關(guān)節(jié)軟骨低氧誘導(dǎo)因子—2α及其相關(guān)因子的調(diào)控

基金項目 中國博士后科學基金項目（2011M501355）

doi：10.3969/j.issn.1007-614x.2013.20.1

摘 要 近年來研究發(fā)現(xiàn)了HIF-2α在關(guān)節(jié)軟骨細胞代謝的重要作用，其中HIF-2α在（Osteoarthritis，OA）中發(fā)揮了核心角色，以HIF-2α為中心維持軟骨穩(wěn)態(tài)、血管化、促基質(zhì)分解、合成相關(guān)調(diào)控通路分子是研究的相關(guān)目標。如未來更多的研究證實其關(guān)鍵作用，將從HIF-2α因子來作為新的靶點藥物來治療骨關(guān)節(jié)疾病也許是一種新途徑。

關(guān)鍵詞 關(guān)節(jié)軟骨 低氧誘導(dǎo)因子-2α 相關(guān)因子

人關(guān)節(jié)軟骨惟一的固有細胞是軟骨細胞，其代謝穩(wěn)態(tài)的維持對預(yù)防關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，骨性關(guān)節(jié)炎被認為是維持合成代謝和分解代謝穩(wěn)態(tài)的失衡所致，而代謝的失衡與氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡關(guān)系密切，軟骨細胞功能是在低氧的環(huán)境中發(fā)揮作用，使得低氧促進了特殊組織發(fā)揮功能。圍繞OA患者關(guān)節(jié)軟骨退變過程中氧水平變化開辟了研究低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）家族的先河。該家族中HIF-2α的研究被發(fā)現(xiàn)與軟骨代謝性疾病如OA相關(guān)。

低氧誘導(dǎo)因子-2α及其在OA中核心作用的發(fā)現(xiàn)

哺乳動物體內(nèi)細胞中存在一類介導(dǎo)低氧適應(yīng)性反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，它能激活許多低氧反應(yīng)性基因的表達，是在低氧條件下維持氧穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵性物質(zhì)，稱為低氧誘導(dǎo)因子（HIF）。目前，哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)3種低氧誘導(dǎo)因子，即HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α、HIF-1α和HIF-2α是細胞在低氧應(yīng)答反應(yīng)中最重要的調(diào)節(jié)因子，既往對HIF-1α的相關(guān)報道較多，而HIF-2α卻較少研究。1992年發(fā)現(xiàn)HIF-1α以來，學者們對其做了大量的探討其在在低氧中的各種反應(yīng)及其機制，1997年由Tian等在內(nèi)皮細胞中發(fā)現(xiàn)了HIF-2α（命為“內(nèi)皮PAS區(qū)蛋白1”即EPAS1）[1]。

10年來主要用于研究血管疾病和腫瘤疾病方面，HIF-2α在關(guān)節(jié)軟骨中的作用研究研究極少，2007年，Lafont等從基因和蛋白質(zhì)水平證明HIF-2α介導(dǎo)了低氧誘導(dǎo)人關(guān)節(jié)軟骨的表型[2]，而不是HIF-1α。2010年Saito等和Yang等有關(guān)HIF-2α在OA發(fā)生中的核心作用[3，4]，這些發(fā)現(xiàn)有助于建立一個OA發(fā)生發(fā)展的新模型，根據(jù)此描述，應(yīng)力誘導(dǎo)增加了HIF-2α的活性，而掩蓋了密切相關(guān)HIF-1α因子的有益效應(yīng)，促進軟骨細胞的產(chǎn)生，在關(guān)節(jié)內(nèi)向被稱作“肥大”的高分化狀態(tài)發(fā)展，這種高分化促進了OA的發(fā)生。

