破骨细胞的分化与功能
破骨细胞是组织特异性的多核巨噬细胞，由骨表面或其附近的单核细胞/巨噬细胞前体分化而来［1-6］。最早对破骨细胞起源的认识是在20世纪70年代中期。在一项动物实验中，Walker证明了可以用骨髓或者淋巴细胞移植的方式治疗小鼠石骨症，这说明了破骨细胞的造血系起源［50，51］。在一例临床治疗中，通过移植一位男性亲属提供的骨髓治疗一位女性石骨症患者，医生跟踪Y染色体证明了破骨细胞来源于造血干细胞，而成骨细胞则不是［52，53］。1988年，Suda的研究团队证明造血系单核细胞可以在体外被诱导为多核骨吸收细胞，这为破骨细胞的起源提供了直接的证据［54］。
对破骨细胞分化的认识，最早来源Suda等人的工作［54］。在体外，骨髓或脾细胞可以在与基质细胞共同培养的情况下分化成为破骨细胞。这说明基质细胞和骨髓细胞之间的紧密联系，或者基质细胞分泌的细胞因子刺激了破骨细胞的形成。Op/op小鼠携带一个M-CSF突变位点，导致破骨细胞缺乏的石骨症，这让人们很早就意识到M-CSF对于破骨细胞形成的重要性［55，56］。然而M-CSF单独在体外不足以促成破骨细胞的分化形成，因此，共培养系统中必定有另外一个 (或一些)细胞因子，对破骨细胞的形成必不可少。起初人们并清楚这是什么细胞因子，将它命名为ODF(osteoclast differentiation factor，破骨细胞分化因子)。进一步的研究表明RANKL就是ODF［57-61］。至此，RANKL和M-CSF被确认为破骨细胞分化所必需的两个细胞因子，这也为体外破骨细胞纯化培养奠定了基础。此外，一些炎症因子，包括肿瘤坏死因子 (TNF-α)和白细胞介素1(IL-1)也对破骨细胞的形成和功能有显著的影响［62］。目前已知的和破骨细胞分化相关的通路主要有三条：RANKL-RANK-TRAF6通路，ITAM共激活信号，M-CSF-c-Fms信号通路 (图9-1)。
1.RANKL-RANK-TRAF6信号通路 RANKL-RANKTRAF6信号通路是破骨细胞中被最广泛研究的一条通路，也是被认为对破骨细胞分化至关重要的一条通路。1997年，60kDa的分泌型的糖蛋白骨保护素 (osteoprotegerin，OPG)被发现能够在体外共培养系统和转基因小鼠中强烈地抑制破骨细胞的分化，OPG过表达小鼠出现骨硬化症［63，64］。通过筛选ST2细胞cDNA表达文库支持破骨细胞分化的方法，发现OPG是通过抑制RANKL来抑制破骨细胞分化。OPG属于TNFR(tumor necrosis factors receptor，肿瘤坏死因子受体)超家族，而RANKL属于TNF(tumor necrosis factors，肿瘤坏死因子)超家族，在被发现在破骨细胞中有至关重要的功能之前，RANKL被认为在成熟的T细胞中表达，激活树突状细胞的细胞因子。RANKL及其受体RANK的基因缺陷小鼠和OPG过表达小鼠一样，也表现出石骨症［65］。TRAF(TNF receptor associated factors，肿瘤坏死因子相关因子) -2，3，5结合于RANK的蛋白胞内段末梢，TRAF6结合于RANK蛋白胞内段靠近细胞膜的区域［66］，而其中TRAF6是RANK下游主要的信号分子［66，67］。
图9-1 破骨细胞的分化相关信号通路
TRAF6可以激活一系列的信号因子，包括I-κB，MAPK(mitogen-activated protein kinases，丝裂原活化蛋白激酶)，包括ERK1/2(extracellular signal-regulated kinases1/2，胞外信号调节激酶)、JNK(c-Jun N-terminal kinases，c-Jun氨基末端激酶)、p38(p38 MAPK，p38丝裂原活化蛋白激酶))和 AKT(PKB， Protein Kinase B，蛋白激酶B)通路［2，3，6］。