Molecular mechanism of osteoclast, bone resorption and fracture healing by V-ATPase a3 transport system

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.20.026

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: The V-ATPase a3 transport system plays a crucial role on bone resorption mechanism of the osteoclasts.
OBJECTIVE: To observe the expression of V-ATPase a3 transport system in fracture repair and the effect of V-ATPase a3 transport system inhibitor on fracture healing.
METHODS: We retrieved related literatures in the periodicals database with the key words, and screen them according to the inclusion criteria. The literatures were included in this study after the evaluation of quality.
RESULTS AND CONCLUSION: V-ATPase a3 transport system widely exists in the cytoplasm membrane and organelle membrane of eukaryotic cells. V-ATPase a3 has two structural domains: V0 and V1. V0 structural domain is the proton transport channel, V1 structural domain is mainly the hydrolysis of ATP. V-ATPase a3 transport system focuses on the frilled edge of osteoclasts, H+ is transported to form a high concentration, dissolves inorganic minerals and provides the acidic environment for hydrolytic enzymes, thus being involved in bone resorption. So V-ATPase a3 transport system is selected as the research target in the fracture repair and reshape.

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

全文链接：

Key words: V-ATPase a3, osteoclasts, fracture healing

CLC Number:

R318

Song Min, Dong Wan-tao, Chen Bing-hu, Chai Ju-tang, Li Yan-long, Wei Hong, Chen Bing-xiong. Molecular mechanism of osteoclast, bone resorption and fracture healing by V-ATPase a3 transport system[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(20): 3257-3262.

