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【摘要】 成骨细胞和脂肪细胞共同来源于骨髓基质干细胞，在一定条件下两者可以相互转化。骨细胞是由嵌入骨基质的成骨细胞分化而来，但在研究骨细胞功能时发现骨细胞有去分化为成骨细胞的趋势。本文结合最新研究，简要介绍成骨细胞、骨细胞和脂肪细胞与它们关键性基因的相关性，着重叙述成骨细胞向脂肪细胞横向分化及可能机制，同时叙述了成骨细胞向骨细胞分化相关研究，供同行参考、借鉴。
【关键词】 成骨细胞； 脂肪细胞； 骨细胞； 横向分化
【Abstract】 Osteoblasts and adipocytes are derived from bone marrow stromal cells. Both of them have transdifferentiation each other under a certain condition. Osteocytes are differentiated from osteoblasts embedded in the bone matrix， but found in research of bone cell function， osteocytes have the tendency to dedifferentiate into osteoblasts.This paper introduces the correlation of osteoblasts， osteocytes ， adipocytes and their key genes combined with the latest research，and emphasizes the differentiation from osteoblasts into adipocytes and its possible mechanism， and it also narrates the research of differentiation from osteoblasts into osteocytes for reference to the colleagues.
【Key words】 Osteoblast； Adipocyte； Osteocyte； Transdifferentiation
成骨细胞在骨代谢中发挥了的重要作用，其分化成熟、功能活动及归属对骨质疏松等代谢性疾病的发生发展意义深远。研究发现，成骨细胞不仅可以在自身分泌的基质包埋下形成骨细胞，还可以横向分化为脂肪细胞。本文就成骨细胞向脂肪细胞横向分化及其向骨细胞分化作一综述。
1 各细胞与基因的相关性
1.1 成骨细胞与Runx2 Runx2为Runxx（runt related gene，Runxx）相关转录因子蛋白因子家族成员，是成骨细胞特异转录因子，在骨形成的多个阶段起调控作用。转录因子Runx2对成骨细胞表型的确定是必需的，当Runx2缺失时，鼠成骨细胞分化完全受抑制，骨膜成骨及软骨内成骨都不能发生[1]。体外实验证实，BMP-2与Runx2联合作用可使成骨细胞更好地分化[2]。另外，外源性Runx2还可对抗地塞米松诱导骨髓基质细胞向脂肪细胞分化的作用[3]。经典的Wnt/B—catenin信号通路和转化生长因子-β/骨形态发生蛋白（TGF—β/BMP-2）信号通路都可以促进成骨细胞的分化和其分泌的胞外基质矿化，这两条通路对成骨分化极为重要，研究发现它们最后的靶基因都是Runx2[4-5]。然而，Runx2不只是通过这两条途径发挥作用，大多涉及到成骨分化途径的最终靶基因几乎均是Runx2[6]。由此可见Runx2作为各个转导通路的交汇点对成骨细胞的分化起着决定性作用。不少学者还认为不少细胞因子、激素、药物都可以调节Runx2的表达，从而影响成骨分化。
1.2 骨细胞和SOST SOST基因编码骨硬化蛋白，其仅在骨细胞表达[7]。人的SOST表达缺失将导致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的发生。小鼠SOST基因缺失同样表现为高骨量和骨强度增加，而转基因小鼠过表达人SOST则表现为低骨量[8-9]。这些研究证明SOST基因编码骨硬化蛋白对骨形成具有特殊的抑制效果[10]。SOST基因编码的骨硬化蛋白对骨形成蛋白（BMP）家族的成员蛋白具有很强的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1与LRP5和LPR6结合，阻止Wnt信号通路的激活。此类研究表明骨细胞中少量表达的基因可能作为骨组织重建过程中的分子调解者。研究还发现，甲状旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表达，间断或连续给予PTH，都将下调小鼠骨细胞中骨硬化蛋白的表达，对人而言则降低骨硬化蛋白在体内循环水平[11]。
