Osteoprotegerin (OPG)：作为生物标志物或治疗靶点的潜力如何？
日期：2020-12-22 14:45:36
2020年7月22日，发表在《细胞死亡与分化》杂志上的一项研究揭示了OPG在肿瘤方面的调控机制。该研究首次提出，OPG水平对p53介导的间充质干细胞成骨分化起着重要作用，同时也提示了一种关于肿瘤相关骨重塑的新型调控方法 [1]。尽管大量研究已证实OPG与骨吸收和骨重塑密切相关，但最近有研究发现，OPG可能在肿瘤生成和细胞凋亡等生物学进程中扮演重要的角色，其潜在价值有待进一步发掘。那么OPG是什么？它主要的作用是什么？OPG作为生物标志物或治疗靶点的潜力如何？
1. OPG的结构和功能
OPG是肿瘤坏死因子（TNF）受体超家族的成员之一，又称TNFRS11B或OCIF，属于Ⅱ型跨膜蛋白。OPG缺少跨膜和胞浆区域，但包含7个主要结构域，这7个结构域共形成3个功能区：①TNF受体结构区，包括结构域1-4，即4个富含半胱氨酸的结构区域，参与抑制破骨细胞生成；②致死结构区，包括结构域5-6，即2个死亡域同源区；③肝素结合结构区，即结构域7，一个肝素结合位点，它对OPG与蛋白多糖的相互作用非常重要。特别是结构域7中Cys-400的存在是OPG同源二聚体形成的关键（图1） ［2，3］。
图1. OPG的蛋白质结构示意图
*本图来源于Cellular and molecular life sciences 出版物[3]。
OPG主要由骨髓基质细胞表达。此外，在免疫系统（如淋巴结、B细胞和树突状细胞（DCs））和血管系统（如心脏、动脉和静脉）中也检测到其表达 [4]。通常，OPG的表达与一些骨疾病密切相关。但更多的证据表明，OPG可以通过抑制TNF相关的细胞凋亡促进细胞存活 [5]。此外，一些体外、体内和临床研究也表明OPG在肿瘤中起到一定的作用 [6]。
2. OPG及其配体
OPG通过与其配体结合，直接或间接地发挥作用。RANKL是OPG配体之一，它最初被描述为“OPG配体/OPGL” [7]。RANKL作为TNF家族细胞因子的成员之一，以II型膜蛋白或可溶性蛋白RANKL的形式存在 ［8］。它主要由活化的免疫细胞和成骨细胞表达 [9]。研究表明，RANKL常参与多种生物活动。例如，RANKL能促进单细胞前体细胞的分化，从而形成成熟的破骨细胞 [10]；RANKL能增强成熟破骨细胞的骨吸收活性 [11]。此外，RANKL通过与其同源的高亲和力跨膜受体RANK相互作用，发挥其促骨细胞活性 [12]。
除RANKL外，OPG还能与另一个TNF家族成员TRAIL结合。与RANKL类似，TRAIL也是以II型膜蛋白或可溶性蛋白的形式表达 [13, 14]。现有证据表明，OPG/TRAIL水平可能与血管钙化有关，而血管钙化是糖尿病的主要原因 [15]。
比较OPG对RANKL和TRAIL的影响，如图2所示，TRAIL的促凋亡活性是由其4个膜受体中的2个（TRAIL-R1和TRAIL-R2）介导的。OPG可以有效地与RANKL或TRAIL结合，阻止RANKL或TRAIL与其相应的跨膜受体之间的关联。该过程可以抑制RANKL介导的破骨细胞生成以及TRAIL的促凋亡活性 [3]。
图2. OPG对RANKL和TRAIL的影响
*本图片来源于Cellular and molecular life science 出版物[3]。
3. OPG/RANKL/RANK调节机制
众所周知，OPG/RANKL/RANK是OPG的主要信号通路，主要参与破骨细胞的发生。如图3所示，成骨细胞首先产生RANKL，继而RANKL与成骨细胞前体表面的RANK结合，TRAF 2、5、6与RANK胞质域结合。随后，多个分子被激活，包括JNK、p38、ERK、Akt和NF-κB。进一步，激活的NF-κB移动到细胞核，最后与NFATc1相互作用，触发成骨细胞基因转录 [16]。
图3. OPG/RANKL/RANK生物活性的作用机制
*本图片来源于Molecular Medicine Reports 出版物[16]。
