甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制(5)

除了间充质干细胞外，流体剪切应力能诱导成骨细胞中骨形态发生蛋白受体表达进而激活Smad1/5，上调白细胞介素11的表达最终促进成骨细胞分化。也有研究发现，采用10%、频率为1 Hz强度的机械应力能通过骨形态发生蛋白受体Ⅰ来激活Smad1/5，进而上调Runx2来促进骨形成[44]。通过对MC3T3-E1成骨细胞系施加不同形变幅度和时间的牵张应力干预，结果发现，中等强度(3%和6%)和中等时间(4 h)的干预能有效促进碱性磷酸酶、Runx2、骨钙素、Osx等mRNA表达升高，并降低硬化蛋白 mRNA[45]，使得Wnt信号通路被激活，从而促进骨形成。GAO等[46]也有相似发现，机械振动(0.5 gn，45 Hz)促进了成骨细胞增殖和细胞外基质矿化，改善了原代成骨细胞中细胞骨架的排列，进一步检测到碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白2、骨保护素 mRNA表达增加，硬化蛋白表达被抑制，另外还检测到Wnt3a、β-catenin蛋白表达上升，这种变化促进了骨形成。另外，骨保护素大鼠经负重爬梯训练后，骨组织中骨保护素表达上升而RANKL表达下降，OPG/RANKL比例上升，从而抑制破骨细胞分化，使骨吸收/骨形成逆向迁移，对骨质疏松症产生改善作用[47]。

2.3.2 DNA甲基化在运动调控骨质疏松症中的作用机制 目前，运动在防治某些疾病如2型糖尿病、肥胖、阿尔茨海默症中受到越来越多重视，而研究表明，运动能通过调节相关基因甲基化水平改善这些疾病。何标等[48]对APP/PS1转基因小鼠施加10周跑台运动后，小鼠海马中DNMT1、DNMT3a、DNMT3b mRNA表达显著增加，造成小鼠海马甲基化水平升高，降低了APP/PS1/ Aβ42等蛋白表达水平，从而提高小鼠空间记忆能力。田雪文[49]分别采用低氧运动和常氧运动处理肥胖大鼠后发现，低氧运动能有效降血脂、调节脂代谢进而降低体质量、体脂，对相关因子mRNA和蛋白表达进行检测后发现，与脂代谢相关的基因表达出现显著变化，并用RRBS技术检测到两种运动方式使大鼠全基因组中675个基因的CPG岛发生显著的甲基化变化，其中Wnt信号通路相关基因的mRNA表达和甲基化最明显。这些研究直接证明了运动可以通过改变DNA甲基化来对机体产生影响。

研究证实，DNA甲基化在运动影响骨代谢中具有重要调控作用。将小鼠体内分离出来的间充质干细胞置于振荡流液中进行3 h机械刺激，经检测，在排除生物化学诱导分化的影响后，骨桥蛋白表达增加了2.3倍，且启动子甲基化下降了35%，并且3周的生化诱导分化所引起的骨桥蛋白低甲基化与3 h机械刺激引起的低甲基化差异不大，证明了机械刺激较生化调节来说是一种较强的调节手段。该实验首次验证了机械微环境能通过降低骨桥蛋白启动子甲基化水平来上调其表达，并促进间充质干细胞的迁移进而增加成骨分化的潜力[50]。 GNAS基因与多种骨疾病有关，GNAS1基因编码的刺激性 G蛋白 α 亚基 (Stimulatory protein subunit α, Gsα)可通过经典Wnt/β-catenin信号通路以及Hedgehog信号途径对成骨分化和骨形成产生影响。VLAIKOu等[51]对从成年男性和女性供体获得的AT-MSC施加循环机械拉伸，15d后从细胞形态上观察到成骨率明显升高，并检测到NESP CpG24，GNASXL CpG27和GNASXL CpG26三个CPG位点的总体甲基化水平在15 d后显著降低，这促进了人脂肪组织多能基质细胞(hAT-MSC)成骨分化。

综上，以上研究证实了长期的机械应力能诱导GNAS基因甲基化水平改变，从而诱导人脂肪组织多能基质细胞(hATMSC)向成骨分化，促进骨形成。非受体酪氨酸蛋白激酶和非受体酪氨酸激酶作为影响骨形成代谢的重要因子，可通过抑制骨桥蛋白、Osx以及Runx2等骨形成基因来调节骨量，非受体酪氨酸蛋白激酶或非受体酪氨酸激酶基因缺失小鼠都表现出高骨量[52]。非受体酪氨酸蛋白激酶和非受体酪氨酸激酶可以响应对骨骼的机械负荷，HuM等[52]通过对MC3T3成骨细胞施加流体剪切应力后发现，非受体酪氨酸蛋白激酶和非受体酪氨酸激酶被激活并大量转移入核并与甲基CPG结合域蛋白2(MBD2)结合，后者再与基因启动子中的CPG岛结合导致基因沉默，该过程同时还增加了骨桥蛋白与环氧合酶2表达，促进了骨形成。

图2｜部分骨代谢途径中的DNA甲基化

图3｜DNA甲基化在运动影响骨代谢中的可能作用机制

综上所述，DNA甲基化引发的骨代谢紊乱导致骨质疏松症发生，而运动防治骨质疏松症中伴随着β-catenin、Osx、骨桥蛋白、Runx2、RANKL、Notch1等基因的表达改变。研究表明，运动可通过DNA甲基化来防治多种疾病，如肥胖、2型糖尿病、阿尔茨海默症等。体外实验证明，外界产生的机械负荷可以作用于间充质干细胞，通过降低骨桥蛋白、GNAS1等骨形成基因的甲基化水平来上调其表达进而促进间充质干细胞成骨分化。因此，结合相关研究，运动可能通过DNA甲基化来影响骨质疏松症的几个位点：运动能使硬化蛋白基因发生甲基化，下调其表达从而减少对Wnt通路的抑制，上调β-catenin表达进而促进骨形成；运动能使Notch1和Jag-1发生去甲基化并促进其表达，激活Notch通路，上调下游信号分子HES1表达，进而促进骨形成，同时 Notch1表达增加会促进骨保护素表达上升，减弱骨吸收；运动使RANKL甲基化水平提高并降低其表达，使OPG/RANKL上升，协同Notch通路抑制破骨细胞活性，减弱骨吸收(图3)。

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