1.3 脂肪细胞和PPAR-γ 过氧化物酶增殖物激活受体γ（PPAR-γ）在不同物种动物的脂肪组织中高度表达。研究发现，在没有PPAR-γ的情况下，没有发现一种因素可以诱导脂肪细胞的分化，其被认为是与脂肪细胞分化最重要转录因子，尤其在脂肪细胞分化早期起到不可或缺的作用[12]。尽管C/EBPα基因在脂肪形成过程中也有着至关重要的作用，但在缺失PPAR-γ的永生纤维细胞系中，仅有C/EBPα基因条件下不能促进脂肪形成，而在C/EBPα基因缺失细胞中，PPAR-γ则可以促进脂肪形成[13]。不仅如此，Kim等[14]还发现，将小鼠成骨细胞株MC3T3-E1经过成脂诱导后，细胞的PPAR-γ的表达增强，表明PPAR-γ参与调控成骨细胞向脂肪细胞横向分化过程。由此可见，深入研究PPAR-γ信号通路将为脂类代谢疾病的治疗和预防提供重要的理论参考。
2 成骨细胞向脂肪细胞横向分化
随着细胞生物学研究的不断深入，越来越多的研究表明，起源于同一祖细胞的各种终末分化细胞在一定的条件下可以相互转化，由一种细胞横向分化（transdifferentiation）为另一种细胞[15-16]。成熟的成骨细胞和脂肪细胞均是由骨髓间充质干细胞分化而来，它们具有某些相同的细胞表型，在一定条件下同样能发生横向分化。Nuttal等[17-18]的研究在这方面提供了有力证据，他们认为在一定的条件下，成熟成骨细胞能向脂肪细胞发生横向分化。此后国内学者将成骨细胞置于成脂培养基中进行诱导分化也证实了这个结论[19-20]。此外，童天朗等[21]采用间充质干细胞向成骨细胞分化，定向成骨分化的“前成骨细胞”也成功的分化为脂肪细胞。随着糖皮质激素在临床上的应用越来越广泛，Yao等[22]发现，大剂量糖皮质激素作用下的小鼠骨髓组织中有大量脂肪细胞沉积。为探究其机制，罗磊等[23]将糖皮质激素长期、大剂量地作用于大鼠颅骨成骨细胞，发现糖皮质激素可使成骨细胞横向分化为成熟的脂肪细胞。进一步研究发现，大剂量GCs作用下，PPAR-γ表达上调、Runx2表达下调，调控BMSCs向脂肪细胞分化并促进成骨细胞横向分化为脂肪细胞[24]。这些发现证明了在超生理剂量GCs作用下，一方面BMSCs向脂肪细胞分化，并抑制其向成骨细胞分化；另一方面成骨细胞向脂肪细胞分化，最终导致骨髓内脂肪细胞积聚、成骨细胞数量减少，骨代谢失衡。 上述研究表明，骨髓中脂肪细胞的增加伴随着成骨细胞的减少，两者存在“此消彼长”的关系，暗示脂肪细胞分化和成骨细胞分化可能有共同的作用调控靶点。细胞向特定方向分化受相关基因的调控。Runx2是成骨分化主要的决定基因，而PPARγ主要促进脂肪形成。Kim等[14]实验发现可以通过成脂转录因子PPAR-γ将小鼠成骨细胞株MC3T3-E1诱导分化为成熟的脂肪细胞。表明内源性PPAR-γ活化在谱系分化过程中可使非成熟或成熟成骨细胞谱系更倾向于向脂肪谱系转变。另外，TAZ（具有PDZ结合域的转录共刺激因子）是可以与14—3—3蛋白结合的一个转录调节因子，其通过共激活Runx2依赖基因的转录和抑制PPARγ依赖基因的转录，从而促进骨形成和抑制脂肪形成。这些发现表明Runx2或PPARγ2表达对细胞向成骨细胞还是脂肪细胞分化有着重要意义。
研究发现脂肪细胞分化特异转录因子和脂肪细胞特异基因的表达与激素使用剂量和使用时间呈正相关[25]。国内研究者在这方面做了深入的研究，谢小伟等[26]认为长期、大剂量应用糖皮质激素可通过升高DKK-1的表达抑制促进成骨细胞分化的Wnt信号通路，成骨细胞增殖受抑制，促进其脂肪化，提示经典Wnt信号通路对成骨细胞与脂肪细胞横向分化有一定的影响，但具体的分子机制尚不明确。此外，王兆杰等[27]指出缝隙连接蛋白Cx43可能在骨髓成骨细胞向脂肪细胞横向分化过程中起主导地位。其分子作用机制可能是某些抑制剂使细胞膜上有效的缝隙连接通道数量减少。骨骼中缝隙连接通讯的调节可能代表新一类药物的目标，此类药物可以抑制成脂的发生而相应的引起成骨过程的升高。
3 成骨细胞向骨细胞分化
