运动与骨内分泌系统研究进展.doc

运动与骨内分泌系统研究进展摘要：对运动与骨内分泌系统研究进行综合评述骨作为新型的内分泌器官，具有内分泌功能目前研究的重点主要是：骨钙素（OCN）和成纤维细胞生长因子23（FGF23） 其中 OCN 经过羧化后形成 uOCN，再作用于脂肪细胞和胰岛，以此调节瘦素、脂联素、胰岛素的分泌，最终作用于骨，形成反馈性回路，进而调控能量代谢而运动可能通过调节骨内分泌系统进而影响骨代谢，且不同方式运动对骨内分泌的调节不同，尤其是内分泌本质上是寻求内环境的稳定性，短时间或一次性运动对机体意义不大；当进行长期运动时，在调节骨结构的同时可显著影响相应因子，进而稳定骨内分泌系统这为运动改善骨及其机体代谢的分子生物学机制提供了新的思路 关键词：运动生物化学；骨钙素；成纤维细胞生长因子 23；综述 传统观念认为，骨骼是一种惰性静态器官，具有维持钙稳态、造血以及支持和保护肢体的功能，是甲状旁腺激素（PTH） 、降钙素（CT）和固醇类激素等的靶目标最新骨生物学发现，骨骼能够独立管理代谢活动，调节糖耐受力，并作为一个新型内分泌器官分泌特异性骨蛋白――骨钙素（osteocalcin，OCN）和成纤维细胞生长因子23（fibroblast growth factor 23，FGF23） ，其中 OCN 可通过瘦素（leptin） 、脂联素（adiponectin） 、胰腺（panereas）等多种反馈调节信号作用于骨；FGF23 通过对肾脏细胞膜特定受体的调节作用，以此维持血磷内稳态。

同时运动作为一种可调控骨代谢的方式逐渐受到重视，但是运动是否会通过骨内分泌系统进行调节？什么样的调节方式最为有效？这方面的相关研究较少，有关运动、骨内分泌、骨代谢三者之间关系尚不清楚本文通过对现有研究进行综合述评，从运动介导骨内分泌着手，探讨运动对骨代谢的影响，为运动改善骨健康提供新的思路 1OCN 的基本特征及对组织细胞功能的影响 OCN 由成熟的骨细胞和成骨细胞（osteoblast，OB）合成与分泌，占非胶原蛋白的 10%～20%，分子质量为 6 ku（kDa） ，由 4 个外显子和 3 个内含子组成，人与小鼠在OCN 外显子序列上有 70%的相似度，包括 98 个氨基酸残基，即由 23 个残基信号蛋白、26 个残基肽和 49 个残基成熟蛋白 3 部分构成；在 21、24、27 位有 3??y-羧基谷氨酸残基，又被称为骨 y-羧基谷氨酸蛋白（boney-carboxyglutamic acid protein，BGP） OCN 由维生素 K 依赖性 y-谷酰基羧酶（vitaminK-dependent y-glutamyl carboxylase，GGCX）催化而发生羧化反应，在骨和血液中，均可发现羧化完全骨钙素（carboxylated osteocalcin，cOCN）和羧化不全骨钙素（uncarboxylated osteocalcin，uOCN） 。

它们可以通过血液循环调控胰腺和脂肪细胞，维持着骨和这些器官的信号交流维生素 K 羧化系统功能发生紊乱时，会引起 OCN 合成障碍，从而引起骨代谢等相关性疾病的发生其中 cOCN 不具备活性能力，主要结合羟磷灰石（hvdroxyapatite，HA） ，储存在骨基质中；uOCN 包含 1～2 个 y-羧基谷氨酸残基，与骨的结合能力低并具有活性，主要存在于血液循环中，可促进小鼠胰岛 β 细胞增殖、胰岛素分泌、改善胰岛素抵抗、增加能量的消耗 1.1OCN 与胰腺和脂肪细胞的反馈回路 1994 年，Ducy 报道 OCN 小鼠会出现多尿和肥胖症，直到最近才发现与骨调控能量代谢以及糖尿病有关Lee 等研究发现，骨与胰岛之间存在明显的交互作用，并发现 OCN具有三重功效：提高胰岛素分泌量、促进胰岛素作用及阻止脂肪堆积胰岛素信号通路能够影响骨发育，胰岛素受体（Insulin Receptor，IR）是成骨细胞存活、增殖和分化的必要调节物，而 OCN 小鼠会出现血清胰岛素水平下降、葡萄糖刺激的胰岛素分泌（glucose-stimulated insulin secretion，GSIS）受损、葡萄糖耐受力降低的现象；与此同时，血清脂联素水平也有所下降，也就是说胰岛素敏感性与脂联素有关联。

