印度刺猬蛋白相关信号通路在骨生长调控中的作用研究进展2026

印度刺猬蛋白相关信号通路在骨生长调控中的作用研究进展2026骨起源于中胚层组织，其生长发育依赖于两种不同的骨化形式，分别是膜内成骨和软骨内成骨。膜内成骨见于头面骨、肩胛骨等，即间充质干细胞直接增殖、分化为成骨细胞并沉积为骨组织；而软骨内成骨则见于四肢骨及躯干骨等，胎儿时期间充质干细胞分化形成软骨模板，后有骨滋养动脉长入以提供营养物质。软骨细胞首先分化为成骨细胞，与骨膜相连形成原始骨化中心并逐渐扩大，最终成骨细胞增殖分化形成骨骺。到儿童生长发育期，长骨的纵向生长主要依赖于骨骺和干骺端之间的生长板软骨细胞柱的软骨内成骨的作用，与初期形成原始骨化中心的生理过程相似

［1］

。骨生长发育过程受多方面的调节。生长激素-胰岛素样生长因子-1轴（growthhormone-insulin-likegrowthfactor-1axis，GH-IGF-1）的中枢调节被认为是长骨纵向生长最重要的调节机制［2］。GH/IGF-1敲除小鼠骨骼的生长发育被严重抑制。有研究表明，旁分泌因子、转录因子、内分泌激素、细胞外基质等对生长板软骨细胞的局部调控也不可忽视。局部性调控生长板的某种蛋白或者转录因子异常，可使其所关联信号通路失调，可导致软骨发育障碍而引起身材矮小、骨骼畸形等骨骼发育相关的疾病［3-4］。印度刺猬蛋白（Indianhedgehog，Ihh）在骨的生长发育过程中可通过多种途径调节软骨细胞的增殖、分化，维持骨的纵向生长和正常形态，并且近年来研究表明，Ihh不仅可以调控骨的软骨内成骨，对膜内成骨也具有一定的影响，现就其对生长板软骨细胞的作用机制及相关通路进行综述。1

Ihh与骨的生长发育Ihh属于刺猬蛋白家族的成员之一。刺猬蛋白相关信号通路对细胞生长、胚胎发育及多种组织形态稳定起着重要作用。刺猬蛋白家族除了Ihh以外还有两种同源编码的基因即音猬蛋白（sonichedgehog，Shh）和沙漠刺猬蛋白（deserthedgehog，Dhh）。近年来研究表明Shh不仅参与哺乳动物脊柱和神经系统的发育，而且胎儿时期还参与调节骨髓间充质干细胞的增殖和软骨细胞的分化；Dhh与男性性腺发育和外周神经的发育有关［5-6］。Ihh在生长发育的不同时期参与调控软骨细胞的分化，维持骨的稳定生长。骨骼的生长发育过程需要几种不同类型的骨骼干细胞，如骨膜干细胞、生长板静止带干细胞、骨髓间充质干细胞等，分别对骨的发育起不同的作用［7-8］。在骨的发育过程中，之前的观点认为软骨内成骨和膜内成骨二者独立作用，互不干扰，然而近期研究表明骨膜干细胞不仅能介导膜内成骨的过程，而且可维持生长板软骨细胞的增殖分化和骨纵向生长［9］。研究表明缺乏骨膜干细胞的小鼠在膜内成骨和软骨内成骨两个方面都受到影响。进一步研究表明：一方面，肥大软骨细胞可以通过分泌Ihh调控生长板静止带干细胞及骨髓间充质干细胞来介导骨生长；另一方面，膜内成骨和软骨内成骨二者之间有相互串扰作用，借助于骨膜干细胞分泌的Ihh作用于生长板静止带干细胞维持其增殖分化。因此，骨膜干细胞缺乏也会影响软骨内成骨的过程，对骨骼的生长发育有重要的影响

。2

Ihh介导骨生长的相关信号通路的研究2.1

Ihh初级纤毛传导通路Ihh基因最早于1980年从果蝇体内分离出，后续研究发现该基因对于脊柱动物的骨形态学发展至关重要［10］。经典的Ihh信号通路中，Ihh在软骨细胞膜上通过两种受体发挥作用：十二次跨膜蛋白Ptch和七次跨膜的G蛋白耦联受体Smo。其下游信号涉及三种转录激活因子Gli1、Gli2和Gli3以及Gli蛋白抑制因子SuFu。在生理状态下，Ptch最初位于纤毛的基底部，可以与Ihh结合激活Smo沉积募集到纤毛上。激活状态的Smo可以解除SuFu对Gli蛋白的抑制，传递Ihh的信号激活下游的转录因子Gli，进而调控Ihh通路相关的靶基因的表达。Ihh的负性调控通路分别是SuFu-Gli复合物抑制通路和PKA通路，当无Ihh作用于细胞受体时，Ptch与Smo紧密结合，抑制Smo的活性，则不能传导至SuFu-Gli复合物使其解离。PKA除了有抑制SuFu-Gli复合物解离的作用以外，还可以磷酸化Gli蛋白，并将其分解为抑制性的大分子蛋白Glir，抑制Ihh相关靶基因在细胞核的转录［11-12］。2.2

