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编号:10222171
凋亡在软骨细胞分化调节中的作用
http://www.100md.com 《中华外科杂志》 1998年第11期
     作者:裴明 曲绵域 于长隆

    单位:100083 北京医科大学运动医学研究所

    关键词:

    中华外科杂志981119 软骨内成骨是动物骨(部分扁平骨除外)形成的基本方式之一。在胚胎软骨内成骨的过程中,未分化的间充质细胞分化形成透明软骨,经过分裂、增殖、成熟肥大等一系列细胞分化,出现以基质小泡(matrix vesicles)为核心的细胞外基质钙化,继而毛细血管和成骨细胞以及破骨细胞向钙化的软骨基质侵入,形成新生骨,这一过程受许多激素和生长因子在时间和空间上的调控。近年来,研究发现这一过程与凋亡密切相关。现就凋亡在软骨细胞分化调节中的作用综述如下。

    一、软骨细胞分化的基本过程和特点

    诱导分化期:指由未分化间充质细胞向软骨干细胞分化的过程,有关分化诱导的详细机制目前尚不十分清楚。
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    分化期:指静止软骨细胞增殖和成熟化的过程,进入快速增殖阶段的静止软骨细胞形态扁平,具有旺盛的增殖能力,但细胞外基质增殖速度明显降低,形态上表现为圆形或扁圆形,能够大量合成Ⅱ型胶原、Ⅳ型胶原和软骨特异的蛋白多糖等细胞外基质,这是成熟软骨细胞的一个重要特征。

    终末分化期:成熟软骨细胞向肥大软骨细胞转化,细胞形态明显肥大,蛋白聚糖和Ⅱ型胶原等细胞外基质合成能力明显降低,同时合成大量的碱性磷酸酶(ALP)、活性维生素D3和Ⅹ型胶原等,三者构成了肥大期软骨细胞的特异标志;此时在细胞外基质中出现大量的功能性基质小泡,随着软骨细胞的进一步分化,钙摄取能力明显增强,最后出现以基质小泡为核心的细胞外基质钙化,从而完成软骨细胞终末分化过程。

    二、细胞凋亡的生物学定义及特征

    凋亡(apoptosis)一词来源于古希腊语,由apo(脱离)和ptosis(下降)两词组合而成,借喻于秋天树叶脱落的现象[1]。1972年,Kerr等[2]根据存在于许多正常组织中散在不完整细胞及细胞碎片的形态学特征,首先将apoptosis一词引入生物界,提出了生物学中的“凋亡”概念。凋亡是有核细胞在一定条件下启动自身内部机制,主要通过激活内源性的DNA内切酶而发生的细胞自然死亡过程,这一过程与细胞增殖同等重要。如果没有细胞凋亡,个体难以形成或成活,或出现畸形,或发生疾病。越来越多的证据表明,凋亡是受到高度调节的一种生理性细胞死亡过程,受基因调控的主动连续的程序化反应。通过其发生,使特定的细胞群体在特定的时间和特定的部位死亡,从而使生物体在总体上保障其细胞数量及形态和功能的平衡。
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    凋亡与坏死(necrosis)不同,其形态特征表现为细胞首先变圆,随即与邻周细胞脱离,胞浆浓缩,失去微绒毛,内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合,核染色质密度增高呈半月形,并凝聚在核膜周边,核仁溶解,进而胞膜内陷,形成凋亡小体(apoptosis body),被邻周细胞识别吞噬或自然脱落而离开生物体[3]。凋亡细胞的DNA迅速被核酸酶降解,产生的寡核苷酸碎片,在琼脂糖凝胶电泳上呈现特征性的阶梯状图谱,这是由于产生了不同倍数的180~200bp的核酸片段。由于这种死亡过程没有溶酶体和胞膜破裂,内涵物不外泄,故不引起炎症反应及明显的组织学改变,这也正是细胞凋亡长期以来一直被人们忽视的原因。

    凋亡的生化特征表现为内源性Mg2+、Ca2+依赖性的核酸内切酶的激活,从而将核小体间DNA降解,使之断裂为寡核小体;此外还常有其它一些生化改变,如谷胱苷肽转移酶基因表达增强,组织蛋白酶D、组织型纤维蛋白酶原激活剂,以及与细胞骨架降解有关的酶活性均有不同程度的升高等[4]
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    三、凋亡在肥大期软骨细胞中的表现及其调控