其中 uOCN 可上调Insulinl、Insulin2、CyclinD1、CyclinD2 和 Cdk4 水平，也就不难理解 uOCN 对 β 细胞存在增强效应在小鼠研究中，胰岛素直接作用于成骨细胞促进 OCN 合成，抑制 OPG的合成，引起破骨细胞（osteoclast，OC）中 RANKL 的活性提高，破骨细胞内的骨吸收能力增强，质子（H+）和氯离子（C1）从破骨细胞中分泌进入再吸收腔，形成 pH=4.5的酸性环境，引起骨矿物质的脱钙作用，结合在羟磷灰石的 cOCN 发生脱羧产生 uOCN，进入血液循环，刺激胰腺反应，引起 β 细胞增殖、胰岛素分泌以及胰岛素敏感性升高，由此胰岛素与 OCN 形成反馈回路，使得 cOCN 羧化形成活性的uOCN，进人内分泌循环（图 1） 瘦素主要是通过减少进食，增加活动量而消耗脂肪脂肪组织分泌瘦素：一方面作用于 β 细胞，抑制胰岛素的分泌，直接调节 OCN；另一方面作用于下丘脑（hypothalamus） ，通过血脑屏障进入中枢神经系统，与脑干神经元表面受体结合，降低下丘脑中 5-羟色胺的合成并抑制，且增强交感神经活性，刺激儿茶酚胺类神经递质的释放，作用在成骨细胞中 β2。

肾上腺素受体，活化激活转录因子 4（activating transcription factor4，ATF4） ，提高成骨细胞的活性，阻碍破骨细胞合成和分化，抑制骨代谢并降低骨吸收能力，引起 OCN 脱羧减弱Ducy 等也证实了骨与脂肪细胞的回路关系，在瘦素全身性敲除小鼠（ob/ob）和瘦素受体敲除小鼠（db/db）研究中发现，缺乏瘦素或瘦素受体都会出现骨量升高的现象，向 ob/ob 小鼠第 3 脑室内注入瘦素后，小鼠骨量增加的表型得到了纠正，说明瘦素对骨代谢及骨质量具有显著影响脂肪细胞分泌的脂联素也可直接作用于胰岛，进而提高胰岛素的敏感性至此脂肪细胞通过瘦素、脂联素与 OCN 形成反馈回路 　　1.2OCN 对能量代谢的调控 胚胎干细胞磷酸酶（embyonic stem cell phos-phatase，Esp）基因（又名 Ptprv）通过编码受体样蛋白酪氨酸磷酸酶（osteotesticular protein tyrosine phosphatase，OST-PTP）影响成骨细胞分泌因子的活性，间接发挥调节能量代谢的作用，其主要针对 OCN 的调节，以此对下游通路产生影响，调节糖和能量代谢。

在对 OCN小鼠、Esp 鼠、Espobs 小鼠研究中发现，Esp、Espobs 小鼠出现低血糖症、围产期致死率升高，说明 Esp 在糖代谢、骨分泌以及骨代谢中扮演着重要角色成骨细胞中 Esp 的表达已经被证明可以抑制 β 细胞中胰岛素的表达与分泌，降低胰岛素的敏感性，最终降低能量代谢小鼠中 OST-PTP由 Esp 的缺失将导致 OCN 羧基化修饰失效而积累大量uOCN，Esp 小鼠表现出血糖下降、胰岛素分泌增加、血糖耐受力和 β 细胞增殖现象，uOCN 的含量下降；与 OCN 小鼠表型相反，OCN 小鼠表现出血糖增加、胰岛素分泌下降、血糖耐受力和 β 细胞增殖减弱、uOCN 缺失现象即 Esp 和 OCN在相同的通路下进行相反的调节，而 EspOCN 小鼠的能量代谢情况得到转变，因此 Esp 小鼠也可以被视为一个 OCN 减弱性模型通过胰岛素耐量实验以及高胰岛素的血糖钳技术，又一次证明 Esp 小鼠较野生型小鼠的胰岛素敏感性升高 50%左右，且静脉注射 cOCN 也可改善 OCN 小鼠的能量代谢水平 ATF4 在能量代谢中具有重要的调节作用，属于 cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP-responsive ele-ment-binding protein，CREB）家族成员，主要在成骨细胞中表达并调控多个基因，ATF4 小鼠出现血糖水平下降，胰岛素含量显著升高。

