参与调控细胞的多种功能，包括增殖、存活及响应配体激活的积极性。PIP3作为这条通路中重要的第二信使参与该通路的激活^[6]。PTEN基因通过对激活PI3K信号后产生的PIP3去磷酸化，并且可以通过降低活化的Akt水平，阻止Akt下游信号传导^[5]，从而抑制PI3K信号通路的激活，是这条通路重要的拮抗基因。而Akt在PIP3产生后与之结合并被激活，激活后的Akt进一步通过磷酸化下游的多种激酶调节细胞的功能^[7]。PTEN对该信号通路的抑制作用和Akt对下游通路及因子的调节在骨代谢过程中共同发挥作用。但在骨平衡的调节过程中，究竟以何种方式为主导还待后来研究者们进一步研究发掘。

1. P13K信号通路介导OB的生长

近年来对于PI3K信号通路的基因研究提示Akt以及其下游靶标是软骨内骨化过程的关键调节器。譬如，在一项实验中，对Akt1和Akt2基因双敲除的小鼠表现出了骨化延迟

^[8]，并且敲除Akt1的小鼠的骨骼更短，第二骨化中心发育迟缓^[9]。Akt也被证实可以通过调节FOXO家族的FOXO3来影响骨骼和OB的生成^[10，11]。此外Akt也可以与骨形态遗传蛋白协同，介导间充质干细胞的成骨分化^[12,13]。

Ford等人^[14]使用Col2a1表达的cre小鼠与敲除骨与软骨祖细胞上PTEN基因的小鼠进行杂交，产生的后代小鼠表现出骺板不规则生长，基质过度生长，并且初级松质骨的OB和骺板软骨细胞Akt和S6K活性增高。这些研究均证实：这条经典通路的激活，对OB的生成以及骨的生成起到促进作用^[15]。

现有的研究多是关注PI3K及下游Akt通路及分子对OB生成作用，但是在这条通路上的PIP3作为重要信使，是否直接或间接参与OB与骨组织的生成，并未找到相关的实验和文献支持。而关于激活PI3K的上游通路，亦缺少研究探讨。

2.Akt及其下游激酶影响OB生长

2.1Akt-mTOR信号通路促进MSCs向OB分化

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）被证实在骨形成过程中起到重要作用^[16,17]， Akt通过对mTOR的磷酸化来调控这一信号通路的表达^[18]。胰岛素样生长因子（IGF1）也可以促进骨骼合成，而这一作用就是通过激活Akt-mTOR通路，增强OB中的mRNA转化率，提高相关蛋白的表达来实现的^[19]。除此之外，已知OB中血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factorr，VEGF）的表达增加可促进骨形成和修复。而大量研究表明，VEGF结合受体在内皮细胞中激活了PI3K/Akt/mTOR这条通路^[20]，活化的PI3K/AKT/mTOR信号通路可能通过上调低氧诱导因子（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）以增加VEGF的表达^[20-22]。此外有研究表明，红细胞生成素（erythropoietin，Epo）对于骨髓间充质干细胞向OB的分化有一定影响^[23]，进一步的研究更是揭示，这一作用是直接通过PI3K/Akt/mTOR通路调控：Epo直接诱导人间充质干细胞向OB分化，而mTOR通过抑制雷帕霉素对OB分化的抑制作用来促进这一过程^[24，25]。这些证据均进一步提示，在PI3K/Akt/mTOR这一信号通路上，激活的mTOR可以对OB的生成以及骨形成起到积极作用。

2.2Akt/GSK3β/Wnt/β-catenin信号通路提高OB活性，促进骨生成

糖原合成酶激酶-3β（(glycogen synthase kinase-3，GSK3β）是Akt信号的下游激酶之一，它同时还参与Wnt/β-catenin信号通路促进OB生成^[26]。一项实验表明，PI3K-Akt-GSK3β途径通过稳定β-连环蛋白（β-catenin，β-cat）进入细胞核，促进OB生成，在骨髓间充质干细胞的成骨分化中起着重要作用^[27]。氟化物被证实可以刺激OB的分化，提高OB活性^[28]。LeileiPan等人的实验发现氟化物在初代大鼠OB中，是通过Akt-GSK3β依赖的Wnt/β-catenin信号通路激活促进OB分化的。这为氟化物在OB形成中的作用机制提供了新的见解^[29]。Akt作为GSK3β和β-catenin的上游激酶也可以直接通过这两条通路促进骨生成^[30]。Wnt/β-catenin信号通路被证实可以促进OB的增殖、分化^[31,32]，对于Akt/GSK3β/Wnt/β-catenin信号通路提高OB活性、促进骨生成的具体作用以何种为主导，还需要进一步研究证实和完善。

