Ghrelin如何参与骨代谢：理论研究的最新进展与现状

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.12.023

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
脑肠肽：调节胆囊和胆管运动的激素有胃动素、胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)和促胰液素等，这些肽类在胃肠和神经系统双重分布，故称为脑肠肽(braingutpeptide)。脑肠肽不仅在外周广泛地调节着胃肠道的各种功能，而且在中枢也参与对胃肠道生理活动的调节。
生长激素促分泌素受体(growth hormone secre-tagogue receptor，GHSR)：是生长激素促分泌素(Ghrelin)的天然配体，Ghrelin为一种可促进机体摄食的脑肠肽。生长激素促分泌素受体为G蛋白偶联蛋白受体，包括生长激素促分泌素受体1a与生长激素促分泌素受体1b两个亚型，生长激素促分泌素受体1a亚型含有366个氨基酸，有7个跨膜域，是主要的功能性受体；生长激素促分泌素受体1b亚型含有289个氨基酸，只有前5个跨膜域。生长激素促分泌素受体基因主要在垂体和下丘脑表达，也在一些周边组织如脂肪细胞、胰岛细胞和单核细胞中表达。

摘要
背景：Ghrelin是最近在人及大鼠胃部发现的一种脑肠肽。作为促生长激素分泌物受体的内源性配体，Ghrelin能强烈刺激生长激素的释放。尽管促生长激素分泌素受体在众多外周组织中有表达，但是很少有人知道关于Ghrelin对骨代谢的影响以及促生长激素分泌素受体在骨组织中的表达。
目的：对Ghrelin参与骨代谢的研究进展进行综述。
方法：第一作者以“Ghrelin，骨代谢”检索CNKI数据库、万方数据库，以“Ghrelin，Bone metabolism”检索PubMed数据库、Springerlink数据库。纳入有关Ghrelin以及参与骨代谢的研究，排除重复研究。通过阅读摘要初步筛选，共选取53篇文献进行分析。
结果与结论：Ghrelin是在小鼠和人的胃内分泌细胞及下丘脑弓状核发现的一种含有28个氨基酸残基的多肽，其对消化系统、神经系统、免疫系统以及内分泌系统影响较大，同时，Ghrelin在激素分泌、糖代谢、免疫、细胞增殖、炎症等许多方面均有作用。血Ghrelin对骨的生长、发育具有一定影响，对成骨细胞的影响主要表现为促进其增殖分化，抑制其凋亡。通过减少Runx2蛋白的表达量抑制C3H10T1/2 细胞早期成骨分化，并能通过降低PPARγ2的表达而减弱成脂分化，促进成骨分化。但促生长激素分泌素受体在骨组织中的表达研究报道较少。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0002-9138-8711(毕然然)

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 骨代谢, Ghrelin, 促生长激素分泌素受体

Abstract:

BACKGROUND: Ghrelin is a newly discovered brain-gut peptide from the stomach of human and rats. As an endogenous ligand for growth hormone secretagogue receptor (GHSR), ghrelin can notably stimulate the release of growth hormone. Although GHSR is expressed in many peripheral tissues, little is known about the influence of ghrelin on bone metabolism and GHSR expression in bone tissue.
OBJECTIVE: To review the research progress of ghrelin in bone metabolism.
METHODS: The first author retrieved CNKI, WanFang, PubMed, and Springerlink databases with the keywords of “Ghrelin, bone metabolism” in Chinese and English, respectively. The studies regarding ghrelin and its involvement in bone metabolism were included, and repetitive ones were excluded. A total of 53 eligible literatures were selected through skimming abstracts.
RESULTS AND CONCLUSION: Ghrelin is a peptide composed of 28 amino acids discovered in gastric endocrine cells and hypothalamic arcuate nucleus in mice and human, which makes a great effect on digestive, nervous, immune and endocrine systems, and also plays a role in hormone secretion, glucose metabolism, immunity, cell proliferation, and inflammation. Serum ghrelin makes a certain influence on bone growth and development, and promotes the differentiation and proliferation of osteoblasts, and inhibits its apoptosis. Additionally, ghrelin suppresses the early osteogenic differentiation of C3H10T1/2 cells by upregulating the expression of Runx2 protein, and attenuates adipogenic differentiation by downregulating PPARγ2 expression, thus inducing osteogenic differentiation. However, few studies have addressed the expression of GHSR in bone tissue.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Ghrelin, Bone and Bones, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈宏，毕然然，陈良，竺琼. Ghrelin如何参与骨代谢：理论研究的最新进展与现状[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(12): 1940-1945.

