Osteoprotegerin (OPG)：作為生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)的潛力如何？
日期：2020-12-22 14:45:36
2020年7月22日，發(fā)表在《細(xì)胞死亡與分化》雜志上的一項(xiàng)研究揭示了OPG在腫瘤方面的調(diào)控機(jī)制。該研究首次提出，OPG水平對(duì)p53介導(dǎo)的間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化起著重要作用，同時(shí)也提示了一種關(guān)于腫瘤相關(guān)骨重塑的新型調(diào)控方法 [1]。盡管大量研究已證實(shí)OPG與骨吸收和骨重塑密切相關(guān)，但最近有研究發(fā)現(xiàn)，OPG可能在腫瘤生成和細(xì)胞凋亡等生物學(xué)進(jìn)程中扮演重要的角色，其潛在價(jià)值有待進(jìn)一步發(fā)掘。那么OPG是什么？它主要的作用是什么？OPG作為生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)的潛力如何？
1. OPG的結(jié)構(gòu)和功能
OPG是腫瘤壞死因子（TNF）受體超家族的成員之一，又稱TNFRS11B或OCIF，屬于Ⅱ型跨膜蛋白。OPG缺少跨膜和胞漿區(qū)域，但包含7個(gè)主要結(jié)構(gòu)域，這7個(gè)結(jié)構(gòu)域共形成3個(gè)功能區(qū)：①TNF受體結(jié)構(gòu)區(qū)，包括結(jié)構(gòu)域1-4，即4個(gè)富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)區(qū)域，參與抑制破骨細(xì)胞生成；②致死結(jié)構(gòu)區(qū)，包括結(jié)構(gòu)域5-6，即2個(gè)死亡域同源區(qū)；③肝素結(jié)合結(jié)構(gòu)區(qū)，即結(jié)構(gòu)域7，一個(gè)肝素結(jié)合位點(diǎn)，它對(duì)OPG與蛋白多糖的相互作用非常重要。特別是結(jié)構(gòu)域7中Cys-400的存在是OPG同源二聚體形成的關(guān)鍵（圖1） ［2，3］。
圖1. OPG的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖
*本圖來源于Cellular and molecular life sciences 出版物[3]。
OPG主要由骨髓基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)。此外，在免疫系統(tǒng)（如淋巴結(jié)、B細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞（DCs））和血管系統(tǒng)（如心臟、動(dòng)脈和靜脈）中也檢測(cè)到其表達(dá) [4]。通常，OPG的表達(dá)與一些骨疾病密切相關(guān)。但更多的證據(jù)表明，OPG可以通過抑制TNF相關(guān)的細(xì)胞凋亡促進(jìn)細(xì)胞存活 [5]。此外，一些體外、體內(nèi)和臨床研究也表明OPG在腫瘤中起到一定的作用 [6]。
2. OPG及其配體
OPG通過與其配體結(jié)合，直接或間接地發(fā)揮作用。RANKL是OPG配體之一，它最初被描述為“OPG配體/OPGL” [7]。RANKL作為TNF家族細(xì)胞因子的成員之一，以II型膜蛋白或可溶性蛋白R(shí)ANKL的形式存在 ［8］。它主要由活化的免疫細(xì)胞和成骨細(xì)胞表達(dá) [9]。研究表明，RANKL常參與多種生物活動(dòng)。例如，RANKL能促進(jìn)單細(xì)胞前體細(xì)胞的分化，從而形成成熟的破骨細(xì)胞 [10]；RANKL能增強(qiáng)成熟破骨細(xì)胞的骨吸收活性 [11]。此外，RANKL通過與其同源的高親和力跨膜受體RANK相互作用，發(fā)揮其促骨細(xì)胞活性 [12]。
除RANKL外，OPG還能與另一個(gè)TNF家族成員TRAIL結(jié)合。與RANKL類似，TRAIL也是以II型膜蛋白或可溶性蛋白的形式表達(dá) [13, 14]。現(xiàn)有證據(jù)表明，OPG/TRAIL水平可能與血管鈣化有關(guān)，而血管鈣化是糖尿病的主要原因 [15]。
比較OPG對(duì)RANKL和TRAIL的影響，如圖2所示，TRAIL的促凋亡活性是由其4個(gè)膜受體中的2個(gè)（TRAIL-R1和TRAIL-R2）介導(dǎo)的。OPG可以有效地與RANKL或TRAIL結(jié)合，阻止RANKL或TRAIL與其相應(yīng)的跨膜受體之間的關(guān)聯(lián)。該過程可以抑制RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成以及TRAIL的促凋亡活性 [3]。
圖2. OPG對(duì)RANKL和TRAIL的影響
*本圖片來源于Cellular and molecular life science 出版物[3]。
3. OPG/RANKL/RANK調(diào)節(jié)機(jī)制
眾所周知，OPG/RANKL/RANK是OPG的主要信號(hào)通路，主要參與破骨細(xì)胞的發(fā)生。如圖3所示，成骨細(xì)胞首先產(chǎn)生RANKL，繼而RANKL與成骨細(xì)胞前體表面的RANK結(jié)合，TRAF 2、5、6與RANK胞質(zhì)域結(jié)合。隨后，多個(gè)分子被激活，包括JNK、p38、ERK、Akt和NF-κB。進(jìn)一步，激活的NF-κB移動(dòng)到細(xì)胞核，最后與NFATc1相互作用，觸發(fā)成骨細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄 [16]。
圖3. OPG/RANKL/RANK生物活性的作用機(jī)制
*本圖片來源于Molecular Medicine Reports 出版物[16]。