2.3Akt通过FOXO家族主导的信号通路抑制OB的增殖分化

Forkhead转录因子FOXO1(或FKHR)调节多种细胞功能基因的表达，包括凋亡、DNA修复和细胞周期的停滞和葡萄糖代谢等，Akt也被发现可以通过调节FOXO1、FOXO3来影响骨形成和OB的生存^[33]。Akt磷酸化FOXO1，通过抑制其核转位过程阻止其转录激活作用^[34]。FOXO1 和 FOXO3 通过负调节骨钙素2 (R-hydroxy glutamic acid protein，Bglap2) 和 转录激活因子4（activating transcription factor ，ATF4） 等关键OB基因的转录表达, 在骨发育中发挥着重要作用^[35]。Ambrogini等人^[36]证实FOXO3是骨组织主要表达的因子，并且过表达时骨量增加。更有实验证实，Akt/FOXO3a信号通路可以增强非甾体类抗炎药物对人OB增殖的抑制作用，延迟骨骼修复^[37]。由于FOXO家族存在的因子众多，主流观点认为主要是FOXO1和FOXO3参与信号通路调控，影响骨的生成。我们可以认为Akt通过FOXO家族介导的信号通路，对OB的增殖和分化起到抑制作用。

2.4Runx2通过PI3K/Akt信号通路促进OB的分化和迁移

Runt相关转录因子2（Runt-related transcription factor 2 ，Runx2）作为骨形成作用中的重要因子，已被证明能诱导碱性磷酸酶 (ALP) 活性、上调骨基质蛋白基因的表达，促进未成熟的间充质细胞和OB的矿化^[38]。Takashi Fujita等人^[39]通过实验进一步揭示了Runx2 和 PI3K-Akt 信号通路在OB和软骨细胞分化及其迁移过程中的相关性：Runx2 通过提高PI3K亚基和 Akt 的蛋白水平来增强PI3K-Akt信号，而 PI3K-Akt信号增强促进了Runx2 与Runx2 依赖性转录的DNA结合。这种正反馈循环进一步增强了OB和软骨细胞分化和迁移过程中Runx2的活性。Runx2与PI3K-Akt信号通路在这一过程中，其作用是相互依存并相互促进的。

3.miRNA通过调节PI3K/Akt信号通路抑制或增强OB活性

研究者发现与成骨相关的一类重要miRNA——miR-214就是直接通过PI3K/Akt信号通路上的PTEN基因发挥作用的^[40]。在一类特异性OC miR-214转基因小鼠的体内实验中，小鼠PTEN基因表达水平下调，OC活性增高，小鼠骨密度降低^[40]。未来对miRNA调节PTEN基因表达的机制研究或可能将成为促进骨生长、治疗骨代谢相关疾病的一个重要方向。

Chi Yang等人发现miRNA-21在体外试验中可以促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的迁移和成骨分化，在进一步的分析后，发现miRNA-21促进骨髓间充质干细胞的成骨分化作用是通过激活PTEN/PI3K/Akt/HIF-1α 信号通路来促进骨生成的^[41,42]。随着研究者对于以miRNA为代表的非编码RNA调控疾病机制进一步研究，可能会发现更多与PI3K/Akt信号通路相关的非编码RNA，为相关疾病的诊疗提供新思路。

4.总结

大量实验证实PI3K/Akt信号通路参与了OB生成和骨代谢过程，通过促进OB生成，降低OC的活性，以促进骨生长和骨修复。如果可以通过后续实验完成对其精准调控，或许会对骨代谢相关疾病的防治起到积极作用。但是，OB的生成以及骨骼形成过程是由众多因子、多种通路共同参与完成的。在这一过程中，PI3K/Akt信号通路与其他通路的相互作用关系还需要进一步明确；PI3K信号通路上游的激活途径和该途径对于OB及骨生长的调节机制也缺少基础研究，且这一通路调控机制复杂，具体是由哪种信号调控机制起到主导作用，或以何种方式参与促进骨生成过程，尚待进一步研究完善。除此之外，目前的研究多数仅停留在动物实验和体外实验层面，这条通路在人体的具体调节作用及机制也需要后来的研究者进一步证实完善。

参考文献(References)：

1. Renn J, Winkler C. Osterix -mCherry transgenic medaka for in vivo imaging of bone formation[J]. Developmental Dynamics, 2010, 238(1):241-248.

