信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进展

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综述
һ基金项目:湖北省自然科学基金(ZRMS2017000057)
作者简介:蔡伟松(1993~)ꎬ男ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向:骨关节疾病的临床与基础ꎮ
通信作者:李皓桓(1976~)ꎬ男ꎬ博士ꎬ主任医师ꎬ副教授ꎬ研究方向:骨关节炎的基础与临床ꎬ电子邮箱:lihaohuan@whu.edu.cnꎮ
信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进展һ
蔡伟松㊀李皓桓
(武汉大学人民医院骨外科ꎬ湖北省武汉市㊀430060ꎬ电子邮箱:caiweisong@whu.edu.cn)
ʌ提要ɔ骨关节炎是一种多因素引起的慢性退行性骨关节疾病ꎬ表现为关节软骨破坏㊁骨赘形成㊁滑膜炎症和关节腔隙变窄ꎮ越来越多的研究表明ꎬ信号通路在骨关节炎的发生㊁发展过程中起重要作用ꎮ本文就相关信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进展做一综述ꎮ
ʌ关键词ɔ㊀骨关节炎ꎻ信号通路ꎻ综述
ʌ中图分类号ɔ㊀R684.3㊀㊀ʌ文献标识码ɔ㊀A㊀㊀ʌ文章编号ɔ㊀0253 ̄4304(2019)06 ̄0751 ̄04DOI:10.11675/j.issn.0253 ̄4304.2019.06.22㊀㊀骨关节炎是发病率较高的慢性疾病之一ꎬ其以关节肿痛畸形㊁活动障碍为主要临床表现ꎬ严重者可导致残疾ꎮ有研究显示ꎬ由骨关节炎引起的残疾风险在男㊁女性中分别约为40%和47%ꎬ在肥胖人群中比例更高[1]ꎮ骨关节炎的病因包括关节损伤㊁生物力学异常㊁肥胖㊁衰老和遗传等ꎬ但骨关节炎的发病机制目前尚未完全清楚ꎬ关节软骨细胞破坏㊁细胞外基质(extracellularmatrixꎬECM)降解和合成障碍以及关节周围软组织退变是该病发生的重要因素ꎮ大量研究表明信号通路与骨关节炎的发病机制密切相关ꎬ相关信号通路包括丝裂原活化蛋白激酶(mitogen ̄activatedproteinkinaseꎬMAPK)㊁Wnt㊁核因子κB(nuclearfactorκBꎬNF ̄κB)㊁Notch㊁转化生长因子β(transforminggrowthfactorβꎬTGF ̄β)/骨形成蛋白(bonemorphogeneticproteinꎬBMP)等ꎮ本文就相关信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进行综述ꎬ以期为骨关节炎的研究及诊治提供理论依据ꎮ
1㊀MAPK信号通路
㊀㊀MAPK是由丝氨酸/苏氨酸激酶组成的促分裂原活化蛋白激酶信号通路ꎬ可以通过细胞外刺激(如细胞应激㊁黏附)㊁神经递质和细胞因子等激活ꎮ软骨降解在骨关节炎的发病中起着重要作用ꎮ软骨细胞中MAPK信号通路的异常激活可促进炎症反应ꎬ导致软骨基质降解酶的释放ꎬ从而加速软骨退化ꎮMAPK信号通