Figures/Tables 2

a3是V-ATPase的异构体，全部集中存在于破骨细胞皱褶缘上，是功能性破骨细胞的必需成分[4]。a3亚基的表达随破骨细胞核数的增加而增多，是V-ATPase的关键性亚基，由V-ATPase基因调控，是功能性破骨细胞的必需成分[3]。位于破骨细胞膜上的质子转运系统V-ATPase a3，水解ATP产生能量，逆浓度梯度转运H+跨膜转运的能量系统。为破骨细胞创造酸性环境，可见V-ATPase a3在破骨细胞骨吸收中不可或缺[5]。破骨细胞起源于造血干细胞，是一种高度分化的多核巨细胞，也是在骨折愈合过程执行骨吸收的唯一细胞类型。在1，25(OH)2D3以及白细胞以及白细胞介素(白细胞介素1，3)等细胞因子的作用下，分化为成熟的破骨细胞[6]。其分化过程主要被基质/成骨细胞及来源于它们的巨噬细胞集落刺激因子(C-MSF)与核因子κB受体活化因子配体调控[7]。即RNAKL信号与破骨细胞前体细胞膜上的RANK结合，将信号传递与TRAF6，通过NIK和IKK活化核因子κB，活化核因子кB迅速与IKK分离进入细胞核，使c-Fos的高表达，c-Fos进一步与活化的T细胞核因子结合并相互作用，启动相应的靶基因的表达和转录，最终诱导成熟破骨细胞的形成。在破骨细胞表面有许多标志性受体，如降钙素受体(CTR)、抗酒石酸磷酸酶(TRAP)、Ⅱ型碳酸酐酶、组织蛋白酶K及Vitornectin受体(CR)等[8]。破骨细胞膜上有质子泵，主要是空泡型质子泵。此外破骨细胞含有极其丰富的酸性磷酸酶、溶酶体酶、组织蛋白酶等，主要存在于粗面内质网、高尔基体中。破骨细胞在骨吸收与骨的重建中起启动作用，附着于骨面形成骨吸收的微小环境，合成并释放水解酶和酸，终始骨矿溶解，骨胶原纤维的降解[9]。破骨细胞通过其质膜上的空泡型分泌分解骨结构中的矿物质，并通过分泌多种水解酶降解有机骨基质，通过各种细胞间的相互作用，以及多种细胞因子的调控，执行骨吸收。破骨细胞细胞膜表面由许多不规则的绒毛状突起，可以增加与骨组织的接触面积，并且这些绒毛状的突起可以合成和释放酸与酶等多种生物活性物质，其在绒毛部位的空破区，是骨吸收的重要组成部分。其中碳酸酐酶在骨吸收中起极为重要的作用，释放的酸主要是通过Ⅱ型碳酸酐酶将CO2溶于水中形成H2CO3再次水解成H+和HCO3-。再通过H+离子泵转运出细胞[10]。H+离子泵主要为泡状型H+-ATP酶(ATPase)，将该酶活化将H+离子源源不断的转运出细胞[11]。破骨细胞皱褶缘上存在V-ATPase转运系统可以创造酸性环境，这种酸性环境可以使羟磷灰石降解并激活cathepsin K消化胶原的酶，从而促进骨吸收，阻止V-ATPase转运系统的功能可以抑制骨吸收，以V-ATPase转运系统作为靶点，为代谢性骨病的防治提供新思路[12]。破骨细胞拥有独特的高度特化的质子产生机制及协同转运装置，还能分泌胶原酶和其他在骨基质蛋白降解中有活性的水解酶来快速溶解矿物质。为成骨细胞、软骨细胞、内皮细胞等参与骨骼的重建细胞体系提供一种微环境。在正常状态下维系骨骼的动态平衡，在骨折时参与骨折的重塑，恢复骨骼的生物力学结构。 2.2 V-ATPase a3转运系统在骨吸收的作用创伤骨折伴随在人们的生活中，治疗技术正在日新月异的完善，但是骨折愈合与重建机制仍需要研究阐明。骨折愈合重建机制包括启动过程，参与的细胞，重建的参与细胞，修复中参与的细胞因子，修复过程的终止原理[13-14]。人体即使没有发生骨折，也时时刻刻发生着骨结构的改造和重建。而发生骨折中改建机制也非常重要，在这中改建机制破骨细胞扮演着非常重要的角色。 V-ATPase a3基因蛋白在破骨细胞发生破骨与改建机制中起主要作用。其包括大量的破骨细胞活化，募集在骨折端，合成水解酶与酸，进行骨吸收，在骨吸收后连接成骨细胞完成修复过程。破骨细胞在骨吸收过程必须依赖酸性环境，V-ATPase a3基因蛋白水解ATP产生能量，质子泵在这种能量的驱使下，将H+转运到细胞外，破骨细胞和水解酶在酸性环境下进行骨吸收。在研究中制备编码V-ATPase a3转运系统缺失的小鼠，小鼠的破骨细胞数目正常，在骨吸收过程中不能形成陷窝，破骨细胞不能形成细胞外的酸化环境，不能形成酸化腔，也不能降解骨结构中矿物质，从而是小鼠出现骨质硬化[15]。