低氧誘導(dǎo)因子-2α與相關(guān)因子在軟骨細胞中的調(diào)控

HIF-2α的表達調(diào)節(jié)主要以蛋白質(zhì)水平調(diào)節(jié)，在基因水平上調(diào)節(jié)表達的因子較少，目前僅發(fā)現(xiàn)兩種，其中之一是促炎因子白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β），Yang等發(fā)現(xiàn)OA關(guān)節(jié)軟骨中IL-1β增強了HIF-2αmRNA和蛋白質(zhì)水平[4]，抑制了Ⅱ型膠原（COL2A1）的表達。IL-1β導(dǎo)致軟骨細胞中核因子kB（NF-kB）和有絲分裂原激活蛋白（Mitogen-activating protein，MAP）激酶亞單位激活。IL-1β在整個致炎以及軟骨細胞凋亡過程中處于關(guān)鍵地位。實驗證明，IL-1β誘導(dǎo)軟骨細胞炎性介質(zhì)的表達是通過NF-kB來介導(dǎo)的，IL-1β可引起IkB磷酸化和泛素化，促進核因子NF-kB進入細胞核并介導(dǎo)軟骨細胞炎癥基因的表達[5]。IL-1β通過磷酸化JNK來激活c-Jun/AP-1、降低Sox9的水平（mRNA或蛋白質(zhì)），抑制了具有透明軟骨特性的Ⅱ型膠原合成與表達，促進生成具有纖維母細胞特性的Ⅰ和Ⅲ型膠原，分化軟骨細胞和抑制軟骨修復(fù)能力，最終軟骨變性，軟骨缺損和軟骨的生物力學改變[6]。

在蛋白質(zhì)水平上調(diào)節(jié)HIF-2α表達的因子較多，低氧是最重要的調(diào)節(jié)因子，研究表明低氧對HIF-2αmRNA無調(diào)節(jié)作用，在蛋白質(zhì)水平低氧處理時明顯上升。低氧對HIF-2α的調(diào)節(jié)主要依賴于HIF-2α中的ODD結(jié)構(gòu)域，常氧時ODD結(jié)構(gòu)域中的Pro530被依賴氧和亞鐵離子及2-酮戊二酸作為協(xié)同底物，被脯氨酰羥化酶（PHDs）羥化，羥化后的ODD促進HIF-2α與VHL泛素-蛋白酶復(fù)合體結(jié)合，引起泛素化，繼而導(dǎo)致其降解。HIFs-a蛋白降解的關(guān)鍵步驟是其脯氨酸殘基的羥基化，催化該過程的脯氨酸羥化酶（PHDs）是全過程的限速酶。低氧時，脯氨酰羥化酶（PHDs）失去作用，HIF-2α蛋白不被降解從而聚集增多，而與HIF-1亞單位HIF-1β結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物，發(fā)揮其活性[7]。常氧和低氧狀態(tài)下HIFs-α表達變化調(diào)控的核心機制是HIFs-α脯氨酰羥基化機制。

HIF-2α的靶基因涉及到血管生長、促基質(zhì)合成、基質(zhì)分解、維持軟骨穩(wěn)態(tài)、血管收縮、骨髓造血、能量代謝和鐵代謝等方面，目前認為與HIF-2α在關(guān)節(jié)軟骨中密切關(guān)聯(lián)作用的有：血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），Sox9，基質(zhì)金屬蛋白酶-13（MMP-13），COL2A1等[8]。VEGF是HIF-1α和HIF-2α重要的靶基因之一，為目前公認的最強的促血管形成作用。VEGF在軟骨發(fā)育過程中，促進血管形成、維持軟骨細胞存活和加快骨轉(zhuǎn)換等。研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α蛋白的表達隨著關(guān)節(jié)軟骨退變程度的加劇而增加[9]。而HIF-2α也增強了VEGF啟動子的活動，誘導(dǎo)HIF-2α過度表達，活化的HIF與靶基因上的HIF-2α位點結(jié)合，再起動靶基因轉(zhuǎn)錄和相應(yīng)蛋白產(chǎn)物增加。有趣的是，盡管HIF-1α和HIF-2α結(jié)合在同一低氧反應(yīng)單元（HREs），但VEGF啟動子序列主要是由HIF-2α誘導(dǎo)的，低氧通過HIF-2α誘導(dǎo)VEGF表達[10]。研究表明低氧促進了HIF-2α介導(dǎo)Sox9誘導(dǎo)主要基質(zhì)基因的分化表型，促進基質(zhì)合成。Sox9明顯依賴于HIF-2α，而不是HIF-1α。Sox9是軟骨形成中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，它的缺失阻止了低氧誘導(dǎo)基質(zhì)基因，暗示基質(zhì)基因并不是HIF的靶標，而是借助Sox9來上調(diào)低氧誘導(dǎo)基質(zhì)合成[11]。有研究顯示在正常成人軟骨細胞中，Sox9的mRNA水平高表達，而在OA患者軟骨細胞中明顯下調(diào)。普遍認為，轉(zhuǎn)錄因子Sox9是軟骨形成以及軟骨特異性基因如COL2A1表達所必需的。炎性關(guān)節(jié)病中，Sox9下調(diào)在抑制軟骨表型中可能有重要作用。研究表明MMP13也是HIF-2α的靶基因之一，屬MMPs中的膠原酶亞家族，可直接降解軟骨基質(zhì)中最具特征且含量也是最多的Ⅱ型膠原，而且其他許多MMPs亞型對Ⅱ型膠原降解需要通過它起作用。MMP-13存在于關(guān)節(jié)軟骨部位，其活性與軟骨損傷的組織學改變程度相關(guān)，因此，MMP-13等膠原酶的變化最能反映出軟骨基質(zhì)中Ⅱ型膠原的代謝變化。

