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骨钙蛋白的研究进展

来源:中华实用医药杂志 作者:魏春利 范哲 于广池 李鸿雁 2005-8-3
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摘要: 骨钙蛋白(osteocalcin,OC)是由成骨合成和分泌的维生素K依赖性钙结合蛋白 [1] ,是一种非胶原酸性糖蛋白。因为分子中含有依赖维生素K的-羧基谷氨酸残基,故又名-羧基谷氨酸蛋白(bone-carboxyglutamate protein,BGP),骨钙蛋白分子中的Gla蛋白是骨钙蛋白与钙离子结合的重要功能基团。机体骨钙蛋白有两种存在形......


   骨钙蛋白(osteocalcin,OC)是由成骨合成和分泌的维生素K依赖性钙结合蛋白 [1] ,是一种非胶原酸性糖蛋白。因为分子中含有依赖维生素K的-羧基谷氨酸残基,故又名-羧基谷氨酸蛋白(bone-carboxyglutamate protein,BGP),骨钙蛋白分子中的Gla蛋白是骨钙蛋白与钙离子结合的重要功能基团。机体骨钙蛋白有两种存在形式即羧化不全骨钙蛋白和羧化骨钙蛋白 [2]。骨钙蛋白在骨组织含量较丰富,由分化成熟的成骨细胞合成和分泌,大部分沉积于骨基质,大约有20%释放入血,血清骨钙蛋白和骨组织骨钙蛋白呈正相关性,因此血清骨钙蛋白可以反映骨组织中骨钙蛋白的合成状况 [3]  。肾、肺、胰、脾和胎盘等部位以及肝细胞和贮脂细胞也能合成骨钙蛋白 4]。骨钙蛋白由于其主要在矿化形成期出现,故被认为是成骨细胞向矿化发生期分化标记之一 [5,6] 。骨钙蛋白是非胶原蛋白含量最多的,占非胶原蛋白总量的10%~20%。近年来其作为一种机体反应蛋白,在各器官系统逐渐引起人们的重视。

   1 骨钙蛋白的结构及基因表达调控

   依种属不同,骨钙蛋白由47~50个氨基酸残基组成,分子量5200~5900KD,其分子结构的共同特征是17,21,24有3个羧化的谷氨酸残基以及在23,29位的半胱氨酸形成一个分子内二硫键,在Ca 2+  存在的条件下,16~25位的氨基酸残基形成一紧密的α螺旋结构,这种构象使3个谷氨酸残基突向同一个方向排列,促进其与羟基磷灰石结合。各属间,有很高的同源性,仅N末端的氨基酸顺序变化较大,而其他区域,尤其是含有3个谷氨酸残基和Ca 2+  结合位点的中间部位则高度保守 [7]。人和大鼠的骨钙蛋白基因结构十分相近,均由4个外显子和3个内含子组成,编码一个由98(人)或99(鼠)个氨基酸组成的骨钙蛋白前肽 [8]  。4个外显子编码区中,前3个分别为64,33和70个核苷酸组成。大鼠第4个外显子编码区比人多3个碱基。第1个外显子5端为非翻译区,含有1个36个核苷酸组成的前导序列。第4个外显子3端也为非翻译区,在TAG终止密码下游115bp处有一个AATAAA polyA尾部结构。

   骨钙蛋白是骨钙蛋白基因转录和表达的产物,骨钙蛋白的表达具有组织特异性,尽管除成骨细胞外上述脏器及细胞也能合成骨钙蛋白,但上述脏器和细胞却没有骨钙蛋白mRNA的存在,这说明存在于这些脏器及细胞中的γ-羧基谷氨酸是来自骨钙蛋白以外的其它维生素K依赖蛋白。骨钙蛋白基因的转录调控是受一系列正负启动子调控元件共同控制的,其中维生素反应元件、糖皮质激素反应元件OC盒和TATA盒和多因素协同调控骨钙蛋白的表达。骨钙蛋白的表达在成骨细胞的成熟过程(细胞增殖期,细胞外基质成熟期,基质矿化期)的基质矿化期开始后基因才开始表达 [29]骨钙蛋白基因的启动子区域(nt-640~-430)可以与成骨细胞中的一种组织特异性的MAR结合蛋白—NMP-1和NMP-2(nuclear matrix protein)特异性紧密结合。NMP-1是一种与转录因子ATF(activating transcription facter)有关的受细胞调控蛋白,同时存在于核基质和非核基质部分;NMP-2则是一种细胞类别特异性的启动结合因子。