路是软骨降解的主要途径ꎬ其涉及软骨细胞的增殖㊁凋亡㊁分化以及与炎性因子直接或间接相关的炎症反应ꎬ包括细胞内信号通路的机械应激刺激㊁传递转录因子信号及调节软骨退化的病理过程[1]ꎮMAPK信号通路作为多信号转导通路的中心点ꎬ由三级信号级联通路组成ꎬ包括细胞外调节蛋白激酶(extracellularregulatedproteinkinaseꎬERK)1/2㊁c ̄JunN端激酶(c ̄JunN ̄terminalkinaseꎬJNK)及p38 ̄MAPK[2]ꎮ
p38 ̄MAPK家族由p38α㊁p38β㊁p38γ和p38δ四
个成员组成ꎬ其在骨关节炎软骨破坏中起枢纽作用ꎮ细胞因子㊁炎性因子㊁机械应力等因素均可以激活p38 ̄MAPK信号通路ꎬ而p38 ̄MAPK信号通路的激活与细胞凋亡㊁肥大㊁钙化㊁炎症等多种生物学效应密切相关ꎮp38 ̄MAPK在诱导基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinaseꎬMMP)13的表达中起着关键作用ꎬ而MMP13的表达可导致Ⅱ型胶原的降解ꎬ从而促进软骨损伤[3-4]ꎮ白细胞介素(interleukinꎬIL) ̄1β是骨关节炎首要的致病因子之一ꎬ其可通过刺激产生磷酸化的p38 ̄MAPK来合成大量NOꎬ进而激活p38 ̄MAPK信号通路并促进软骨细胞产生IL ̄1转化酶和IL ̄1βꎬ增加前列腺素E2(prostaglandinE2ꎬPGE2)及环氧化酶 ̄2(cyclooxygenase ̄2ꎬCOX ̄2)的水平ꎬ引起软骨损伤ꎮ肿瘤坏死因子α(tumornecrosisfactorαꎬTNF ̄α)可介导多种炎症过程ꎬ可以与p38 ̄MAPK形成正反馈环路ꎬ
p38 ̄MAPK的活化可促进TNF ̄α的表达ꎬ过度表达的
TNF ̄α可诱导软骨细胞凋亡[5]ꎮSun等[6]发现p38 ̄MAPK信号传导抑制剂SB203580可以抑制人骨关节炎软骨细胞的凋亡和促炎细胞因子的表达ꎮERK在骨关节炎软骨细胞分化和增殖中发挥着重要介导作用ꎮBoileau等[7]在狗骨关节炎模型实验中发现ꎬPD980959(一种ERK通路抑制剂)可通过Ras独立机制抑制ERK1/2的激活ꎬ从而减少MMP的产生ꎬ进而起到保护关节软骨的作用ꎮPrasadam等[8]研究发现ꎬ在体外培养的软骨细胞中ꎬ联合使用丝裂原活化蛋白激酶-细胞外信号调节激酶抑制剂(U0126)和透明质酸ꎬ可明显降低ERK的磷酸化水平ꎬ减少软骨细胞退行性标志物(MMP ̄13㊁血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶5)和肥大标志物(X型胶原㊁Runt相关转录因子2)产生的数量ꎬ减轻软骨细胞退化及肥大化ꎮ
JNK是MAPK家族重要成员之一ꎬ由JNK1㊁JNK2和JNK3三种基因编码ꎮJNK信号通路可被炎症细胞因子和应激因子激活ꎮIsmail等[9]研究小鼠关节软骨细胞聚集蛋白聚糖降解时发现ꎬ由炎性细胞因子IL ̄1诱导的降解主要由解聚蛋白样金属蛋白酶5介导ꎬ并且显著依赖于细胞内信号分子JNK ̄2的活化ꎮ
2㊀Wnt信号通路
