Ⅰ型
胶原蛋白与骨质疏松症研究进展
[关键词]
胶原蛋白 交联物 骨质疏松症
李梅（综述） 孟迅吾，周学瀛（审校）
中国医学科学院，中国协和医科大学，北京协和医院内分泌科，北京 100730
摘 要 介绍
胶原蛋白族组成、结构及生物合成特点，重点在于阐述Ⅰ型胶原遗传学及代谢指标与骨质疏松病因、诊断及治疗方面的关系。
胶原蛋白家族是机体必不可少的有机物，在多种生命活动中发挥极其重要的作用。骨组织1/3有机物及2/3无机物构成，Ⅰ型
胶原蛋白约占有机成分80%～90 %[1,2]，它对维持骨结构的完整及骨生物力学特性非常重要。骨质疏松症是以低骨量，微结构改变，骨脆性增加为特点的全身性代谢性骨病。
胶原蛋白（尤其是Ⅰ型胶原）结构及数量改变与骨质疏松症发生、发展、严重程度密切相关。
1
胶原蛋白家族结构、基因及生物合成
胶原蛋白家庭包括19种
胶原蛋白及10种以上胶原样蛋白。通过
胶原蛋白探针筛选cDNA及基因组DNA文库，证实
胶原蛋白含有大量甘氨酸-X-Y-（Gly-X-Y-）重复序列[3]。它们由三条左手螺旋的多肽链缠绕、右旋、形成绳索样右手超螺旋结构，其Ⅰ级结构的共同特点为：每间隔两个氨基酸存在一个甘氨酸，- Gly-X-Y-序列中，X及Y位置常分别为脯氨酸及羟脯氨酸，以限制多肽链旋转。三螺旋结构常有4-羟脯氨酸，产生氢键及氧桥，使结构相对牢固，通常还有球状序列插入，使胶原分子更有弹性[3]。
胶原蛋白家族根据功能及其构成组织的结特点可分为：成纤维胶原、成网状结构胶原、位于纤维表面的纤维相关胶元、成串珠丝胶原、成基底膜固定纤维胶原、具有跨膜结构胶原、新发现的胶原以及具有三螺旋结构域而未被定义为胶原的相关蛋白。Ⅰ型胶原属于成纤维胶原，含量最丰富，存在于多种结缔组织中，其它胶原呈组织特异性分布[4]。
不同
胶原蛋白的基因类型及定位，Ⅰ型胶原由两条α1及一条α2链构成，分别由位于17q21.3-q22的COL1AI及7q21.3-q22的COL1A2基因编码。每条链的三累旋结构哉由42个外显子编码，由甘氨酸密码子起始，在进化过程中高度保守。COL 1A2基因第2内含子有可变启动子，而胶原编码序列外有一段短的开放阅读框架。因而通过不同启动子启动转录，COL1A2基因能编码不同的多肽[4]。
经转录、翻译、翻译后修饰等复杂过程，机体合成了不同的
胶原蛋白，其合成的共同特点：①首先在细胞内合成较大的前体分子棗原胶原。原胶原合成步骤包括：切除信号肽，在羟化酶作用下，脯氨酸和赖氨酸羟化，乳糖、葡萄糖及寡糖与多肽链结合。在这些结构域引导下，原胶原羧基础由二硫键相连，形成三螺旋结构核心，三螺旋构象以拉链样方式延伸对链的氨基端，成为右手超螺旋。②原胶原合成后，以可溶性方式分泌至胞外，在N-蛋白酶及C-蛋白酶作用下，切除氨基端及羧基端成为胶原分子，再进一步组装成不溶性胶原纤维。③最后赖氨酸及羟赖氨酸残基转化为醛化衍生物，形成交联物，保证胶原纤维有序列排列及结构完整 [5]。Ⅰ型胶原合成后，二价交联物与其羧基端和氨基端形成赖氨酸醛基，使胶原分子稳定且排列有序。成熟交联物主要包括赖氨酸及羟赖氨酸吡啶 。二价交联再形成三价交联，连接微纤维，构成纤维网状结构[4]。
2
胶原蛋白遗传学与骨质疏松症
家系及双胞胎研究表明骨质疏松症是多基因调控、强遗传性、以低骨量和高骨折危险性为特点的疾病。有证据显示骨质疏松时存在胶原（尤其是Ⅰ型胶原）结构、含量及稳定性异常，这可能与胸部原蛋白的遗传书法家性质有关。
2.1 直接的实验证据：Bailey等[5]分析髋关节置换术中获得的股骨头、股骨颈标本、发现还原交联物明显低于对照组，羟化赖氨酸残基比例显著增加，骨交联物含量的减少伴随明显的骨生物力学性能降低。Oxlund [6]研究椎骨标本，发现随增龄胶原稳定性降低。Kowitz等[7] 用胃蛋白酸痛限制性消化骨质疏松股骨头的Ⅰ型胶原，也证实松质骨存在赖氨酸过度羟化，脯氨酸羟化程度几乎无改变。Lubec[8]定量分析去卵巢大鼠右股骨，发现胶原含量明显低于假手术组。Ⅰ型胶原基因突变的转基因鼠表现为典型的骨质疏松症或成骨不全。
由患者及动物模型可见，骨质疏松症存在椎骨、股骨头、股骨颈的胶原及交联物含量减少、赖氨酸地度羟化、胶原稳定性降低。这些改变直接关系到骨微结构及生物力学特性异常；而转基因动物模型提示上述异常可能与胶原遗传学改变相关。
2.2 分子生物学研究：