2. Kronenberg H M. Developmental regulation of the growth plate.[J]. Nature, 2003, 423(6937):332-6.

3. Kang S , Zhao L . Oncogenic PI3K deregulates transcription and translation.[J]. Nature Reviews Cancer, 2005, 5(12):921-9.

4. 付志斌, 李盛华, 周明旺等。非创伤性股骨头坏死相关信号通路研究进展[J]. ( FU Zhi-bin, LI Sheng-hua, ZHOU Ming-wang,et al. Advances in the study of signaling pathways related to non-traumatic femoral necrosis. [J]. Chinese Journal of Osteoporosis/Zhongguo Guzhi Shusong Zazhi 23.4 (2017).) 中国骨质疏松杂志, 2017, 23(4):555-560.

5. Rodriguezviciana P , Warne P H , Dhand R, et al. Phosphatidylinositol-3-OH kinase as a direct target of Ras.[J]. Nature, 1994, 370(6490):527-32.

6. Toker A .Signalling through the lipid products of phosphoinositide-3-OH kinase[J]. Nature, 1997, 387.

7. Calleja, Véronique, et al. "Intramolecular and intermolecular interactions of protein kinase B define its activation in vivo." PLoS biology 5.4 (2007): e95.

8. Peng, X.-d. Dwarfism, impaired skin development, skeletal muscle atrophy, delayed bone development, and impeded adipogenesis in mice lacking Akt1 and Akt2[J]. Genes & Development, 2003, 17(>11):1352-1365.

9. Ulici V, Hoenselaar KD, Agoston H, et al. The role of Akt1 in terminal stages of endochondral bone formation: Angiogenesis and ossification[J]. Bone, 2009, 45(6):1133-1145.

10. Kawamura N, Kugimiya F, Oshima Y, et al. Akt1 in osteoblasts and osteoclasts controls bone remodeling[J]. Plos One, 2006, 2(10):e1058.

11. Ran Di,Liu Wei,Ma Yonggang et al. Role of calcium-sensing receptor in cadmium-induced apoptosis of rat primary osteoblasts in vitro.[J] .Toxicol In Vitro, 2020, 67: 104923.

12. Mukherjee A , Wilson E M , Rotwein P. Selective Signaling by Akt2 Promotes Bone Morphogenetic Protein 2-Mediated Osteoblast Differentiation[J]. Molecular and Cellular Biology, 2010, 30(4):1018-1027.

13. Ghosh-Choudhury, N. Requirement of BMP-2-induced Phosphatidylinositol 3-Kinase and Akt Serine/Threonine Kinase in Osteoblast Differentiation and Smad-dependent BMP-2 Gene Transcription[J]. Journal of Biological Chemistry, 2002, 277(36):33361-33368.

14. Ford‐Hutchinson, Alice Fiona, Ali Z, et al. Inactivation of Pten in Osteo‐Chondroprogenitor Cells Leads to Epiphyseal Growth Plate Abnormalities and Skeletal Overgrowth[J]. Journal of Bone & Mineral Research, 2010, 22(8):1245-1259.

15. Ying, Yukang, Jun Luo. Salidroside promotes human periodontal ligament cell proliferation and osteocalcin secretion via ERK1/2 and PI3K/Akt signaling pathways. Experimental and therapeutic medicine 15.6 (2018): 5041-5045.

16. Yang Y H , Chen K , Li B , et al. Estradiol inhibits osteoblast apoptosis via promotion of autophagy through the ER–ERK–mTOR pathway[J]. Apoptosis, 2013, 18(11):1363-1375.

17. Chen J, Long F. mTORC1 Signaling Promotes Osteoblast Differentiation from Preosteoblasts[J]. Biomaterials, 2002, 23(21):4193-4202.

18. Keller T ,Cantley L , Whitman M , et al. Type I phosphatidylinositol kinase makes a novel inositol phospholipid, phosphatidylinositol-3-phosphate[J]. Nature, 1988, 332(6165):644-646.

19. Bakker A D ,Gakes T , Hogervorst J M A , et al. Mechanical Stimulation and IGF-1 Enhance mRNA Translation Rate in Osteoblasts Via Activation of the AKT-mTOR Pathway[J]. Journal of Cellular Physiology, 2016, 231(6):1283-1290.