㊀㊀Wnt信号通路包括经典的Wnt/β ̄连环蛋白(β ̄catenin)信号通路以及三条非经典信号通路(平面极细胞信号通路㊁Wnt/Ca2+信号通路㊁调节纺锤体定向和不对称细胞分裂信号通路)ꎮ研究表明ꎬWnt信号通路在胚胎骨骼形成㊁组织修复㊁纤维化和关节稳态中起着重要作用ꎬ与细胞增殖㊁迁移和分化密切相关[10]ꎮWnt通路中的关键分子包括β ̄catenin㊁糖原合成酶激酶 ̄3β(glycogensynthasekinase ̄3βꎬGSK ̄3β)和Wnt3aꎬ其中β ̄catenin是Wnt/β ̄catenin信号通路的核心成分ꎬ是上游分子发挥功能的前提条件ꎮWnt/β ̄catenin信号通路由Wnt配体与卷曲受体和共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白(low ̄densitylipoproteinreceptor ̄relatedproteinꎬLRP)5/6结合而触发ꎬ然后GSK ̄3β磷酸化LRP5/6ꎬ引起LRP5/6募集Axin复合物并导致β ̄catenin降解减少ꎬ从而使细胞质β ̄catenin转移至细胞核激活靶基因ꎬ参与细胞增殖ꎮ研究发现[11]ꎬ用补骨脂素处理的软骨细胞中Wnt ̄4㊁卷曲配体 ̄2㊁β ̄catenin和G1/S ̄特异性周期蛋白D1的基因表达和蛋白水平显著上调ꎬGSK ̄3β表达下降ꎬ表明通过激活Wnt/β ̄catenin信号通路可促进软骨细胞增殖ꎮ但在另一项研究中ꎬ抑制Wnt信号通路可通过促进对软骨细胞的抗代谢作用和滑膜成纤维细胞的抗纤维化作用而降低创伤性骨关节炎模型中疾病的严重程度[12]ꎮBlom等[13]研究发现在自发性骨关节炎小鼠和胶原酶诱导的骨关节炎小鼠中ꎬWnt和Wnt相关基因的表达水平在关节软骨和滑膜中均发生改变ꎻ在这些基因中ꎬWnt1 ̄诱导信号通路蛋白1(Wnt1 ̄induciblesignalingpathwayprotein1ꎬWISP1)的表达显著增加ꎮWISP1可调节软骨细胞和巨噬细胞中MMP和软骨聚集蛋白聚糖酶的表达ꎬ并可诱导关节软骨退化[13-14]ꎮShi等[15]通过慢病毒载体(LV ̄Wnt5a ̄RNAi)递送Wnt ̄5a的小干扰RNA可以阻止骨关节炎软骨细胞中Ⅱ型胶原的降解ꎮGibson等[16]研究发现ꎬWnt ̄7a可抑制IL ̄1β诱导的MMP和诱导型一氧化氮合酶基因表达ꎻWnt ̄7a是一种在骨骼发育中起关键作用的蛋白质ꎬ可以减弱骨关节炎小鼠模型中MMP活性并促进关节软骨完整性ꎮ3㊀NF ̄κB信号通路
㊀㊀NF ̄κB是一类构成转录因子家族的蛋白分子ꎬ由促炎细胞因子㊁趋化因子㊁应激相关因子和ECM降解产物刺激激活ꎮNF ̄κB分子广泛参与免疫㊁压力反应㊁炎性疾病㊁细胞增殖和细胞死亡ꎮ哺乳动物NF ̄κB亚家族包含4种蛋白质:RelA或p65ꎬRelBꎬc ̄RelꎬNF ̄κB1或p50ꎮ在未受刺激的条件下ꎬNF ̄κB二聚体在细胞质中与IκB分子结合以无活性的形式存在ꎮ当受到刺激时ꎬIκB将被IκB激酶(IκBkinaseꎬIKK)磷酸化ꎬ并通过泛素 ̄蛋白酶体系统进行降解ꎬ使NF ̄κB异二聚体转位进入细胞核而触发诱导与关节破坏相关基因的表达ꎬ导致骨关节炎的发生与发展[17]ꎮNF ̄κB信号通路是骨关节炎软骨降解进程中的关键分子途径ꎬ其通过促进MMP ̄1㊁MMP ̄2㊁MMP ̄3等多种降解酶的分泌及促进COX ̄2㊁NO㊁一氧化氮合酶等分解代谢因子的合成ꎬ从而加剧骨关节炎软骨细胞的凋亡和软骨的炎症反应[18]ꎮDai等[19]研究发现ꎬ锦葵花色素通过抑制大鼠骨关节炎模型中的NF ̄κB信号通路降低IL ̄1β㊁IL ̄6㊁TNF ̄α和MMP的表达ꎬ从而减弱骨关节炎诱导的疼痛和炎症ꎮTang等[20]也发现调节NF ̄κB信号通路可以降低IL ̄1β诱导的ECM代
谢失衡㊁促炎细胞因子产生㊁细胞活力和细胞凋亡ꎮ
