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Notch信号通路调控软骨内成骨的研究现状

脊椎动物的骨骼形成是一个复杂的过程。从间充质细胞的富集、体节的形成、

软骨内成骨或膜内成骨到骨骼的钙化，软骨细胞、成骨细胞和破骨细胞之间总是

存在功能的平衡。软骨内成骨作为骨骼形成的一种主要方式，受多种因素的影响，

Notch通路在该过程中起到了极其重要的作用。

1软骨内成骨

脊椎动物的骨骼发育主要有两种形式：一种是以颅面部骨及锁骨为代表的膜

内成骨，还有以中轴骨、四肢骨及颅底骨为代表的软骨内成骨[1]。软骨内成骨

发生在胚胎早期，始于间充质细胞的富集，继而形成两种不同的细胞亚群：一个

群体形成骨骼生长板，即胚胎发育的一次骨化中心，主要决定了骨的形状；另外

一群体则形成骨骺端关节软骨，又被称为二次骨化中心，进一步限定了骨的形状

和大小[2]。通常，骨的形状不同，骨化的方式也有所不同，如：四肢的长骨为

二次骨化形式，而椎骨则为一次骨化形成。颅底软骨的形成及骨化类似于四肢骨，

以生长板形式进行。

在间充质细胞富集区，中心区域的细胞终止增殖，进入分化，经过前肥大细

胞、肥大细胞、终末肥大细胞最终分化为肥大成熟的软骨细胞，分泌矿化的细胞

外基质即形成软骨，为下一步的骨化提供模板。软骨由一层成纤维细胞样细胞包

裹，后者被称为软骨膜。当间充质细胞分化到肥大细胞阶段，软骨膜内的细胞开

始分化为成骨细胞，同时软骨膜开始转变为血管丰富的骨膜，血管进入软骨基质

中，成骨和破骨细胞通过血管分布到软骨基质，开始破坏软骨基质同时分泌骨基

质，形成松质骨，存留在骨膜中的成骨细胞则分泌高度钙化的基质形成皮质骨

[1]。

2Notch信号通路

胚胎软骨发育受复杂多变的信号通路综合调节，从现有知识体系来看，主要

包括Ihh、BMP、FGF、Wnt、Notch等信号通路[1]。其中，Notch通路通过调节

胚胎期干细胞的增殖、分化与凋亡过程，参与调控哺乳动物胚胎体节发生[3]、

胚胎神经系统及消化系统的发育[4]，并在肿瘤的发生过程中扮演了重要的角色，

现在已成为肿瘤治疗研究的新靶点[5]。近年来，研究者们开始关注该通路在骨

发育过程中的作用。Notch基因最初在果蝇体内发现[6]，随后众多的研究证明其

广泛存在且高度保守。在哺乳动物，Notch受体包括Notch1-4四种，配体主要有

Delta-like1、3、4和Jagged1、2共五种。作为一种跨膜蛋白受体，Notch配体首

先在内质网中转录翻译形成初级蛋白并被运输到高尔基体，其中的蛋白转化酶

（proteinconvertases）在Notch1初级蛋白S1位点进行剪切，随后糖基化转移酶

（glycosyltransferases）对其进行不同的糖基化修饰，从而影响配体和受体结合

后的不同反应[6]。Notch与相邻细胞上的配体结合后，膜旁负性调节区域

（juxtamembranenegativecontrolregion，NRR）展开，α-secretase识别该区域并

在S2位点剪切掉Notch的胞外段，随后γ-secretase在胞内段S3位点的剪切最终

产生胞内片段NICD。NICD直接进入细胞核内，与CSL（DNA结合蛋白，不同

种属中名称不同）结合，然后募集Maml（NICD的共同激活因子）、结合组蛋白

乙酰化酶和核染色质改建复合物等形成复合体，解除CSL对目标基因的转录抑

制作用，并最终产生生物学效应[7]。

3Notch信号通路对软骨内成骨的影响

3.1体内试验：胚胎12.5天（E12.5）的小鼠前肢芽区开始出现成软骨祖细

胞的聚集，此时整个干细胞聚集区都呈现Notch1阳性信号，而到16.5天（E16.5），

软骨分化成熟时，Notch1阳性细胞只分布于软骨的边缘区域[8]。这提示其可能

参与调控软骨内成骨全过程。进一步的模型动物研究表明：Notch过表达（Gain

offunction）的小鼠总体表现出圆头短吻、胸廓小、躯干及尾部短的特点，阿辛

蓝-茜素红染色显示整体软骨发育不全，通过软骨内成骨方式形成的骨普遍体积

较小且长度不足，肢端几乎没有骨化中心存在，且这种转基因小鼠均为胚胎期致

死[9-10]。也有研究者通过过表达配体激活内源性Notch通路，进一步观察软骨

内成骨过程的变化。研究发现，在鸡胚上肢区域用逆转录病毒过表达Del-1后，

早期上肢的发育形态并无改变，而在胚胎7天以后，大小上的差异逐渐明显起