   2 骨钙蛋白与维生素K

   所有种属骨钙蛋白的共的同特点是在第17、21和24位上有3个维生素K依赖性-羧基谷氨酸残基 [9] 。骨钙蛋白对维生素K、维生素D及维生素C均有依赖性 [10~12] 。孕妇晚期服用维生素K后,血浆中维生素K水平升高,故羧化的骨钙蛋白升高,成骨细胞合成的总骨钙蛋白亦升高明显 [13] 。维生素K缺乏时,骨钙蛋白未羧化率增加,骨钙蛋白C未羧化率越高,骨钙蛋白未羧化率也是评价机体维生素K营养状况的敏感指标 [14] 。当缺少维生素K时,骨钙蛋白对钙的亲和力明显降低,骨钙蛋白也涉及其它一系列生理过程,包括:凝血,血管生物学变化,有报道缺乏骨钙蛋白时动脉和软骨同时出现钙化和骨代谢。当骨骼缺乏维生素K时,其骨钙蛋白的羧化作用处于低水平,对钙的亲和力降低,引起骨的吸收作用增强,成骨作用减少 [15] 。

   3 骨钙蛋白与骨代谢

   血中骨钙蛋白水平与骨中骨钙蛋白水平两者呈正相关性 [16] 。因此血清中骨钙蛋白的测定为研究骨代谢提供了无损伤的特异标志。骨钙蛋白对钙和羟磷灰石都有特异结合的能力。骨钙蛋白与骨骼的组成和代谢有重要的作用,骨钙蛋白特异性表示成骨活性,为骨形成的敏感指标。血清骨钙蛋白是反映成骨细胞功能活性的分子标志物 [17] 。柴岗等在试验过程中将人骨髓基质干细胞经过扩增,诱导至第3代,进行细胞表型检测,其中钙结节的形成和骨钙蛋白的表达为成骨细胞所特有 [18]  。PT-PCR证明骨髓间充质细胞经成骨诱导分化后表达骨钙蛋白基因 [19] 。1,25(OH) 2 D 3 与骨钙蛋白及基质摄取钙离子量密切相关 [20]  。骨的最大载荷、骨强度和骨最大能量均与骨钙蛋白含量呈正相关。正常生理情况下,骨钙蛋白特异的与羟磷灰石结合,使骨盐沉积形成羟磷灰石结晶,调整骨矿化沉积速率,调节骨的生长,骨钙蛋白促进非结晶的钙磷盐向羟磷灰石转变,调整结晶在胶原上的分布、走向,进而增加骨盐含量提高骨强度 [21]  。成骨细胞矿化启动时骨钙蛋白表达明显增高,骨钙蛋白的合成受维生素D调控 [22]  。由于骨钙蛋白主要在矿化形成期出现而被认为是成骨细胞向矿化发生期分化的标志之一 [23]  。

   4 骨钙蛋白与肿瘤

   骨钙蛋白在成骨细胞中高表达,在成骨性骨肉瘤中具有特异性 [24]  。在恶性纤维组织细胞瘤,纤维肉瘤中肿瘤细胞的骨钙蛋白呈阴性,在软骨肉瘤的肿瘤细胞中有骨钙蛋白的阳性表达,但其软骨基质呈阴性表达,此点可作为与成软骨细胞型骨肉瘤的鉴别参考 [25]  。测定血清中骨钙蛋白的浓度可以反映肝癌肝硬化患者的肝肾的受损程度,同时可作为观察甲亢、肝癌、肝硬化患者骨代谢变化的一项有价值的参考指标。骨钙蛋白的骨涎蛋白、骨桥蛋白在检测骨肉瘤中的肿瘤细胞时有较同的阳性率 [25]  。5 骨钙蛋白在其它疾病中的诊断价值骨钙蛋白可作为反映甲状腺功能引起骨代谢改变的敏感指标,甲状腺的激素水平与骨钙蛋白水平呈高度的正相关性 [26]  。骨钙蛋白具有钙代谢调节激素的作用,在骨质疏松症诊断中也具有重要的诊断价值,在甲亢治疗前后与Ca 2+  、T 3 、T 4 呈平行关系 [27]。慢性肾功能衰竭的患者骨钙蛋白显著升高 [28~30]  。

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   作者单位:1130000吉林省公安专科学校法医教研室

   2130000吉林省公安厅物证鉴定中心病理损伤科( 通讯作者)

   3130000长春市公安局

   4130000吉林大学研究生院

   (收稿日期:2004-07-03)

   (编辑日 强)


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