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图/表（结果） 1

2.1 Ghrelin的概况 1999年日本科学家Kojima等^[1]利用免疫组织化学的方法在小鼠和人的胃内分泌细胞及下丘脑弓状核发现了一种含有28个氨基酸残基的多肽，它是生长激素促分泌素受体的内源性配体，Ghrelin 在体内的多个组织中均有表达，但是以胃黏膜内的表达量最高^[2]。Ghrelin全肽的半衰期是 27-31 min，酰基化的Ghrelin半衰期是9-13 min^[3]。

2.1.1 Ghrelin的合成与分布 Ghrelin由28个氨基酸残基组成，相对分子质量为3 314，它有2种形式：Ghrelin-25和Des-Gln14-Ghrelin^[4]。Des-Glnl4-Ghrelin生物学活性与Ghrelin相同，第14位上是谷氨酞胺。大鼠和人类Ghrelin氨基酸序列具有较高的同源性，Ghrelin第3位丝氨酸残基被辛酰基化，该辛酰基结构是Ghrelin生物活性所必需的^[1]。Date等^[5]研究发现：胃肠道黏膜均有Ghrelin分泌细胞，即X/A样内分泌细胞，主要位于胃底黏膜泌酸腺的体部和底部，十二指肠、回肠、盲肠、结肠的分泌量很少；其释放Ghrelin的机制可能是胃肠道的Ghrelin细胞与固有层的毛细血管网紧密接触，接受胃肠道管腔的物理刺激和/或基底膜外侧的化学刺激，从而释放Ghrelin。Gnanapavan等^[5-6]通过免疫组织化学和原位杂交研究发现：胃肠道黏膜均有Ghrelin mRNA的表达.Ghrelin的mRNA存在于胃底泌酸腺的颈部和底部^[1]。也有人通过原位杂交和RT-PCR均证实Ghrelin mRNA在中枢神经系统也有表达，下丘脑弓状核、垂体、脑干等中枢神经系统亦有Ghrelin的分泌^[1^，^7]，故称之为脑-肠肽。Gnanapavan等^[6]研究发现：机体许多组织器官均有Ghrelin mRNA表达。这些发现说明Ghrelin分布较广泛。

2.1.2 Ghrelin的受体促生长激素分泌物受体研究表明Ghrelin通过与细胞表面相应的受体促生长激素分泌物受体结合发挥生物学作用。促生长激素分泌物受体属于α螺旋7次跨膜的G蛋白偶联受体^[8]，主要G蛋白是Gq蛋白，主要的信号传递分子是磷脂酶C(phospholipase C，PLC)、三磷酸肌醇(inositol-triphosphate，IP3)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)。促生长激素分泌物受体存在促生长激素分泌物受体1α和促生长激素分泌物受体1b两种亚型^[4]。其中1α型由366个氨基酸组成，含7个跨膜结构域(transmembrane domains，TMD)，是受体功能的主要形式。研究表明，Ghrelin是与1α型促生长激素分泌物受体结合而发挥其生物学作用的^[9]。Ghrelin与促生长激素分泌物受体1α结合后，主要激活磷脂酶C、三磷酸肌醇和蛋白激酶C、有丝分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等信号通路而发挥相应的效应。1b型由289个氨基酸组成，含5个跨膜结构域；1b不介导生物学效应。促生长激素分泌物受体1a在多种组织中均有表达，主要在垂体表达，同时在下丘脑弓状核、甲状腺、胰腺、脾、心肌、肾上腺也有低水平表达，促生长激素分泌物受体1b也在多种组织中有广泛表达^[10]

2.2 Ghrelin的生理作用

2.2.1 对消化系统的影响 Ghrelin参与胃功能的中枢和外周调节。新近研究发现，脑室和室旁核注入Ghrelin可促进大鼠摄食，增加与摄食相关核团，如下丘脑室旁核、背内侧核、弓状核、延髓孤束核和最后区的c-Fos表达^[11-12]。同时，Ghrelin可加速胃排空、增加胃酸分泌及促进结肠运动^[13]。Ghrelin也可以促进小肠转运，其促动力作用由其受体促生长激素分泌物受体所介导；静脉给予Ghrelin可通过肠神经系统和中枢神经系统调节小肠运动^[14](图2)。Ghrelin受体的激活可发挥多种生理学作用，可刺激胃酸分泌和胃排空、加快小肠蠕动、改善术后肠梗阻症状^[15]。

2.2.2 对内分泌系统的影响 Ghrelin与血糖调节有关。李丽等^[16]研究表明：糖尿病大鼠血浆Ghrelin水平显著升高。Ghrelin 可影响肝脏糖代谢及胰岛素水平，进而调节外周血糖稳态^[17]。Gauna等^[18]研究表明，非酰化