甲状旁腺激素相关蛋白（parathyroidhormonerelatedprotein，PTHrP）-Ihh负反馈调节通路PTHrP最初由于与甲状旁腺激素（parathyroidhormone，PTH）具有相似的生理功能而被发现，二者在不同类型的细胞中，介导的生物学效应及参与的传导信号因子不同，目前机制尚不明确。PTH一般通过内分泌的方式间接调控骨和肾脏来调节体内血钙血磷比例，以及体内矿物质的沉积；也可通过与PTH1R结合调控骨间充质细胞增殖和成骨细胞的分化。而PTHrP在体内表达于多种组织，除了可以调节钙磷离子浓度外，同时参与各个器官的生长发育，并且PTHrP是调节骨生长的主要调节因子，促进软骨细胞的分裂增殖，对软细胞的成熟分化起负性调节作用［13］。研究表明PTHrP（-/-）突变小鼠的软骨细胞增殖减少并加速分化，并且该软骨细胞在体外培养中表现出对Ihh蛋白的抵抗性［14］。正常生理状态下，生长发育后期Ihh主要表达在生长板的前肥大带和肥大带，可直接作用于静止带、胫骨骨膜的软骨细胞，调控PTHrP的分泌。PTHrP通过旁分泌的方式作用于胫骨生长板上带有PTHrP受体的软骨细胞，干预肥大软骨细胞的成熟分化，促进其增殖，并负反馈作用于未分化的软骨细胞抑制Ihh的表达。Ihh与PTHrP的动态平衡维持软骨细胞的增殖和分化［15］。软骨骨折数字模型研究表明PTHrP-Ihh负反馈通路可以通过调控软骨内成骨的骨化过程促进骨折愈合［16］。另一方面，当抑制Ihh作用于软骨细胞受体调控的PTHrP通路时，过表达Ihh或者敲除Ihh仍可调控软骨细胞的肥大与分化，说明除了PTHrP-Ihh通路之外仍有不同的作用机制通过Ihh来调控生长板软骨细胞的增殖、分化、成熟。PTHrP-Ihh通路不仅受时空因素的调节，也受到生长板软骨细胞分泌的蛋白因子Cbfβ、骨形态发生蛋白（bonemorphogeneticprotein，BMP）、SOX9、成骨相关转录因子2（runt-relatedtranscriptionfactor2，Runx2）、机械力学信号等多方面的影响来调控生长板软骨细胞［17］。2.3

BMP-Smad-Runx2-Ihh通路转化生长因子-β（transforminggrowthfactor-β，TGF-β）细胞因子家族，包括TGF-β、活化素、抑制素、BMP等30多种因子，对胚胎发育和组织形态学的稳定、骨的形成和发育方面有重要的作用［18-19］。典型TGF-β/BMP信号传导通路是一个高度保守的级联激活通路，其下游的Smad蛋白结构域松散且易于结合多种不同蛋白激酶，一般通过蛋白Smads进行信号传导。TGF-β与受体结合后磷酸化Smad2/3，BMP与受体结合后可磷酸化Smad1/5/8，激活后的R-Smads可以通过Smad/Smad4相互作用，调节细胞的增殖、凋亡、分化、细胞外基质的重塑等。蛋白Smad是TGF-β/BMP与多个信号传导通路连接的桥梁，在机体发挥着重要作用，并始终受多种信号通路、蛋白激酶、内分泌因子等的影响，借以维持生物体组织形态的稳定和功能、正常的生长发育过程。Smad/Smad4也可直接与Runx2启动子的调节区域结合，调节软骨细胞的肥大和成骨细胞的分化［20］。而BMP-2作为TGF-β家族的一员，已被证实可以介导骨髓间充质干细胞的分化成熟，介导成骨分化和软骨内成骨。BMP有多种受体及配体，分别在骨的不同生长发育阶段表达，调控骨的生长。既往有大量研究表明BMP-2敲除或突变，或BMP-2/4双敲除，可引起小鼠发生明显的软骨发育不良、四肢短缩。而Wang等［21］进一步的体外实验表明，经过rhBMP处理的缺乏Ihh基因的成骨细胞，表现出BMP-2/Smad/Runx2-Ihh通路重新激活，可恢复部分增殖分化功能。Runx2属于Runx蛋白家族，由Runx1、Runx2和Runx3组成，是一种诱导软骨成熟和成骨细胞分化的重要转录因子。Runx2在生长板软骨细胞上主要表达在生长板软骨细胞核，参与调控软骨细胞的成熟分化；在间充质干细胞和未成熟的成骨细胞中也高表达，并参与成骨细胞的分化。在Ihh的DNA序列的启动子区域有Runx2的结合序列。Ihh（-/-）敲除小鼠在软骨与骨中缺乏成骨细胞，并且在软骨膜中不存在Runx2表达；这表明Ihh为软骨内骨祖细胞中Runx2表达所必需。并且有研究表明，Runx2突变（+/-）小鼠会导致锁骨发育不良、颅骨囟门闭合不全、身材矮小等。而Runx（-/-）小鼠除了四肢变短外，胫骨生长板软骨细胞增殖减少，在肥大前软骨细胞中Ihh的表达也明显减少。Runx（-/-）小鼠的大部分骨骼均可观察到未成熟的骨细胞，仅有软骨细胞构成，颅骨仅有一层薄间充质细胞构成，成骨细胞完全缺失［22-23］。除了调控软骨细胞间充质干细胞成熟分化之外，Runx2还可以通过诱导血管内皮生长因子（vascularendothelialgrowthfactor，VEGF）的分泌来调控生长板的血管生长，通过血液运输为生长板中心提供生长板软骨细胞分裂增殖分化所需要的物质［24］。综上所述，BMP-Smad-Runx2-Ihh通路是骨骼发育中经典通路，对软骨细胞的增殖及分化成熟、间充质干细胞的增殖及分化成熟、细胞外基质的调控均有十分重要的作用。2.4