微小RNA(microRNAꎬmiRNA)是介导骨关节炎的主
要危险因素之一ꎬZhou等[21]通过前十字韧带横切建立骨关节炎大鼠模型ꎬ当向骨关节炎大鼠注射miRNA ̄27
慢病毒过表达载体时ꎬIL ̄6㊁IL ̄8㊁MMP ̄9和MMP ̄13的
表达水平均下降ꎬ说明miRNA ̄27的上调可通过靶
向抑制NF ̄κB信号通路来抑制骨关节炎的发生ꎮHu等[22]发现ꎬmiRNA ̄26a/26b和NF ̄κB信号通路靶向岩藻糖基转移酶4水平的上升可以调节软骨细胞
中IL ̄1β诱导的ECM降解过程ꎬ从而减弱骨关节炎
小鼠模型的病情进展ꎮ
4㊀Notch信号通路
㊀㊀Notch信号通路能够平衡软骨基质代谢ꎬ调控软骨细胞增殖分化ꎬ维持软骨细胞表型ꎮNotch信号传导通路的组成包括4个受体(Notch1 ̄4)㊁5个配体(Delta ̄likelꎬ3ꎬ4及Jagged1ꎬ2)和CSL蛋白ꎮ最近的研究表明ꎬNotch信号通路在发育过程中作为软骨ECM分解代谢和合成代谢潜在的分子调节剂ꎬ对骨关节炎的发展至关重要[23]ꎮPark等[24]研究发现ꎬNotch信号通路的激活可能促进骨关节炎滑膜细胞和软骨细胞中炎症相关分子的产生ꎮHosaka等[25]研究发现ꎬNotch/无毛重组结合蛋白抑制因子/多毛增强子 ̄1信号通路在关节炎发展中起着重要的调节作用ꎬ过表达Notch胞内结构域(NotchintracellulardomainꎬNotch ̄ICD)可增加小鼠原代软骨细胞和软骨细胞系MMP13和血管生成因子(vascularendothelialgrowthfactorꎬVEGF)的表达ꎬ而通过注射Notch信号通路抑制剂则可以减弱上述效应ꎮ有研究发现ꎬNotch1㊁2受体定位于正常小鼠和人关节软骨的细胞表面ꎬ并且在关节软骨细胞高表达ꎬ但是在退化的软骨中其在细胞核高表达[26]ꎮ
5㊀TGF ̄β/BMP信号通路
㊀㊀TGF ̄β/BMP信号通路在人软骨细胞退变过程中起重要的作用ꎮTGF ̄β信号通路主要通过结合激活素受体样激酶5㊁激活Smad2/3磷酸化来发挥生物学效应[27]ꎻBMP信号通路则与细胞表面激活素受体样激酶1结合ꎬ通过激活Smad1/5/8发挥作用ꎮ研究发现[28]ꎬTGF ̄β/Smad3信号通路可降低人类软骨细胞中的miRNA ̄140活性ꎮmiRNA ̄140缺失可导致骨骼发生异常并且加速软骨细胞肥大化[29]ꎮ近期研究结果显示ꎬ在骨关节炎大鼠模型中通过上调TGF ̄β1抑制TGF ̄β1/Smad信号通路可以防止软骨损伤ꎬ改善骨关节炎[30]ꎮBlaneyDavidson等[31]研究显示ꎬ特异性提高软骨细胞BMP2水平并不能改变骨关节炎模型小鼠软骨损伤的过程ꎬ但可导致骨赘形成的严重恶化ꎮ
6㊀小㊀结
㊀㊀综上所述ꎬ以上信号通路在骨关节炎的发病机制中起着重要作用ꎬ各信号通路之间相互协调与影响ꎬ主要参与炎症反应㊁软骨细胞的增殖和凋亡㊁ECM的合成和降解等ꎮ通过研究这些信号通路ꎬ找到通路中上游或者下游的效应因子ꎬ将会为骨关节炎的靶向治疗提供明确的方法和途径ꎮ
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(收稿日期:2018-10-13㊀修回日期:2018-12-10)。

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