Ghrelin能够促进胰岛β细胞分泌胰岛素。已有研究发现人肾上腺皮质瘤中Ghrelin表达增加，促生长激素分泌物受体1a表达下调而促生长激素分泌物受体1b表达上调，提示促生长激素分泌物受体1a和促生长激素分泌物受体1b可能在调节肾上腺功能方面有一定作用^[19]。

2.2.3 对神经系统的影响 Ghrelin具有神经保护和促进神经再生的功能^[20]。促生长激素分泌物受体1a在脑内的广泛分布，包括腹侧被盖区、黑质、海马和侧脑室的室管膜下区(SVZ)。同时发现促生长激素分泌物受体在室旁核和弓状核上也有广泛表达，Ghrelin在弓状核表达较多^[21]。Ghrelin能够提高SVZ和海马齿状回的颗粒下区神经干-祖细胞的增殖、分化和迁移能力^[22-23]。研究表明，Ghrelin能够通过抗炎、抗氧化及减少细胞低氧损伤来增强细胞的存活能力^[24]，对于一些神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等均具有神经保护作用。而Kadoglon等^[25]发现，缺血性脑卒中患者Ghrelin 水平较发病前有所下降，可作为缺血性脑卒中的独立预测因素。

2.2.4 对代谢的影响 Ghrelin作为体内发现的唯一促生长激素分泌素受体的内源性配体，对于调节体内能量平衡起着重要作用^[26]。Ghrelin增加摄食行为，刺激食欲，促进进食^[27]。Barazzoni等^[28]研究发现Ghrelin对调节脂肪组织分布有潜在作用，这种作用是通过减少营养物质的利用、减少体质量和体脂实现的。有研究显示外周注射Ghrelin降低脂肪利用，长期中枢注射该激素，作用于脂肪组织，促进脂肪储存的酶随之增加^[29]。促生长激素分泌物受体在脑内和外周组织(如：垂体、胃、小肠、胰腺、胸腺、性腺、甲状腺、心脏)广泛表达，因此，Ghrelin在激素分泌、糖代谢、胃肠道功能、心血管功能、免疫、骨代谢、细胞增殖、炎症等许多方面均有作用^[30]。

2.2.5 对免疫系统的影响最近研究证明人的T细胞和单核细胞中存在Ghrelin和促生长激素分泌物受体^[31]，他们能特异地抑制白细胞介素1B、白细胞介素6和肿瘤坏死因子a炎症细胞因子的表达。Ghrelin以一种剂量依赖的方式抑制瘦蛋白诱导的免疫细胞因子表达，防止免疫细胞因子滥分泌起着关键的作用。

2.3 Ghrelin参与骨代谢

2.3.1 对骨细胞的影响血Ghrelin对骨的生长、发育具有一定影响^[4]。Thompson等^[32]认为Ghrelin能直接刺激骨形成。也有研究显示合成的Ghrelin激动剂直接刺激骨细胞生长，提示Ghrelin参与成骨作用^[33]。Amini等^[34]对2 257例纽芬兰女性患者研究发现，血浆Ghrelin 水平对骨密度有重要有益影响。同时Ghrelin作为近年来新发现的一种脑-肠肽，其受体分布广泛，在骨髓中也有该受体的表达。

2.3.2 对成骨细胞的影响 Kim等^[35]用RT-PCR检测大鼠成骨细胞表达Ghrelin和促生长激素分泌物受体1a的情况，并且直接测序PCR产物，证实了Ghrelin和促生长激素分泌物受体1a均有表达。Ghrelin对成骨细胞的影响主要表现为促进其增殖分化，抑制其凋亡。

促进成骨细胞的增殖与分化：研究发现，Ghrelin可以通过刺激成骨细胞的增殖、分化、抑制细胞凋亡、增加骨质密度诱导骨的形成^[36-37]。Bachrach等^[38]在体外实验研究中发现：给予Ghrelin能增加成骨细胞的增殖。也有研究表明：Ghrelin mRNA在软骨表达并且给予Ghrelin也可增加成骨细胞的增殖^[39]。具体机制： Delhanty等^[40]发现在促生长激素分泌物受体 1a缺失时Ghrelin和未酰化Ghrelin是通过MAPK/PI3K途径刺激人成骨细胞的生长。在成骨细胞中，Ghrelin通过MAPK信号转导途径对成骨细胞增殖的刺激作用可以调节骨保护素的产生。最近几项研究也证明，Ghrelin可以刺激成骨细胞的增殖与分化，增加骨形成标记的浓度^[41^，^35]。Cocchi等^[42]用定量RT-PCR分析了骨分化标记物Runx2、Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶和骨形成蛋白(OCN)变化，发现Ghrelin不影响Runx2的表达，但是在培养5 d后成骨细胞早期分化标记物Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶表达增加，并且培养7 d后骨分化晚期标记物OCN表达增加，Ghrelin增加碱性磷酸酶的活性呈时间依赖型，证实了Ghrelin可以促进骨的形成。Adelino等^[31]研究显示Ghrelin涉及调节骨的生长和新陈代谢，可直接刺激成骨细胞的增殖和分化，激活碱性磷酸酶，增加基质中钙离子浓度；且在体外实验中，Gherlin促进成骨细胞的增殖是通过基质矿化，碱性磷酸酯酶活力以及特殊成骨细胞基因表达来证明的^[35]。

