SIRT1/FOXO1 通路与骨质疏松关系的研究进展

迟雪婷，陈方园，黄晓巍,，董海司，苏 航，龚 庆，林 喆

（1.长春中医药大学药学院，长春 130117；2.长春中医药大学东北亚中医药研究院，长春 130117；3.长春中医药大学附属医院骨科中心，长春 130021）

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是通过减少骨量和劣化微观组织结构来实现对全身骨骼系统改变的病症，即骨小梁细化、消失和孔隙变大，从而导致骨脆性增加，骨生物力学性能下降，荷载功能下降，最终导致骨小梁的断裂[1]。 OP 已影响全世界数以百万计的人，其中对老人和绝经后女性的影响尤为明显。其主要病理机理是骨吸收与骨形成在整个骨代谢过程中的不平衡[2]。 随着全球性老龄化人口的加剧，OP 的发病率不断攀升，患者数量呈逐年递增的趋势，同时由于OP的致残率极高且在早期不容易被发现，使得这一疾病成为全球性的社会医疗问题[3,4]。

1 SIRT1/FOXO1 通路生物学概况

沉默信息调节因子1（Sirtuin 1，silent information regulator 1，SIRT1） 是一种在骨组织生理活动中发挥重要作用的去乙酰化酶[5]。SIRT1 在Sirtuins 家族中最早被验证发现，在哺乳动物多种组织的细胞核与细胞质中均能检测到存在[6]。 它通过脱乙酰的作用调节其下游的靶标，如P53 和NF-κB[7]，进而参与生物机体内代谢与衰老等相关的过程。 SIRT1 的转录水平决定了其浓度和活性水平，在细胞核与细胞质的穿梭过程中也会影响其活性水平。 此外，经研究发现，SIRT1 的活性表达也会受很多药物影响， 包括其抑制剂EX-527、白藜芦醇等。 有研究[8]发现，SIRT1 作为叉头框（forkhead box，FOXO） 家族转录因子中的一种共激活剂， 通过氧化应激发挥功能， 可以有效地促进SIRT1与FOXO 之间相互作用。FOXO 在哺乳动物的心、脑等多种组织细胞内存在， 可被分为四个结构区域， 其中“叉头区” 与多种疾病发生过程及生理过程密切相关。FOXO1、FOXO6、FOXO4、FOXO3a 是其家族中最主要的四个成员， 能够参与调节细胞的生存周期以及分化与增值过程，还可以调控生物机体的代谢水平，对损伤的DNA 修复过程至关重要。 FOXO1 与FOXO3a 在与心血管相关的疾病中关系密切，经过磷酸化、泛素化或乙酰化等过程调节，能够对多种细胞的分化与代谢发挥重要作用[9]。经验证研究，FOXO1 被认为是SIRT1最主要的底物，其在转录过程中会被SIRT1 因子通过去乙酰化的作用所抑制[10,11]。Hsu 等[12]研究发现，SIRT1被激活后，FOXO1 的蛋白表达也会增加， 进而增加MnSOD、Trx1 以及Bcl-xL 蛋白的表达，以此对心肌细胞发挥保护作用， 而通过抑制SIRT1 蛋白的活性，FOXO1 的表达也会降低， 进而加速心肌细胞发生凋亡的过程。

2 SIRT1/FOXO1 通路在OP 中的作用

目前， 越来越多的研究证明发现，SIRT1 可以一定程度地调节破骨细胞的活性进而起到维持骨量的作用，其机制主要集中在某种程度上催化了FOXO 的脱乙酰化过程。已有的研究[13]表明，SIRT1 与骨质疏松的发展具有较大的相关性。研究发现白藜芦醇治疗去卵巢OP 大鼠的SIRT1 表达上调， 可以通过激活SIRT1/叉形头转录因子1（forkhead transcription factor 1，FOXO1）信号通路介导抗氧化应激作用进而发挥对OP 的保护作用[14]。 有研究[15]发现，FOXO1 、FOXO3 和FOXO4 被SIRT1 通过去乙酰化的作用机制修饰，通过此作用调节上述因子的转录活性，上调相关蛋白的表达进而抑制破骨细胞的形成。