Wnt/β-catenin通路与Ihh下游的串扰作用Wnt蛋白是分泌型、脂质修饰的信号分子，在调节细胞增殖、分化、迁移、存活等方面具有多种作用；其在代谢性疾病、肿瘤性疾病方面的作用研究也较为深入。其中经典的Wnt/β-catenin信号通路中，β-catenin作为其关键的转录激活因子，与刺猬蛋白家族在调节软骨细胞功能方面一致，在调节间充质干细胞与软骨细胞的增殖分化、骨稳态等方面有重要作用［25-26］。Ihh由细胞自分泌产生，并不直接受Wnt/β-catenin的信号诱导［27］。研究表明，Ptch1作为Ihh信号通路的关键受体，当其发生突变时，对Smo的抑制作用减弱，导致Smo异常激活，进而增强Ihh信号通路的活性［28］。这一变化促使PTHrP表达上调，延缓软骨细胞的成熟分化，且软骨膜中可观察到异位骨形成。而β-catenin发生突变时，成骨标志物、骨桥蛋白及基质金属蛋白酶13表达量均减少，骨形成被抑制，同时可伴随软骨内成骨发生异位。当β-catenin和Ptch1双突变体中，骨形成同样被抑制，这表明两种信号通路在骨发育调控中可能存在协同作用。综上所述，Wnt/β-catenin不直接介导Ihh的分泌，是通过调节Ihh下游的某些信号分子来介导骨形成。3

Ihh在生长板局部介导机械力转导中的作用目前有研究表明，外源性机械力信号可以介导软骨内成骨过程。机械力可以通过介导软骨细胞的细胞外基质、纤毛系统、细胞膜牵张压力感受离子通道等将力学刺激信号转化为生物体内的化学信号；而Ihh则是该转化通路的重要的媒介［29］。体外实验研究表明，在外力持续刺激作用下，ATDC5细胞系的软骨细胞增殖及分化较对照组增多，在一定范围内随着外力的增加Ihh表达量增多。高于一定外力范围后，Ihh表达量较前减少，但始终多于对照组，增殖的软骨细胞数量远多于对照组，并且其相关通路PTHrP-Ihh、BMP-Smad-Runx2-Ihh、Wnt/β-catenin信号分子表达量均有不同程度上调［30-31］。有研究表明，在Ihh-BMP的机械传导通路中，当BMP拮抗剂noggin作用于BMP相关的机械信号通路时，可抑制由机械力介导下的Ihh下游的BMP2/4的表达，进而减少软骨细胞的增殖。有研究建立了Hh信号转导的动态模型，发现初级纤毛也可以作为机械感觉细胞器，Ihh的机械力的传导作用可以通过软骨细胞膜上的初级纤毛系统介导，Smo移动到纤毛顶部发挥作用，激活Ihh信号通路［30，32］。以上研究表明Ihh在骨生长发育过程中除了可以通过内分泌的方式与PTHrP、Wnt/β-catenin、Runx2等相互串扰，同样可将力学信号转化为化学信号，并进一步调控下游相关信号通路。当在外力作用下长骨发生变形时，机械压力会导致软骨细胞膜上的牵张压力感受通道打开，将力学刺激信号转化为生物体内的化学信号，使Ihh的转录翻译达到正常的十几倍，进一步通过调控纤毛通路、PTHrP、Wnt/β-catenin、BMP-Smad-Runx2-Ihh通路影响软骨内成骨的过程。4

展望Ihh可影响体内的多个生长发育信号通路，也可介导软骨细胞的增殖和分化，并且可成为膜内成骨和软骨内成骨的二者之间串扰作用的媒介。目前通过Ihh抑制剂来抑制癌细胞增殖和侵袭的研究已有一定进展［33］。当Ihh基因突变或者在其他相关通路的介导下，Ihh的表达量降低时，可针对其下游级联信号通路使用靶点药物如Smo、PTHrP等间接激活放大Ihh的信