2.2.1 基因突变研究：分子生物学研究证实，Ⅰ型胶原的COL1A1及CO L1A2基因存在约200种突变。常见的突变包括：点突变，甘氨酸被其他较大的氨基酸替代；剪接错误，致外显子跳跃；少见的突变有大段基因片段缺失或插入 [9]。大部分基因突变与骨质疏松症或骨不全相关[3]，α1链突变远多于α2链，且表型也更严重。
Nuytinck等[10]研究COL1A1突变的儿童及COLIA2突变的绝经后妇女，突变位点增色在661位，即甘氨酸密码子GGT变为丝氨酸密码子AGT，使多肽链热稳定性明显降低，三螺旋结构域折叠延缓，翻译后蛋白修饰增加。α1链突变的儿童还有该链过度羟化，表现为典型的全，而α2链突变的绝经后妇女则表现为骨质疏松症。Spotila等[11]研究26位骨质疏松症家族史阳性的低骨量患者，发现也存在CL1A1或COL1A2基因异常。
2.2.2 基因多态性研究：近来研究表明Ⅰ型胶原基因是调节骨量的强有力候选基因，同质疏松症中，没有任何基因的异常象Ⅰ型胶原那样明显[1 1]。
Struan等[12]应用聚合酶链反应-单链构象多态性技术，分析 205位英国妇女，发现COL1A1调节区转录因子SP17识别位点存在G→T的多态 性。SP1位点为G/T杂合子时（Ss），骨矿盐密度明显低于G/T纯合子（SS），而T/ T纯合子（ss）所对应骨密度也较低。Beavan等[13]研究不同人处G→ T多肽性与髋部骨折率的关系，表明非洲与亚洲妇女的s比例低，北欧白人妇女s比例较高，因而亚非妇女骨折发生率明显低于北欧。Christian[14]认为 SP1位点的多态性决定COLIA1基因与转录因子的亲和力，与胶原的合成密切相关。
上述遗传学研究表明，Ⅰ型胶原基因突变及SP1位点的多态性与胶原含量及结构相关，这对早期预测低骨量与骨折危险性具有重要意义。
3 胶原代谢在骨质疏松症诊治中的重要应用价值
骨组织不断进行着旧骨吸收及新骨形成，此过程为骨转换。骨质疏松症发病关键环节为骨吸收大于骨形成，骨转换增加。骨转换过程中，Ⅰ型胶原相应进行合成与分解代谢，其代谢产生可敏感地反映骨转换率。目前检测的生化指标有：尿吡啶啉（pyr）、脱氧吡啶啉（D-pyr），Ⅰ型胶原原羧基端及氨基端前肽（PICP及 PINP），Ⅰ型胶原羧基端肽（ICTP），Ⅰ型胶原氨基端产交联肽（NTX）及羧基端交联肽（CTX）[15-19]。
3.1 尿吡啶啉和脱氧吡啶啉：它们是骨、软骨及其它结缔组织的交联物，由胶原降解释放，是反映骨吸收的生化指标[18]。骨组织中吡啶啉和脱氧吡啶啉之比约为4：1，软组织中的比例大于10：1，尿中比值接近4：1，提示尿吡啶啉和脱氧吡啶啉主要为骨源性，是反映骨疾患的特异指标[15] 。
丹麦的Fledelius等[16]采用高压液相法测定健康绝经前与绝经后妇女的尿吡啶啉和脱氧吡啶啉，结果绝经后妇女骨吸收指标明显高于绝经前妇女，且与前臂骨丢失率相关。部分绝经后妇女雌激素治疗后pyr、dpry、pyr+dpry 明显降低。可见上述交联物指标（pyr、dpyr）可较好地反映骨丢失率及药物疗效。
交联物排泄存在昼夜节律，并受肾功能影响，故应收集24h尿标本，测定其写肌酐的比值以除外干扰因素。交联物排泄不受饮食影响，不必限制饮食或空腹取样。高压液相检测步骤复杂，仪器昂贵，限制了该法的常规应用，目前已应用简便的酶联免疫法[16]。
3.2 Ⅰ型原胶原羧基端及氨基端前肽、Ⅰ型胶原羧基端肽：原胶原是胶原前体分子，PICP是其羧基端的非胶原结构，在肝脏清除。PINP是带羟脯氨酸残基的短胶原样序列，位于原胶原的氨基端。PICP及PINP在胶原形成时从原胶原切除，是反映骨形成的指标。ICTP是成熟交联物的一部分，由肾脏清除，于胶原降解时释放，反映骨吸收作用，在其它结缔组织中含量很少，可特异地反映骨病变[15]。血清PICP及ICTP用放射免疫方法测定。
Charles等[15]测定绝经后骨质疏松症患者的血清PICP及ICTP 浓度，并利用47Ca行钙平衡研究。结果各组PICP均反应骨基质形成，与骨矿化率显著相关。ICTP则与骨吸收率明显相关。Cosman等研究显示ICTP及PICP与椎体及髋部骨密度相关，且与股骨的相关性优于椎体[19]。
3.3 Ⅰ型胶原氨基端及羧基端交联肽：Ⅰ型磁针原N及C端交联肽是交联物的一部分，在胶原分解时产生，是反映骨吸收的指标，可由酶联免疫法测定。美国Gertz等[17]测定了绝经后健康妇女骨转换指标，绝经后妇女随机分为对照组、5mg、20mg和40mg氨基双膦酸盐治疗组。结果NTX基线水平与尿吡啶啉明显相关，与腰椎骨丢失率中等度相关。治疗组尿NTX浓度随药物剂量增加而降低，呈剂量依赖性反应。此外，尿NTX的稳定性、特异性、敏感性均好于空腹尿钙、羟脯氨酸等骨吸收指标。