OPG/RANKL/RANK通路不仅在破骨细胞激活、形成和存活中起主导作用，而且还在其他组织中发挥作用，包括乳腺、大脑和淋巴结。OPG/RANKL/RANK通路的紊乱与人类某些疾病有关，包括绝经后骨质疏松症、类风湿性关节炎（RA）、骨肿瘤和某些骨转移性肿瘤。此外，该通路可能是淋巴结形成和自身免疫性疾病RA的关键调节因子，这进一步提示免疫通路可能与OPG/RANKL/RANK相互作用 [17-19]。
4. OPG在骨、血管和肿瘤疾病中的作用
OPG在调节骨相关疾病中具有重要地位。有研究评估了OPG在骨质疏松症、类风湿关节炎、牙周炎和幼年磷酸酶症（JPD）中的作用。骨质疏松症是一种由于破骨细胞活性增加而导致的低骨密度（BMD）为特征的疾病，而OPG能特异地抑制破骨细胞生成 [20]。类风湿性关节伴有软骨和骨质破坏，部分原因是破骨细胞生成增加所致 [21]。在牙周炎中观察到的骨吸收部分，与OPG的减少，破骨细胞活性增加有关 [22]。
此外，编码OPG的基因突变与JPD有密切关系 [23]。该病又称特发性高磷酸酶症，是一种罕见的常染色体隐性疾病，其特征是整个骨骼的骨重塑加快。如图4所示，患者的表现型取决于OPG基因内存在的突变 [2]。
图4. 幼年高磷酸酶的OPG突变
*本图片来源于European journal of cell biology 出版物[2]。
另一方面，OPG与血管相关疾病的联系也被证实 [24]。例如，在类风湿关节炎患者中，通常发现OPG水平高，是冠状动脉疾病的高危人群 [25]。此外，临床发现OPG缺失的小鼠表现出主动脉和肾动脉的钙化 [26]。然而，最近研究报道，OPG与肾功能之间存在显著的反向关联。与这些数据一致的是，高表达的OPG与老年妇女肾功能衰退有密切关系 [27]。OPG有望作为肾脏病风险预测新标志。
近年，OPG在肿瘤发生中的作用引起了关注，尤其是在癌症诱发的骨病和肿瘤细胞存活方面。临床数据发现，在结直肠癌、胰腺癌以及头颈部鳞状细胞癌症中，OPG血清水平升高 [2]。也有研究发现，OPG血清水平的升高似乎与骨转移有关，包括乳腺癌、肺癌和前列腺癌 [6]。
图5. OPG在肿瘤细胞生存中的潜在作用
*本图片来源于Clinical science 出版物[6]。
为进一步说明OPG在肿瘤细胞存活中的潜在作用，如图5所示，单核细胞产生的TRAIL与肿瘤细胞表面的DR4/DR5（TRAIL-R1/TRAIL-R2）结合，启动细胞凋亡。肿瘤细胞或破骨细胞/BMSCs产生的OPG与TRAIL结合，阻止TRAIL与DR4/DR5结合 [6]。OPG能够抑制TRAIL诱导的细胞凋亡，这表明OPG可能具有促进肿瘤发生的作用 [5]。然而矛盾的是，有证据表明OPG能够抑制癌症诱导的骨病 [2]。OPG是否能促进或抑制肿瘤进展仍有待充分阐明，并且可能在不同癌症类型和疾病阶段之间有所不同。
5. OPG的临床应用前景
总的来说，OPG在骨相关疾病中至关重要，包括骨质疏松症、幼年磷酸酶症（JPD）、关节炎、骨吸收。在血管相关疾病和肿瘤发生方面，OPG的作用似乎更为复杂，这使得OPG作为一种潜在的生物标记物或治疗靶点备受关注。换句话说，OPG抗体或者抗OPG产品在临床研究中的应用有望监测疾病相关的进展和并发症。在全球范围内，抗体治疗市场规模在2019年估值为1230.3亿美元，预计到2027年将达到350.1亿美元。到目前为止，仅有一项来自癌症患者接受重组OPG构建体（AMGN-0007）的临床试验的研究报告 [6]，该研究显示，在涉及过度骨吸收的骨病方面，OPG的治疗效果显著。研究结果为OPG治疗某些疾病提供了可靠的证据。为进一步阐明OPG的保护或者是损害机制，OPG抗体或抗OPG抗体的开发，在长期内会有巨大的市场潜力。
OPG蛋白
(Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.
Immobilized TNFSF11 (CSB-MP023986HU1(F2)) at 10 μg/ml can bind human TNFRSF11B, the EC50 is 2.651-7.646 ng/ml.
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