它们继而激活转录因子NF-κB，AP-1(activator protein 1，激活蛋白1，c-fos和cjun形成的复合物)和MITF(microphthalmia-associated transcription factor)。同时RANK-TRAF6通路轴可以和含有ITAM结构域的适配分子 ［DAP12(DNAX activation protein of 12 kDa DNAX激活为12 kDa的蛋白质)和FcRγ(Fc receptor commonγsignaling chain共同Fc受体γ信号链)］一起，激活钙震荡信号和下游的钙依赖型磷酸酶促进NFATc1(NFATc1，nuclear factor of activated T-cells，cytoplasmic，calcineurin-dependent1，细胞质钙调磷酸酶依赖型活化T细胞核因子-1)的核转移［68］。(https://www.daowen.com)
2.ITAM共激活信号 NFATc1是破骨细胞分化和激活过程中举足轻重的转录因子。NFATc1敲除小鼠在胚胎E14.5天就已经死亡［69，70］。Dr.Takayanagin H.为发现 NFATc1在破骨细胞中的重要功能做出了卓越的贡献。2002年，Dr.Takayanagin H.等人发现野生型的胚胎干细胞NFATc1缺陷的胚胎干细胞不能分化为破骨细胞，而NFATcl过表达的骨髓巨噬细胞中在没有RANKL的情况下可以分化成破骨细胞［71］。随后一系列小鼠模型进一步确立了NFATc1在破骨细胞分化中的核心作用［72，73］。NFATc1驱动了一系列破骨细胞特异性基因的表达，包括TRAP［71］、calcitonin receptor［71］、CtsK［74］、β3 integrin［75］、OSCAR (osteoclast-associated immunoglobulin-like receptor，破骨细胞相关的免疫球蛋白样受体)［76，77］。在NFATc1实现功能的过程中，往往会和破骨细胞其他几个重要的转录因子形成复合体，包括CREB (cAMP response element-binding protein，cAMP反应元件结合蛋白)［78］、AP-1［75，79］、 MITF［77，80］和 PU.1［74，80］， 但转录复合物的具体构成因基因而异。
NFATc1需要含有RANKL信号通路和ITAM域的适配分子信号通路共同激活。免疫球蛋白类样受体OSCAR被报道参与了成骨细胞-破骨细胞之间的相互作用。OSCAR可以和两个适配蛋白相互作用，FcRγ和DAP12，这两个蛋白都含有ITAM结构域，这个结构域在免疫细胞能够激活钙离子信号［81，82］。FcRγ或者DAP12被Src家族激酶磷酸化，招募酪氨酸激酶 Tec家族蛋白 Btk或者Tec［83］，Btk或Tec继而招募BLNK或SLP-76［84］，这个复合物磷酸化激活PLCγ2(phospholipase Cγ2，磷脂酶Cγ2)［85］。PLCγ2将PIP2［Ptdlns(4，5)P2，磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸］分解为IP3［Ptdns(3，4，5)P3，3-磷酸基团的磷脂酰肌醇］和DAG (diacyl glycerol，二酰基甘油)。IP3通过诱导内质网Ca2+库的释放，增加细胞中Ca2+浓度［83，84］。增加的Ca2+浓度激活Calcineurin从而刺激NFATc1入核。在破骨细胞分化过程中，Ca2+浓度处于一个持续波动的状态 (钙震荡)，RGS10(regulator of G protein signaling-10，G蛋白信号调节因子-10)在这个过程中起到关键的作用［86］。
3.M-CSF-c-Fms信号通路 M-CSF主要诱导的通路有MAPK/ERK通路和PI3K/AKT通路，传统上认为和破骨细胞的存活和增殖有关［6］。