骨细胞和成骨细胞是骨组织中重要组成部分，其中骨细胞总数占骨组织细胞90%以上，它是由成骨细胞分泌基质并自身包埋分化而成，并拥有大量突触结构，因此，骨细胞可以理解为终末的成骨细胞[28]。虽然骨细胞是终末分化的成骨细胞系，但是两种细胞在形态、标志物、功能等方面均有显著差异。成骨细胞分化为新生骨细胞后，细胞体积下降70%，细胞也逐渐失去了细胞器和分泌细胞外基质的能力，而突触的体积却增加[29]。这些含有细胞浆的突触将骨细胞与临近骨细胞、成骨细胞和破骨细胞串联起来，成为与其他细胞形态学鉴别的突出特征。而Pazzaglia等[30]在这方面做了最新的研究，他们使用扫描电镜（SEM）分析证实骨陷窝-微管系统（lacuna-canalicuarsystem）的形成对成骨细胞向骨细胞分化有重要意义。据报道，成骨细胞中ALP的表达明显高于骨细胞，且随着成骨细胞向骨细胞分化进展，ALP的表达呈逐步下降趋势[31]。骨钙素（OC）是成骨细胞特异性合成和分泌的一种非胶原蛋白，是向成熟骨细胞分化的最具特征性的标志物。在成骨细胞分化后期表达大量的OC调节其向骨细胞分化，而在成熟骨细胞阶段OC的表达处于高峰期。因此，它在成骨细胞体外分化为成熟骨细胞及基质钙化的过程中具有重要意义。
然而，近来的研究发现，骨细胞在常规的二维培养环境中有发生去分化的趋势，失去了骨细胞固有形态。甚至将其培养于含Ⅰ型胶原蛋白凝胶（含0.1%FBS）的三维培养基中，随着时间的推移，骨细胞同样去分化为成骨细胞，但其去分化现象没有在二维培养基中显著[32]。为了全面分析骨细胞功能，相关学者建立了一个更好的维持骨细胞特性和形状的培养条件（含50%人工基膜（Matrigel）和0.2%FBS的Ⅰ型胶原培养基），但并不能完全抑制成熟骨细胞的去分化[33]。此外，Torreggiani等[34]发现内嵌在骨基质中的前骨细胞/骨细胞是活动的，一旦给予额外的骨环境，它们将从骨陷窝中迁移出去并去分化为成骨细胞，这可能是成骨细胞另一来源。这些研究暗示，我们有必要去建立一个更适合培养骨细胞的体外环境，以避免骨细胞去分化为成骨细胞存在的干扰问题。
综上所述，在骨髓基质系统中，成骨细胞不仅在一定条件下可以横向分化为脂肪细胞，也是生成骨细胞的主要来源，其在骨组织中拥有至关重要的地位。当前不少研究报道认为，骨质减少性疾病是由于骨髓中脂肪细胞增加，这些增加的脂肪细胞可能是由BMSCs直接纵向分化而来，但也有可能是由成骨细胞横向分化转变而来，Runx2与PPAR-γ是成骨细胞和脂肪细胞分化的关键性调控因子，两者相关的信号转导通路间相互协调、相互抑制。研究还发现细胞间的缝隙连接也可能是这两种细胞相互转化的机制。由此设想，如果改变脂肪细胞分化过程中相关基因表达方式或调控缝隙连接通道，阻止成骨细胞横向分化为脂肪细胞，甚至促进脂肪细胞再分化为成骨样细胞，以达到治疗骨丢失和骨代谢异常的目的。研究发现，骨细胞有向成骨细胞逆向分化的可能，这成为笔者体外研究骨细胞的一个难题，构建维持骨细胞结构及功能的体外培养系统，可能成为笔者下一步研究的一个方向。
参考文献
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（收稿日期：2014-12-30） （本文编辑：周亚杰）
【关键词】 成骨细胞； 脂肪细胞； 骨细胞； 横向分化
【Abstract】 Osteoblasts and adipocytes are derived from bone marrow stromal cells. Both of them have transdifferentiation each other under a certain condition. Osteocytes are differentiated from osteoblasts embedded in the bone matrix， but found in research of bone cell function， osteocytes have the tendency to dedifferentiate into osteoblasts.This paper introduces the correlation of osteoblasts， osteocytes ， adipocytes and their key genes combined with the latest research，and emphasizes the differentiation from osteoblasts into adipocytes and its possible mechanism， and it also narrates the research of differentiation from osteoblasts into osteocytes for reference to the colleagues.