3 SIRT1/FOXO1 与成骨细胞/破骨细胞

3.1 SIRT1/FOXO1 与成骨细胞

OP 的发生是因为在机体正常运行过程中， 打破了骨的形成和吸收之间的平衡所导致的，在这一过程中SIRT1 有效参与调节骨代谢。 在机体内骨形成后，其总组蛋白去乙酰化酶以及组蛋白去乙酰化酶1 的活性下降；当成骨细胞发生分化，OCN 作为成骨细胞标志基因， 其蛋白表达被组蛋白去乙酰化酶1 降低；组蛋白去乙酰化酶的活性被抑制剂有效抑制后，骨桥蛋白和成骨标志基因ALP 的蛋白表达水平均被升高，最终骨形成速度高于骨吸收的速度，使得骨量增加[16]。研究发现，成骨细胞中的SIRT1 在早期缺失时，会出现OP 的表征，但是观察结果发现，该表征仅对皮质骨产生影响[17]。 通过刺激β-catenin、FOXO1、RUNX2 蛋白的活性进而促进成骨细胞的分化增加骨形成，发现其体内外的实验结果一致[18,19]。目前，经过科学工作者的不懈努力， 越来越多的观点表明，SIRT1 是骨重塑过程中重要的蛋白因子。

3.2 SIRT1/FOXO1 与破骨细胞

破骨细胞是由骨髓来源的巨噬细胞(BMMs)分化而形成的。当生物体内的骨细胞数量生长达到一定的程度时，核因子RANKL 就会被分泌出来进一步促进破骨细胞的分化，但是当体内骨吸收大于骨形成而导致骨的结构被损伤时，破骨细胞会自发的分泌胰岛素样的生长因子反向加速成骨细胞分化，以维持体内的骨平衡[20]。SIRT1 蛋白的有效激活剂白藜芦醇，通过激活SIRT1 可促进FOXO1 蛋白的表达，进而发挥对OP的保护作用。近年来的研究陆续发现了很多药品可作为SIRT1 的激活剂，发挥对OP 的保护作用[21,22]。 总结近十年的文献研究发现， SIRT1 可以作为一种长寿蛋白对延缓人类的衰老以及与衰老相关的疾病至关重要[23,24]。 体外细胞实验表明，SIRT1 通过抑制NF-KB的表达以及增加FOXO 蛋白的表达，可对破骨细胞的分化发挥抑制作用，从而减少骨吸收，间接增加骨形成[23,25]。

4 氧化应激因子在OP 中发挥着关键作用

氧化应激是由于氧化还原系统平衡被机体内过剩的活性氧自由基 （reactive oxygen species，ROS）或者缺乏的抗氧剂所打破，氧化应激可导致很多组织损伤，最终可能会引起生物机体的衰老甚至死亡[26]。 随着科学技术的进步，有研究[27]表明，氧化应激介导骨吸收与形成的平衡系统，通过直接或间接的方式发挥作用。 研究发现[28]早衰鼠模型显示出骨质疏松的症状与状态，其原因与氧化应激损伤相关。 在正常机体环境中，常用MDA 和SOD 指标水平判定氧化应激损伤程度。 SOD 是一种在机体氧化和抗氧化平衡系统中起着关键作用的抗氧化金属酶， 能够有效地清除人体的ROS，从而减少对组织的损害[29]。 氧化应激因子MDA反映机体氧化损伤情况，具有一定的细胞毒性，是机体氧化的最终产物[30]。 ROS 的活性对骨细胞、成骨细胞以及破骨细胞产生和生存有一定的影响。ROS 对骨质疏松的发展起到促进作用，通过刺激破骨细胞的分化， 抑制骨髓间充质干细胞以及成骨细胞的分化过程。最近的调查研究显示，OP 发生的首要因素是随着年龄的增长发生的衰老过程以及该过程中产生大量的ROS 所造成的。 此外，伴随着衰老，雌激素水平会逐渐衰退，最终产生超出体内正常量的ROS。 机体内上述过程发生后，会大大抑制机体的抗氧化能力，这时，年龄大的妇女患绝经后骨质疏松的概率大大增加[31]。研究发现，大鼠进行双侧卵巢切除手术后，其体内的超氧化物水平增加， 而GSH-PX、SOD 和酶性抗氧化剂等水平均降低，通过使用雌激素替代疗法会逆转上述结果[32-33]。综上所述，氧化应激过程的发生与破骨细胞的分化过程是彼此促进的关系，一旦动物机体的抗氧化防御体系因某种因素受损，就会不断的在机体内产生恶性循环，最终导致OP 的发生。

5 结论

随着我国人口老龄化的情况日益严重，越来越多的OP 患者被疾病困扰，SIRT1/FOXO1 信号通路已经被发现能够与多种通路相互作用治疗OP， 但是其具体的机制还需要进一步探究，为临床治疗OP 提供不良反应少、效率高的药物治疗方式拓展思路。