    滑膜关节中软骨-骨交界处成为近年来众多学者研究的焦点,特别集中于终末分化软骨细胞的归宿和功能:一种可能的结局是以骨的形式存在,或作为成骨细胞,或作为间充质细胞[5,6]。形态学研究提示终末分化软骨细胞还存在另一种结局。Farnum和Wilsman[7,8]描述了经过固定的正常软骨组织中表现为浓缩形态的细胞,经过研究认为这种细胞正在发生凋亡,同时发现这种现象只能在软骨细胞柱(column)最末1~2个细胞中观察到。通过对猪的关节软骨进行测量,发现这一过程非常短暂,终末肥大软骨细胞寿命为3~4小时,而这种现象只存在45分钟[9],而且这种细胞死亡后残留的陷窝很快被其它诸如血管内皮细胞或成骨细胞占据。通过这种方式,钙化的软骨基质为干骺端骨形成提供了一种过渡结构。

    Masashi等[10]利用原位末端标记法(in situ end labeling,ISEL),在对鸟生长板的研究中也发现终末分化的软骨细胞中存在凋亡。同年,Helmtrud等[11]在软骨-骨交界处的研究中,发现软骨源性细胞向骨源性细胞是以一种不对称细胞分裂(asymmetric cell divisions)的方式进行;在肥大软骨细胞同一陷窝(lacune)内,存在两种不同命运的子细胞,通常软骨细胞是不会产生类骨基质(osteoid matrix)的,然而他们发现在肥大软骨细胞晚期同一陷窝内分泌的基质具有骨基质的染色特征——Ⅰ型胶原、骨桥素(osteopontin)及具有矿化能力的血管,表明肥大软骨细胞不仅分化为成骨样细胞(osteoblast-like cells),而且可分化为能产生矿化骨基质的细胞,存活的子细胞经过分裂形成生骨细胞(osteogenic cells);另一种子细胞通过ISEL法证明死于凋亡,以上方式构成了肥大软骨细胞的最终归宿。
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    如果肥大软骨细胞通过凋亡加以清除,那么它在关节生长板发育及功能中的生理作用是很明显的,也是非常重要的。在许多组织中,细胞数量决定于细胞增殖率、生长阻滞(arrest)及凋亡。这些因素彼此精确平衡,维持稳态;而这种平衡一旦破坏,将导致疾病发生。在软骨组织中,软骨细胞柱的长度及细胞数目受精确调节,在发育过程中,增殖与肥大的软骨细胞相互平衡,如果没有适当的方法去除关节软骨中的末端分化细胞,生长板厚度持续增加,导致骨形成受到抑制。凋亡为末端分化的软骨细胞快速稳定去除提供了一种生理机制。

    在软骨内化骨过程中,软骨阻止血管入侵,抑制钙化及骨形成;当软骨细胞演变到终末肥大阶段,随着血管侵入,在残留的软骨周围形成骨。肥大软骨细胞周围基质与入侵血管存在一薄层间隔,称为最终横隔(the last transverse septum)。Gibson等[12]的研究观察到,入侵血管通过一种能产生高浓度组织蛋白酶B的特定类型细胞穿透横隔基质,软骨细胞随之发生凋亡,他认为软骨细胞凋亡是通过与入侵血管直接接触启动的。而Gibson等[13]则认为肥大软骨细胞表型——Ⅹ型胶原的表达才是引起软骨细胞凋亡的原因;通过对Ⅹ型胶原表达的抑制可以防止凋亡的发生;来自组织以外的因素,如血管入侵并不是软骨细胞凋亡的必要因素,但它可以控制肥大软骨细胞分化,对凋亡抑制剂进行调节。
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    作为凋亡抑制剂的Bcl-2的表达,与许多细胞的分化有关。Amling等[14]的研究表明,Bcl-2由生长板软骨细胞表达,在肥大期和肥大前期表达量最高,在肥大末期明显降低。Bcl-2在软骨内钙化中的重要性主要表现在敲除Bcl-2基因(Bcl-2 gene knockout)小鼠[15],生长板发育畸形;缺失Bcl-2的小鼠,软骨细胞成熟加速,软骨的血管吸收加快,软骨细胞凋亡加速,骨骼生长阻止。当发生骨关节病(OA)或类风湿关节病(RA)时,Bcl-2下调或降解。甲状腺素是软骨细胞肥大分化潜在的诱导剂,可使软骨细胞凋亡[16];最近对神经元研究表明,甲状腺素促进Bcl-2表达,防止凋亡发生[17]