【Key words】 Osteoblast； Adipocyte； Osteocyte； Transdifferentiation
成骨细胞在骨代谢中发挥了的重要作用，其分化成熟、功能活动及归属对骨质疏松等代谢性疾病的发生发展意义深远。研究发现，成骨细胞不仅可以在自身分泌的基质包埋下形成骨细胞，还可以横向分化为脂肪细胞。本文就成骨细胞向脂肪细胞横向分化及其向骨细胞分化作一综述。
1 各细胞与基因的相关性
1.1 成骨细胞与Runx2 Runx2为Runxx（runt related gene，Runxx）相关转录因子蛋白因子家族成员，是成骨细胞特异转录因子，在骨形成的多个阶段起调控作用。转录因子Runx2对成骨细胞表型的确定是必需的，当Runx2缺失时，鼠成骨细胞分化完全受抑制，骨膜成骨及软骨内成骨都不能发生[1]。体外实验证实，BMP-2与Runx2联合作用可使成骨细胞更好地分化[2]。另外，外源性Runx2还可对抗地塞米松诱导骨髓基质细胞向脂肪细胞分化的作用[3]。经典的Wnt/B—catenin信号通路和转化生长因子-β/骨形态发生蛋白（TGF—β/BMP-2）信号通路都可以促进成骨细胞的分化和其分泌的胞外基质矿化，这两条通路对成骨分化极为重要，研究发现它们最后的靶基因都是Runx2[4-5]。然而，Runx2不只是通过这两条途径发挥作用，大多涉及到成骨分化途径的最终靶基因几乎均是Runx2[6]。由此可见Runx2作为各个转导通路的交汇点对成骨细胞的分化起着决定性作用。不少学者还认为不少细胞因子、激素、药物都可以调节Runx2的表达，从而影响成骨分化。
1.2 骨细胞和SOST SOST基因编码骨硬化蛋白，其仅在骨细胞表达[7]。人的SOST表达缺失将导致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的发生。小鼠SOST基因缺失同样表现为高骨量和骨强度增加，而转基因小鼠过表达人SOST则表现为低骨量[8-9]。这些研究证明SOST基因编码骨硬化蛋白对骨形成具有特殊的抑制效果[10]。SOST基因编码的骨硬化蛋白对骨形成蛋白（BMP）家族的成员蛋白具有很强的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1与LRP5和LPR6结合，阻止Wnt信号通路的激活。此类研究表明骨细胞中少量表达的基因可能作为骨组织重建过程中的分子调解者。研究还发现，甲状旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表达，间断或连续给予PTH，都将下调小鼠骨细胞中骨硬化蛋白的表达，对人而言则降低骨硬化蛋白在体内循环水平[11]。
1.3 脂肪细胞和PPAR-γ 过氧化物酶增殖物激活受体γ（PPAR-γ）在不同物种动物的脂肪组织中高度表达。研究发现，在没有PPAR-γ的情况下，没有发现一种因素可以诱导脂肪细胞的分化，其被认为是与脂肪细胞分化最重要转录因子，尤其在脂肪细胞分化早期起到不可或缺的作用[12]。尽管C/EBPα基因在脂肪形成过程中也有着至关重要的作用，但在缺失PPAR-γ的永生纤维细胞系中，仅有C/EBPα基因条件下不能促进脂肪形成，而在C/EBPα基因缺失细胞中，PPAR-γ则可以促进脂肪形成[13]。不仅如此，Kim等[14]还发现，将小鼠成骨细胞株MC3T3-E1经过成脂诱导后，细胞的PPAR-γ的表达增强，表明PPAR-γ参与调控成骨细胞向脂肪细胞横向分化过程。由此可见，深入研究PPAR-γ信号通路将为脂类代谢疾病的治疗和预防提供重要的理论参考。