V-ATPase a3转运系统在破骨细胞执行骨吸收中不可或缺，该基因发生突变或缺失是婴儿骨硬化并发生以及胚胎死亡的主要原因[16]。破骨细胞在骨吸收过程中，包括骨矿物质的溶解，与其细胞膜上的质子泵—空泡型H+离子三磷酸腺苷酸酶(V-ATPase)密切相关，其功能是分泌酸，创造酸性环境中，使其矿物质溶解[17]。空泡型H+离子三磷酸腺苷酸酶中的编码跨膜通道116kDa亚基的基因，水解ATP产生能量，将H+转运出细胞外，对破骨细胞的功能的发挥在骨吸收中具有决定性意义[18]。吴承亮等[16]在实验中发现地塞米松+右归饮血清组与生路盐水和地塞米松+对照血清组有显著差异，从而得出右归饮具有阻止V-ATPase a3转运系统，起到抑制破骨细胞的作用。破骨细胞皱褶缘上V-ATPase a3转运系统在局部富集，分泌H+到细胞外形成酸性环境。酸性代谢产物和溶酶体酶的释放有利于酸性环境的维持[19]。破骨细胞是骨吸收主要执行细胞，在骨重建中也起关键作用。在正常的生理状态下，维持骨骼的动态平衡。骨折后在骨折愈合在重塑期，破骨细胞分泌大量的偶联因子(鞘氨醇1磷酸、肝细胞生长因子等)分泌[20-21]，促使成骨细胞和破骨细胞聚集在骨折端，从而使骨折端形成的新骨通过成骨细胞和破骨细胞偶联完成骨折的重塑，骨的重建都按着数学法则，使骨的内部结构和外表形态适应其载荷环境的变化。 2.3 V-ATPase a3转运系统在骨折愈合中的作用在骨折愈合后期，原始骨痂形成后，内外骨痂及桥梁骨痂得进一步改建，骨折端的死骨经过爬行营代过程，新生血管伴成骨细胞和破骨细胞的侵入，死骨被清除，排列再乱的骨小梁趋于规律，以及哈佛系统的重建，幼稚的交织骨变成熟的板层骨，使骨质更加坚固。在这骨痂的改建过程中，破骨细胞在担当着非常重要的作用。当组织细胞受到外界刺激时细胞因子产生，刺激活化破骨细胞，使大量的破骨细胞聚集、趋化及附着于改建的的骨表面。破骨细胞的细胞膜皱褶缘与骨基质共同形成一个密闭的骨吸收的微环境，完成骨吸收及骨细胞性骨溶解[20-21]。破骨细胞主要功能是骨吸收，在维持骨折后骨痂的改建、正常的骨骼动态平衡中是必需的。从破骨细胞的活化开始，随之细胞骨架结构发生重组、细胞极性的改变以及出现特定的骨吸收膜区域[22]。在骨吸收过程中，破骨细胞褶皱缘形成一个特殊的环状密封区域，存在于褶皱缘上的V-ATPase a3转运系统，将胞内H+转运到密闭腔隙，提供酸性环境，促使无机物移动，并为水解酶提供酸性环境，完成骨骼的重建。在骨痂的塑型期，破骨细胞与成骨细胞在骨外表面上是骨的吸收或者沉积，在内部结构上是改变骨组织的体积密度，加强或再吸收骨组织的内部结构。以优化的形态和结构完成自身的重建，无论其在几何形态还是内部结构上都与承载环境充分适应。 V-ATPase a3转运系统的主要功能是将H+转运出细胞外，处于静止状态破骨细胞的V-ATPase a3转运系统位于胞浆的空泡膜系统，当破骨细胞活化时黏附于骨表面，致使其结构骨架发生改变，空泡膜系统向附近的细胞膜表面移行并与之融合[23]，募集在破骨细胞表面的皱褶缘上，将Ⅱ型碳酸酐酶水解成H+和HCO3-在V-ATPase a3转运系统的作用下，转运出细胞生成酸性环境，有利于无机质和胶原纤维的降解。V-ATPase a3转运系统营造酸化的环境，是骨中无机物移动，暴露出有机成分(Ⅰ型和Ⅱ型胶原纤维)，随后被组织蛋白酶K降解[13-14]；分布于破骨细胞皱褶缘上V- ATPase a3转运系统将H+转运到微环境中，再通过非能量依赖性交换机制分泌Cl-维持细胞内外的电荷平衡，使破骨细胞处于酸性的微环境中[24](图2)。破骨细胞膜上的高表达IV型碳酸酐酶、XIV型碳酸酐酶，支持破骨细胞膜上的AE蛋白、碳酸酐酶形成转运代谢区室。矿物质在酸性微环境中被溶解，有机成分在水解酶的作用下降解，降解后的产物被破骨细胞吞噬排泄后，破骨细胞从骨表面脱离后重新转移到新的位点[25]。破骨细胞分解无机骨基质与H+有关。H+的产生由Ⅱ型碳酸酐酶催化产生，由V- ATPase a3转运系统转运。H+通过以下反应溶解无极骨基质，Ca10(PO4)6(OH)2+ 8H+→6HPO42-+10Ca2++2H2O所形成的Ca2+和磷酸经细胞外液进入血液[26]。"

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