日本Hoshino等[18]研究了246位妇女，包括绝经后妇女、腰椎及髋部骨折患者。结果髋部骨折妇女CTX值最高，绝经后及椎体骨折妇女CTX值明显高地绝经前妇女，CTX浓度与椎体骨折及髋部骨折明显相关。
综上所述，Ⅰ型胶原的代谢指标可以良好地反映骨代谢水平，还与骨密度改变、椎体及髋部骨折率良好相关：其敏感性、特异性、稳定性均高于以往的骨生化指标：对早期诊治骨质疏松症、判断药物疗效及机制、预测骨折危险性具有重要价值[15-19]。
4 前景与展望
原胶原、胶原、交联物代谢产物可准确反映骨转换率，对研究骨质疏松机制、早期诊治、判断药物疗效、预测骨折危险性具有重要价值。研究胶原基因的表达调控，有利于开发抗骨质疏松新药，如美国Lubec等发现脯氨酸类似物棗α-甲基 -脯氨酸可诱导胶原转录、翻译及合成，且不干扰胶原构象，作为新型骨形成促进剂有较大的开发潜力。将带有人COLIA1微基因的鼠骨髓质细胞移植入正常小鼠，可在受体鼠骨髓、脾、骨及软骨中分离出存活的供体基质细胞，人类COLIA1微基因得以表达，这对骨疾病的基因治疗有进一步研究与利用的价值。
作者简介：李梅（1971-），女，贵州人，在读博士
参考文献
1 Oxlund H,Mosekilde Li,Ottoft G,Reduced concentration of collagen reducible cross links in human trabccullar bone with respect to age and osteoporosis [J].Bone ,1996,19:479-484
2 Garnero P,Sornay-rendu E,hapuy MC,et al.Incresaed bone trunover i n late postemnopausal women is a major determinant of osteoporosis [J].J Bone Miner Res,1996,11:337-349
3 Engel J ，Prockop DJ,The zipple-like folding of collagen triple helices and the effects of mutations that disrupt the zipple [J].Am Rev Biophy Bionchem,1991,20:137-152
4 Prockop DJ.Collagens;molecular biology,disease and potentials for therapy [J].Am Rev Biochem,1995,64:403-434
5 Bailey AJ.Wotton SF,Sims TJ,et al.Biochemical changes in the coll agen of human osteoportotic bone matrix [J]. Connect Tissue Res,1993,29:119- 132
6 Oxlund H,Barckman M,Andreassein T,et al.Reduced concentration of collagen cross links are associated with reduced strength of bone [J]. Bone ,1995,17:365s-371s
7 Köwitz J ,Knippel M,Schuhr T,et al.Alteration in the extent of collage I hydrxylation ,isolated from femoral heads of women with a fem oral neck fracture caused by osteoporsis [J].Calcif Tissue Int,1997,60:501-505
8 Lubec G,Labudova O,Seebach D,et al.Alpha-Methyl-Proline restores normal levels of bone collagen type I synthesis in ovariectomized rats [J].Life Sci,1995,57:2252