2 成骨细胞向脂肪细胞横向分化
随着细胞生物学研究的不断深入，越来越多的研究表明，起源于同一祖细胞的各种终末分化细胞在一定的条件下可以相互转化，由一种细胞横向分化（transdifferentiation）为另一种细胞[15-16]。成熟的成骨细胞和脂肪细胞均是由骨髓间充质干细胞分化而来，它们具有某些相同的细胞表型，在一定条件下同样能发生横向分化。Nuttal等[17-18]的研究在这方面提供了有力证据，他们认为在一定的条件下，成熟成骨细胞能向脂肪细胞发生横向分化。此后国内学者将成骨细胞置于成脂培养基中进行诱导分化也证实了这个结论[19-20]。此外，童天朗等[21]采用间充质干细胞向成骨细胞分化，定向成骨分化的“前成骨细胞”也成功的分化为脂肪细胞。随着糖皮质激素在临床上的应用越来越广泛，Yao等[22]发现，大剂量糖皮质激素作用下的小鼠骨髓组织中有大量脂肪细胞沉积。为探究其机制，罗磊等[23]将糖皮质激素长期、大剂量地作用于大鼠颅骨成骨细胞，发现糖皮质激素可使成骨细胞横向分化为成熟的脂肪细胞。进一步研究发现，大剂量GCs作用下，PPAR-γ表达上调、Runx2表达下调，调控BMSCs向脂肪细胞分化并促进成骨细胞横向分化为脂肪细胞[24]。这些发现证明了在超生理剂量GCs作用下，一方面BMSCs向脂肪细胞分化，并抑制其向成骨细胞分化；另一方面成骨细胞向脂肪细胞分化，最终导致骨髓内脂肪细胞积聚、成骨细胞数量减少，骨代谢失衡。 上述研究表明，骨髓中脂肪细胞的增加伴随着成骨细胞的减少，两者存在“此消彼长”的关系，暗示脂肪细胞分化和成骨细胞分化可能有共同的作用调控靶点。细胞向特定方向分化受相关基因的调控。Runx2是成骨分化主要的决定基因，而PPARγ主要促进脂肪形成。Kim等[14]实验发现可以通过成脂转录因子PPAR-γ将小鼠成骨细胞株MC3T3-E1诱导分化为成熟的脂肪细胞。表明内源性PPAR-γ活化在谱系分化过程中可使非成熟或成熟成骨细胞谱系更倾向于向脂肪谱系转变。另外，TAZ（具有PDZ结合域的转录共刺激因子）是可以与14—3—3蛋白结合的一个转录调节因子，其通过共激活Runx2依赖基因的转录和抑制PPARγ依赖基因的转录，从而促进骨形成和抑制脂肪形成。这些发现表明Runx2或PPARγ2表达对细胞向成骨细胞还是脂肪细胞分化有着重要意义。
研究发现脂肪细胞分化特异转录因子和脂肪细胞特异基因的表达与激素使用剂量和使用时间呈正相关[25]。国内研究者在这方面做了深入的研究，谢小伟等[26]认为长期、大剂量应用糖皮质激素可通过升高DKK-1的表达抑制促进成骨细胞分化的Wnt信号通路，成骨细胞增殖受抑制，促进其脂肪化，提示经典Wnt信号通路对成骨细胞与脂肪细胞横向分化有一定的影响，但具体的分子机制尚不明确。此外，王兆杰等[27]指出缝隙连接蛋白Cx43可能在骨髓成骨细胞向脂肪细胞横向分化过程中起主导地位。其分子作用机制可能是某些抑制剂使细胞膜上有效的缝隙连接通道数量减少。骨骼中缝隙连接通讯的调节可能代表新一类药物的目标，此类药物可以抑制成脂的发生而相应的引起成骨过程的升高。