OPG/RANKL/RANK通路不僅在破骨細(xì)胞激活、形成和存活中起主導(dǎo)作用，而且還在其他組織中發(fā)揮作用，包括乳腺、大腦和淋巴結(jié)。OPG/RANKL/RANK通路的紊亂與人類某些疾病有關(guān)，包括絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）、骨腫瘤和某些骨轉(zhuǎn)移性腫瘤。此外，該通路可能是淋巴結(jié)形成和自身免疫性疾病RA的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，這進(jìn)一步提示免疫通路可能與OPG/RANKL/RANK相互作用 [17-19]。
4. OPG在骨、血管和腫瘤疾病中的作用
OPG在調(diào)節(jié)骨相關(guān)疾病中具有重要地位。有研究評(píng)估了OPG在骨質(zhì)疏松癥、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、牙周炎和幼年磷酸酶癥（JPD）中的作用。骨質(zhì)疏松癥是一種由于破骨細(xì)胞活性增加而導(dǎo)致的低骨密度（BMD）為特征的疾病，而OPG能特異地抑制破骨細(xì)胞生成 [20]。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)伴有軟骨和骨質(zhì)破壞，部分原因是破骨細(xì)胞生成增加所致 [21]。在牙周炎中觀察到的骨吸收部分，與OPG的減少，破骨細(xì)胞活性增加有關(guān) [22]。
此外，編碼OPG的基因突變與JPD有密切關(guān)系 [23]。該病又稱特發(fā)性高磷酸酶癥，是一種罕見的常染色體隱性疾病，其特征是整個(gè)骨骼的骨重塑加快。如圖4所示，患者的表現(xiàn)型取決于OPG基因內(nèi)存在的突變 [2]。
圖4. 幼年高磷酸酶的OPG突變
*本圖片來源于European journal of cell biology 出版物[2]。
另一方面，OPG與血管相關(guān)疾病的聯(lián)系也被證實(shí) [24]。例如，在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者中，通常發(fā)現(xiàn)OPG水平高，是冠狀動(dòng)脈疾病的高危人群 [25]。此外，臨床發(fā)現(xiàn)OPG缺失的小鼠表現(xiàn)出主動(dòng)脈和腎動(dòng)脈的鈣化 [26]。然而，最近研究報(bào)道，OPG與腎功能之間存在顯著的反向關(guān)聯(lián)。與這些數(shù)據(jù)一致的是，高表達(dá)的OPG與老年婦女腎功能衰退有密切關(guān)系 [27]。OPG有望作為腎臟病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新標(biāo)志。
近年，OPG在腫瘤發(fā)生中的作用引起了關(guān)注，尤其是在癌癥誘發(fā)的骨病和腫瘤細(xì)胞存活方面。臨床數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在結(jié)直腸癌、胰腺癌以及頭頸部鱗狀細(xì)胞癌癥中，OPG血清水平升高 [2]。也有研究發(fā)現(xiàn)，OPG血清水平的升高似乎與骨轉(zhuǎn)移有關(guān)，包括乳腺癌、肺癌和前列腺癌 [6]。
圖5. OPG在腫瘤細(xì)胞生存中的潛在作用
*本圖片來源于Clinical science 出版物[6]。
為進(jìn)一步說明OPG在腫瘤細(xì)胞存活中的潛在作用，如圖5所示，單核細(xì)胞產(chǎn)生的TRAIL與腫瘤細(xì)胞表面的DR4/DR5（TRAIL-R1/TRAIL-R2）結(jié)合，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。腫瘤細(xì)胞或破骨細(xì)胞/BMSCs產(chǎn)生的OPG與TRAIL結(jié)合，阻止TRAIL與DR4/DR5結(jié)合 [6]。OPG能夠抑制TRAIL誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，這表明OPG可能具有促進(jìn)腫瘤發(fā)生的作用 [5]。然而矛盾的是，有證據(jù)表明OPG能夠抑制癌癥誘導(dǎo)的骨病 [2]。OPG是否能促進(jìn)或抑制腫瘤進(jìn)展仍有待充分闡明，并且可能在不同癌癥類型和疾病階段之間有所不同。
5. OPG的臨床應(yīng)用前景
總的來說，OPG在骨相關(guān)疾病中至關(guān)重要，包括骨質(zhì)疏松癥、幼年磷酸酶癥（JPD）、關(guān)節(jié)炎、骨吸收。在血管相關(guān)疾病和腫瘤發(fā)生方面，OPG的作用似乎更為復(fù)雜，這使得OPG作為一種潛在的生物標(biāo)記物或治療靶點(diǎn)備受關(guān)注。換句話說，OPG抗體或者抗OPG產(chǎn)品在臨床研究中的應(yīng)用有望監(jiān)測(cè)疾病相關(guān)的進(jìn)展和并發(fā)癥。在全球范圍內(nèi)，抗體治療市場(chǎng)規(guī)模在2019年估值為1230.3億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到350.1億美元。到目前為止，僅有一項(xiàng)來自癌癥患者接受重組OPG構(gòu)建體（AMGN-0007）的臨床試驗(yàn)的研究報(bào)告 [6]，該研究顯示，在涉及過度骨吸收的骨病方面，OPG的治療效果顯著。研究結(jié)果為OPG治療某些疾病提供了可靠的證據(jù)。為進(jìn)一步闡明OPG的保護(hù)或者是損害機(jī)制，OPG抗體或抗OPG抗體的開發(fā)，在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)有巨大的市場(chǎng)潛力。
OPG蛋白
(Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.
Immobilized TNFSF11 (CSB-MP023986HU1(F2)) at 10 μg/ml can bind human TNFRSF11B, the EC50 is 2.651-7.646 ng/ml.
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