小結(jié)和展望

HIF-2α在關(guān)節(jié)軟骨細胞代謝中發(fā)揮著重要的角色，最近研究HIF-2α在OA中發(fā)揮了核心作用，以目前的研究認為以HIF-2α為中心信號維持軟骨穩(wěn)態(tài)、血管化、促基質(zhì)分解、合成基因相關(guān)調(diào)控通路分子有IL-1β、NF-kB的P65、JNK、HIF-2α、Sox9、MMP-13、VEGF、COL2A1、PHD-2等等。如果未來的研究可以繼續(xù)證實HIF-2α其關(guān)鍵作用。從HIF-2α因子來作為新的靶點藥物來研究治療骨關(guān)節(jié)疾病也許是一種新途徑。

參考文獻

1 Tian H，McKnight SL，Russell DW.Endothelial PAS domain protein 1 （EPAS1），a transcription factor selectively expressed in endothelial cells.Genes Dev，1997，11（1）：72-82.

2 Lafont JE，Talma S，Murphy CL.Hypoxia-inducible factor 2alpha is essential for hypoxic induction of the human articular chondrocyte phenotype.Arthritis Rheum，2007，56（10）：3297

-3306.

3 Saito T，F(xiàn)ukai A，Mabuchi A，et al.Transcriptional regulation of endochondral ossification by HIF-2αlpha during skeletal growth and osteoarthritis development.Nat Med，2010，16（6）：678-686.

4 Yang S，Kim J，Ryu JH，et al.Hypoxia-inducible factor-2alpha is a catabolic regulator of osteoarthritic cartilage destruction.Nat Med，2010，16（6）：687-693.

5 Lee HS，Lee CH，Tsai HC，et al.Inhibition of cyclooxygenase 2 expression by diallyl sulfide on joint inflammationinduced by urate crystal and IL-1β.Osteoarthritis Cartilage，2009，17（1）：91-99.

6 Sang GH，Sung SY，Haryoung P，et al.C-Jun/Activator protein-1 mediates interleukin-1-induced dedifferentiation but not cyclooxygenase-2 expression in articular chondrocytes.J Biol Chem，2005，280（33）：29780

-29787.

7 Melanie JP，Paul WF.A Gain-of-function Mutation in the HIF2A gene in familial erythrocytosis.N Engl J Med.2008.358（2）：162-168.

8 李笑顏，趙建，曾文，等.晚期骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)軟骨細胞中HIF-1α和VEGF的表達.上海交通大學學報（醫(yī)學版），2010，30（7）：812-816.

9 Saito T，Kawaguchi H.HIF-2αas a possible therapeutic target of osteoarthritis.Osteoarthritis Cartilage，2010，18（12）：1552-1556.

10 Pietras A，Johnsson AS，P？hlman S.The HIF-2α-driven pseudo-hypoxic phenotype in tumor aggressiveness，differentiation，and vascularization.Curr Top Microbiol Immunol，2010，345：1-20.

11 Lafont JE，Talma S，Hopfgarten C，et al.Hypoxia promotes the differentiated human articular chondrocyte phenotype through SOX9-dependent and-independent pathways.J Biol Chem，2008，283（8）：4778-4786.