3 成骨细胞向骨细胞分化
骨细胞和成骨细胞是骨组织中重要组成部分，其中骨细胞总数占骨组织细胞90%以上，它是由成骨细胞分泌基质并自身包埋分化而成，并拥有大量突触结构，因此，骨细胞可以理解为终末的成骨细胞[28]。虽然骨细胞是终末分化的成骨细胞系，但是两种细胞在形态、标志物、功能等方面均有显著差异。成骨细胞分化为新生骨细胞后，细胞体积下降70%，细胞也逐渐失去了细胞器和分泌细胞外基质的能力，而突触的体积却增加[29]。这些含有细胞浆的突触将骨细胞与临近骨细胞、成骨细胞和破骨细胞串联起来，成为与其他细胞形态学鉴别的突出特征。而Pazzaglia等[30]在这方面做了最新的研究，他们使用扫描电镜（SEM）分析证实骨陷窝-微管系统（lacuna-canalicuarsystem）的形成对成骨细胞向骨细胞分化有重要意义。据报道，成骨细胞中ALP的表达明显高于骨细胞，且随着成骨细胞向骨细胞分化进展，ALP的表达呈逐步下降趋势[31]。骨钙素（OC）是成骨细胞特异性合成和分泌的一种非胶原蛋白，是向成熟骨细胞分化的最具特征性的标志物。在成骨细胞分化后期表达大量的OC调节其向骨细胞分化，而在成熟骨细胞阶段OC的表达处于高峰期。因此，它在成骨细胞体外分化为成熟骨细胞及基质钙化的过程中具有重要意义。
然而，近来的研究发现，骨细胞在常规的二维培养环境中有发生去分化的趋势，失去了骨细胞固有形态。甚至将其培养于含Ⅰ型胶原蛋白凝胶（含0.1%FBS）的三维培养基中，随着时间的推移，骨细胞同样去分化为成骨细胞，但其去分化现象没有在二维培养基中显著[32]。为了全面分析骨细胞功能，相关学者建立了一个更好的维持骨细胞特性和形状的培养条件（含50%人工基膜（Matrigel）和0.2%FBS的Ⅰ型胶原培养基），但并不能完全抑制成熟骨细胞的去分化[33]。此外，Torreggiani等[34]发现内嵌在骨基质中的前骨细胞/骨细胞是活动的，一旦给予额外的骨环境，它们将从骨陷窝中迁移出去并去分化为成骨细胞，这可能是成骨细胞另一来源。这些研究暗示，我们有必要去建立一个更适合培养骨细胞的体外环境，以避免骨细胞去分化为成骨细胞存在的干扰问题。
综上所述，在骨髓基质系统中，成骨细胞不仅在一定条件下可以横向分化为脂肪细胞，也是生成骨细胞的主要来源，其在骨组织中拥有至关重要的地位。当前不少研究报道认为，骨质减少性疾病是由于骨髓中脂肪细胞增加，这些增加的脂肪细胞可能是由BMSCs直接纵向分化而来，但也有可能是由成骨细胞横向分化转变而来，Runx2与PPAR-γ是成骨细胞和脂肪细胞分化的关键性调控因子，两者相关的信号转导通路间相互协调、相互抑制。研究还发现细胞间的缝隙连接也可能是这两种细胞相互转化的机制。由此设想，如果改变脂肪细胞分化过程中相关基因表达方式或调控缝隙连接通道，阻止成骨细胞横向分化为脂肪细胞，甚至促进脂肪细胞再分化为成骨样细胞，以达到治疗骨丢失和骨代谢异常的目的。研究发现，骨细胞有向成骨细胞逆向分化的可能，这成为笔者体外研究骨细胞的一个难题，构建维持骨细胞结构及功能的体外培养系统，可能成为笔者下一步研究的一个方向。
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（收稿日期：2014-12-30） （本文编辑：周亚杰）