9 Prockop DJ,Mutations that alter the primary structure of type I collagen [J]. J Biol Chem,1990,265:15349-15352
10 Nuytinck L,Dalgleish R,Spotila L,et al.Substiution of glycine-661 by serine in the α1and α2 chains of type I collagen results in different clinical and biochemical phyenotypes [J].Hum Genet ,1996,97:324-329
11 Spotial LD.Mutation analysis of coding sequences for type I proco llagen in indeividural with low bone density [J]. J Bone Miner Res,1994,9:923-932
12 Struan FA.Ddavia M,Block G,et al.Reduced bone denstiy and osteopo rosis associatied with a polymorphic Sp1 binding site in the collagen type I α1 gene [J].Nature genet,1996,14:203-205
13 Beavan S,Prentice A,Dibba B,et al.Polymorphism of the collagen ty pe I α1 gene and ethnic differenes in hip-facture rates [J].New Eng1 J Med,1998,339:351-352
14 Christian R,Maxime D,Laurent A,et al.Association of a polymorphis m in the collagen I α1 gene with osteoporosis in French women [J].Arth Rheum ,1998,40:187-188
15 Charles P,Mosekilde L.Risteli et al.Assessment of bone remodeling using biochemical indicators of type I collagne synthesis and dergedation:rel ation to caleium kinetics [J].Bone Miner ,1994,24:81-94
16 Fledins C,Riis BJ,Overgaard K,et al.The diagnostic validity of ur inary free pyridinolines to identify women at risk of usteoporosis [J].Caleif Tissue Int,1994,54:381-384
17 Gertz BJ,Shao P,Hanson DA,et al.Monitoring bone resorption in ear ly postmenopausa wowme by an immunoassay for crosslinked cellagen peptides in wine [J]. J Bone Min Res,1994,9:135-141
18 Hoshino H ，Takahashi M,Kushidea K,et al.Urinary encretion of ty pe I collagen dergeadtion products in healthy women and osteoporotic patient s with ventebral and hip fractures [J].Clacif Tissue Int,1998,62:36-39
19 Cosman F,Nieves J ,Wilkinson C,et al.Bone density change and bioc hemical indices of skelteal truenover [J].Caleif Tissun Int,1996,58:236-243
最新评论
有了绿豆蛋白，长期...