体外实验证明 ATF4 失活并不影响肝细胞中胰岛素敏感性，而在成骨细胞中 ATF4 失活会增加胰岛素分泌及其敏感度，但是 ATF4 过表达又会起到抑制胰岛素的效果ATF4通过促进 Esp 表达引起 IR 去磷酸化，骨吸收能力增强，使得细胞外基质（extracellular matrix，ECM）活性升高，最终促进 OCN 活化，IR 小鼠表现出葡萄糖耐受力下降、胰岛素敏感性降低现象，尤其是血液 uOCN 含量下降，也说明了成骨细胞中 IR 正向调控脱羧反应；此外，IR 磷酸化降低了 Fox01 激活，抑制 OPG 的分泌，Fox01 小鼠会引起低血糖症和高胰岛素水平，与高 uOCN 水平小鼠表型相似，这表明Fox01 可能是 OCN 转录或修饰的调节控制器分子实验研究发现，Fox01 可以与 Esp 启动子上的同源位点结合，从而激活下游 Esp 表达、OST-PTP 活化，使得 OCN 或 uOCN 羧化，新的 cOCN 将与羟磷灰石结合，沉积在骨基质中，uOCN 将下调Fox01 和 ATF4 共同上调 Esp 水平，而 ATF4 小鼠出现血糖水平下降，从而说明这是一个增加 OCN 活化的形式，而在 IR 小鼠中敲除 Fox01 会纠正这种表型，说明成骨细胞中IR 通过 Fox01 通路调节糖代谢。

2FGF23 的基本特征及对机体器官功能的影响 自 2000 年后，FGF23 被认为是骨内分泌系统中重要因子，从常染色体显性低磷血症佝偻病患者体内基因克隆而来，最初发现在间脑的腹外侧丘脑核内，最后被确定多位于骨组织细胞中，由骨细胞与成骨细胞合成并分泌FGF23是由 251 个氨基酸构成的蛋白质，属于 FGF13 亚基，相对分子质量为 32 kuFGF23 主要作用于肾脏特定的受体，影响肾脏和抑制维生素 D 合成，在成骨细胞中 FGF23 mRNA 的表达以依赖性方式应对细胞外磷酸盐的升高，降低原尿和小肠对磷的吸收，从而调控血磷水平血清磷主要受消化道吸收和肾小管重吸收一方面，FGF23 作用于 Klotho-FGF 受?w（Klotho- FGF receptor，FGFR） ，通过降低NPT2a 和 NPT2c 磷酸盐转运蛋白的表达抑制磷的重吸收，NPT2a 和 NPT2c 磷酸盐转运蛋白负责近端肾小管重吸收，也可以通过 PTH 间接影响 NPT 活性，链脲霉素诱导的糖尿病小鼠肾脏中发现，在高糖膳食情况下，FGFR 表达量下降，FGF23 减弱维生素 D3[1，25-（0H）2D3]表达水平；另一方面，在 FGF23 的调控下，25（OH）-1 a-羟化酶（cyp27b1）表达下降，使 1，25-（0H）zD3 合成受阻，同时促进 25（OH）-24-羟化酶（cyp24）的表达升高，又使1，25-（0H）2D3 分解能力增强，FGF23 最终降低 1，25-（0H）2D3 代谢活动，减弱了小肠和肾小管对磷酸盐的重吸收作用。

不难发现，FGF23 主要通过抑制肾小管磷酸盐重吸收和 1，25-（0H）2D3 的生物合成，维持磷酸盐的稳定（图 1） 这里 FGF23 与 1，25-（0H）2D3 还形成了一种负反馈机制在动物实验中，体内注射 FGF23 会抑制 1，25-（0H）2D3 的合成，而注射 1，25-（0H）2D3 反而促进骨细胞中 FGF23 mRNA 的表达同时还发现，FGF23 与 PTH 也存在负反馈调节过程，其中 PTH 同样受到 FGF23 的调控FGF23%小鼠会出现寿命短、生长慢、皮肤萎缩以及磷酸盐代谢紊乱现象，而 FGF23 过表达又会引起尿磷增加、PTH 亢进，引发低血磷症、1，25-（0H）2D3。