20. KararJ ,Maity A . PI3K/AKT/mTOR Pathway in Angiogenesis[J]. Frontiers in Molecular Neuroscience, 2011, 4.

21. Jiang B H , Jiang G , Zheng J Z , et al. Phosphatidylinositol 3-kinase signaling controls levels of hypoxia-inducible factor 1.[J]. Cell Growth Differ, 2001, 12(7):363-369.

22. LaughnerE ,Taghavi P , Chiles K , et al. HER2 (neu) Signaling Increases the Rate of Hypoxia-Inducible Factor 1α (HIF-1α) Synthesis: Novel Mechanism for HIF-1-Mediated Vascular Endothelial Growth Factor Expression[J]. Molecular & Cellular Biology, 2001, 21(12):3995-4004.

23. ShiozawaY , Jung Y , Ziegler A M , et al. Erythropoietin Couples Hematopoiesis with Bone Formation[J]. PLOS ONE, 2010, 5.

24. Kim J , Jung Y , Sun H , et al. Erythropoietin mediated bone formation is regulated by mTOR signaling[J]. Journal of cellular biochemistry, 2012, 113(1):220-228.

25. Zhang Linghuan,Luo Qing,Shu Yi et al. Transcriptomic landscape regulated by the 14 types of bone morphogenetic proteins (BMPs) in lineage commitment and differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs).[J] .Genes Dis, 2019, 6: 258-275.

26. Guntur AR, Rosen CJ, Naski MC. N-cadherin adherens junctions mediate osteogenesis through PI3K signaling. Bone. 2012; 50:54–62.

27. Meng YB, Li X, Li ZY, Zhao J, Yuan XB, Ren Y, Cui ZD, Liu YD, Yang XJ. microRNA-21 promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells by the PI3K/betacatenin pathway. J Orthop Res. 2015; 33:957–64.

28. 刘忠厚. 骨质疏松症[M]. 化学工业出版社(LIU Zhong-hou. Osteoporosis [M]. Chemical Industry Press), 1992.

29. Pan L, Shi X, Liu S, et al. Fluoride promotes osteoblastic differentiation through canonical Wnt/beta-catenin signaling pathway. Toxicol Lett. 2014; 225:34–42

30. Eiraku, Nahoko, et al. "BMP9 directly induces rapid GSK3-β phosphorylation in a Wnt-independent manner through class I PI3K-Akt axis in osteoblasts." The FASEB Journal 33.11 (2019): 12124-12134.

31. Rybchyn MS, Slater M, Conigrave AD, et al. An Akt-dependent increase in canonical Wnt signaling and a decrease in sclerostin protein levels are involved in strontium ranelate-induced osteogenic effects in human osteoblasts. J Biol Chem. 2011; 286:23771–9.

32. Li J , Wang J , Zhao J , et al. BOLD-MRI early detect femoral head osteonecrosis following steroid-treated patients[J]. Medicine, 2017, 96(44):e8401.

33. Xia, Demeng, et al. "Iron overload threatens the growth of osteoblast cells via inhibiting the PI3K/AKT/FOXO3a/DUSP14 signaling pathway." Journal of cellular physiology (2019).

34. Zhang X , Tang N , Hadden T J , et al. Akt, FoxO and regulation of apoptosis.[J]. BBA - Molecular Cell Research, 1978, 1813(11):1978-1986.

35. Rached M T ,Kode A , Xu L , et al. FoxO1 Is a Positive Regulator of Bone Formation by Favoring Protein Synthesis and Resistance to Oxidative Stress in Osteoblasts[J]. Cell Metabolism, 2010, 11(2):0-160.

36. Ambrogini E, Almeida M, Martinmillan M, et al. FoxO-mediated defense against oxidative stress in osteoblasts is indispensable for skeletal homeostasis in mice.[J]. Cell Metabolism, 2010, 11(2):136-146.

37. ZHANG Jin-ru, ZHANG Rui-gen, ZHOU Jia-xuan, et al. The PI3K/Akt/FOXO3a/p27(Kip1) signaling contributes to anti-inflammatory drug-suppressed proliferation of human osteoblasts[J]. Biochemical Pharmacology, 2010, 79(6):926-937.

38. Banerjee C ,Mccabe L R , Choi J Y , et al. Runt homology domain proteins in osteoblast differentiation: AML3/CBFA1 is a major component of a bone-specific complex[J]. Journal of cellular biochemistry, 1997, 66(1):1-8.