尽管促生长激素分泌物受体在很多周围组织中有表达，关于独立于生长因子/胰岛素样生长因子1轴之外的骨效应研究较少。Kim等^[35]证明初级成骨细胞和各种成骨细胞株均表达Ghrelin受体；还证明在初级成骨细胞中的促生长激素分泌物受体 mRNA和蛋白的表达与成骨细胞株包括MC3T3-E1，ROS17/2.8，UMR-106，MG63和SaOS2细胞数目相符。而且研究中也已经证明促生长激素分泌物受体在成骨细胞株中的表达。通过用 [d-Lys]-GHRP-6拮抗对Ghrelin介导的成骨细胞株MC3T3-E1细胞增殖也可以确定：Ghrelin直接刺激MC3T3-E1细胞增殖是通过与促生长激素分泌物受体结合来实现的。Tschop等^[43-44]研究发现Ghrelin的最低有效浓度与人体正常血清浓缩物相比，证明Ghrelin可能作为成骨细胞促细胞分裂剂，并且已经证明ERK途径是Ghrelin诱导的细胞增殖的潜在的下游通路，而且ERK信号的持续抑制可以促进早期细胞外基质的成骨细胞的分化和矿化^[45]，而Ghrelin的参与导致ERK信号的激活。由于胰岛素样生长因子1也导致ERK1/2的激活^[46]，从而推断Ghrelin可能在调整成骨细胞胰岛素样生长因子1活动中起一定作用。除了MAPK途径，Ghrelin信号可能涉及到能与Runx2，Msx2，或wnt信号及在成骨细胞分化的调节中基本元素结合的其他途径。

减少成骨细胞的凋亡：在骨中新生骨基质的沉积，成骨细胞的编程性细胞死亡是一个很重要的过程，因为最初处于骨重塑阶段的接近70%的成骨细胞会走向凋亡^[47]，因此，可以预测成骨细胞的凋亡也可能在人骨关节疾病中起重要作用。Ghrelin能明显减少肿瘤坏死因子a诱导的成骨细胞的程序性细胞死亡并能明显抑制caspase-3的活化^[48]。相关研究已经证明Ghrelin能直接刺激鼠成骨细胞的MC3T3-E1的增殖和分化，抑制它的凋亡^[35]。最近Sang等^[49]研究发现Ghrelin促进成骨C3H10T1/2细胞的增殖，并抑制成骨细胞的凋亡及早期成骨分化。其具体机制：Ghrelin通过减少Runx2蛋白的表达量抑制C3H10T1/2 细胞早期成骨分化。

抑制骨髓基质细胞成脂分化：骨髓基质细胞是一种多能干细胞，它不仅能够分化成为成骨细胞，还可以分化成为脂肪细胞，两者存在此消彼长的关系。周华等^[50]通过从形态学方面观察Ghrelin对骨髓基质细胞诱导成脂分化的影响，发现：随着Ghrelin浓度增加，细胞分化为成熟脂肪细胞的比例显著降低；另外，成脂分化早期转录调控关键因子PPARγ2是对成脂分化起决定性作用的转录因子。研究还发现Ghrelin通过降低PPARγ2的表达而减弱了成脂分化，促进成骨分化。Ghrelin对体外骨髓基质细胞成脂分化的抑制，使其可能在骨质疏松治疗方面具有积极意义，同时也为揭示Ghrelin对成脂分化的调控机制提供了更多的理论依据。张等^[44]最近报道在MC3T3-E1前脂肪细胞的Ghrelin的异位过表达抑制脂肪细胞的分化。这一结果类似kim等^[51]的最近发现：在低剂量Ghrelin情况下Ghrelin显著降低脂肪细胞的凋亡。因为间充质细胞祖先分化成成骨细胞或脂肪细胞是相互调节的^[52-53]，结果显示在这一调节过程中Ghrelin可能起关键作用。

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