    在软骨组织中,启动凋亡开关的机制有以下三种:(1)肥大软骨细胞代谢状态的改变。软骨细胞一旦进入肥大状态,细胞氧化还原状态(redox state)的氧化转换(oxidative shift)改变了刺激信号的性质,从而导致与增生相反的细胞死亡过程[9];其它类型细胞在这些活动中表现为DNA酶活性升高,加速凋亡。(2)局部产生的生长因子充当诱发凋亡的信号。肿瘤坏死因子(TNF)及转化生长因子β(TGF-β)诱发生长抑制,而可能来源于TGF-β的c-myc在生长阻滞信号存在情况下表达能启动凋亡[18]。(3)Farnum和Wilsman[9]认为软骨-骨交界处血管化是凋亡的开关,血管化致使浆膜贴附到最终横隔,软骨细胞不对称会启动由淋巴细胞和单核细胞受体介导的凋亡。如果软骨细胞以凋亡终结,上述三种途径通过基因水平共同调节这一过程,有助于通过去除末端肥大软骨细胞而使骨延长。
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    参 考 文 献

    1 Cohen JJ.Programmed cell death in the immune system.Adv Immunol,1991,50:55-85.

    2 Kerr JFR,Wyllie AH,Curne AR.Apoptosis:a basic biological phenomenon with wideranging implication in tissue kinetics.Brit J Cancer,1972,26:239-257.

    3 Kerr JFR,Winterford CM,Harmon BV.Apoptosis:its significance in cancer and cancer therapy.Cancer,1994,74:2013-2026.

    4 Flomerfelt FA,Briehl MM,Dowd DB,et al.Elevated glutathione s-transferase gene expression is an early event during steroid-induced lymphocyte apoptosis.J Cell Physiol,1993,154:573-581.
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    5 Roach HI.Trans-differentiation of hypertrophic chondrocytes into cells capable of producing mineralised bone.Bone Miner,1992,19:1-20.

    6 Gentili C,Bianco P,Neri M,et al.Cell proliferation,extracellular matrix mineralization, and ovotransferrin transient expression during in vitro differentiation of chick hypertrophic chondrocytes into osteoblast-like cells.J Cell Biol,1993,122:703-712.

    7 Farnum CE,Wilsman NJ.Morphologic stages of the terminal hypertrophic chondrocyte of growth plate cartilage.Anat Res,1987,219:221-232.
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    8 Farnum CE,Wilsman NJ.Condensation of hypertrophic chondrocytes at the chondro-osseous junction of growth plate cartilage in Yucatan swine:relationship to long bone growth.Am J Anat,1989,186:346-358.

    9 Farnum CE,Wilsman NJ.Cellular turnover at the chondro-osseous junction of growth plate cartilage:analysis by serial sections at the light microscopical level.J Orthopaed Res,1989,7:654-666.

    10 Masashi H,Kevin J.End labeling studies of fragmented DNA in the avian growth plate:evidence of apoptosis in terminally differentiated chondrocytes.J Bone Miner Res,1995,10:1960-1968.
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    11 Helmtrud IR,Jekaterina E,Thomas A.Osteogenic differentiation of hypertrophic chondrocytes involves asymmetric cell divisions and apoptosis.J Cell Biology,1995,131:483-494.

    12 Gibson GJ,Kohler WJ,Schaffler MB.Chondrocyte apoptosis in endochondral ossification of chick sterna.Dev Dyn,1995,203:468-476.

    13 Gibson G,Lin DL,Roque M.Apoptosis of terminally differentiated chondrocyte in culture.Experimintal Cell Res,1997,233:372-382.
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    14 Amling M,Neff L,Tanaka S,et al.Bcl-2 lies downstream of parathyroid hormone-related peptide in a signaling pathway that regulates chondrocyte maturation during skeletal development.J Cell Biol,1997,136:205-213.

    15 Yang C,Li SW,Helminen HJ,et al.Apoptosis of chondrocyte in transgenic mice lacking collagen Ⅱ.Exp Cell Res,1997,235:370-373.

    16 Alini M,Kofsky Y,Wu W.In serum-free culture thyroid hormones can induce full expression of chondrocyte hypertrophy leading to matrix calcification.J Bone Miner Res,1996,11:105-113.
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    17 Muller Y,Rocchi E,Lazaro JB,et al.Thyroid hormone promotes Bcl-2 expression and prevents apoptosis of early differentiating cerebellar granule neurons.Int J Dev Neurosci,1995,13:871-885.

    18 Ohman MW,Lonnbro P.Antibody-induced apoptosis in a human leukemia cell line is energy dependent: thermochemical analysis of cellular metabolism.Cancer Letts,1993,75:103-109.

    (收稿:1998-03-02 修回:1998-08-26), 百拇医药