轉(zhuǎn)化生長因子β信號通路與骨關(guān)節(jié)炎

張玉笛 鐘 玉 周凌云 李榮亨

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合科，重慶 400016)

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轉(zhuǎn)化生長因子β信號通路與骨關(guān)節(jié)炎

張玉笛 鐘 玉 周凌云 李榮亨

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合科，重慶 400016)

轉(zhuǎn)化生長因子β信號通路；骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎(OA)是中老年人常見的一種慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，以骨質(zhì)增生、關(guān)節(jié)腫痛和活動受限為主要臨床表現(xiàn)，以關(guān)節(jié)軟骨破壞、軟骨下骨硬化、骨贅形成及滑液組織纖維化為主要病理改變，最終致殘。OA的確切病因至今不明，目前認為是生物性因素與機械性因素共同作用的結(jié)果。轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β是一種多功能生長因子，在關(guān)節(jié)軟骨的形成、穩(wěn)定及修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β信號分子刺激軟骨的形成，維持軟骨基質(zhì)更新，抑制軟骨細胞的終末分化，阻斷軟骨基質(zhì)鈣化、血管入侵、成骨細胞的分化及骨化。在這些過程中,TGF-β信號通路發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文對TGF-β信號通路及其在OA中的調(diào)節(jié)作用予以綜述。

1 TGF-β信號通路

1.1 TGF-β信號分子及其家族 TGF-β生長因子超家族有30多個成員，包括TGF-βs、激活素、骨形成蛋白等，它們調(diào)節(jié)多種細胞過程，涉及增殖、分化、遷移、凋亡及細胞外基質(zhì)的合成及降解等。TGF-β的3種亞型(TGF-β1，TGF-β2，TGF-β3)擁有(71%～79%)相同序列及相似空間結(jié)構(gòu)，但又各具獨特的功能，在組織發(fā)育、組織再生及病理性應(yīng)答過程中表現(xiàn)出不同的空間結(jié)構(gòu)。

1.2 TGF-β信號分子的合成、活化及其調(diào)控

1.2.1 合成 TGF-β信號分子是由兩個同源的前體蛋白合成，在高爾基體中通過費林蛋白酶的作用發(fā)生裂解，形成成熟的TGF-β二聚體和隱性相關(guān)肽(LAP)。

1.2.2 活化 LAP與成熟的TGF-β信號分子之間以非共價鍵的形式形成復(fù)合體，該復(fù)合體可以抑制TGF-β信號分子的活性。TGF-β信號分子從LAP復(fù)合體中釋放出來則得以活化。酸化、堿化、熱變性及某些生物學過程(包括蛋白體的裂解、蛋白質(zhì)之間的相互作用等)均可使TGF-β信號分子從LAP復(fù)合體中釋放出來。絲氨酸蛋白酶〔如纖溶酶、凝血酶、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-2、 MMP-9、 MMP-13和MMP-14等〕也能使TGF-β信號分子活化。凝血酶敏感蛋白(TSP)-1與LAP直接作用，則可導致LAP結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使TGF-β信號分子活化。整合素αvβ6 和 αvβ8亦可通過依賴和非依賴蛋白酶的方式使TGF-β信號分子活化。

1.2.3 調(diào)控 對TGF-β信號分子活性的調(diào)控可能是控制其生物利用率十分重要的機制。TGF-β信號分子活性受到細胞外、細胞膜及細胞內(nèi)物質(zhì)的嚴格調(diào)控，該調(diào)控具有細胞依賴性、空間性、短暫性的特點。在細胞外，調(diào)控包括對TGF-β信號分子合成的調(diào)控及對其活化的調(diào)控。其中自身誘導和低氧誘導調(diào)控TGF-β信號分子的表達已有報道〔1，2〕，但調(diào)控TGF-β信號分子表達的相關(guān)因子仍無報道。在細胞膜上，TGF-β信號分子的共受體包括內(nèi)皮因子、β-聚糖和CD109，這3種共受體不僅調(diào)節(jié) TGF-β信號分子，而且它們對組織正常發(fā)育、穩(wěn)定及病理性改變都十分重要。在細胞內(nèi)，TGF-β信號分子傳導受到胞質(zhì)蛋白、核蛋白的調(diào)控，其中胞質(zhì)蛋白包括FK506結(jié)合蛋白(FKBP)12、TGFβ受體相互作用蛋白(TRIP)-1、WD域蛋白(STRAP)、TGFβ受體抑制蛋白(TRAP)-1、受體活化后smad靶向蛋白(SARA)、熱休克蛋白(HSP)90，核蛋白包括TG相互作用因子(TGIF)、 c-Ski、SnoN 和錄病毒整合位點1同源蛋白(Evi-1)，這些蛋白調(diào)控TGF-β信號分子傳導的強度和持續(xù)時間。在TGF-β/骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)信號通路傳導的負反饋調(diào)節(jié)中，抑制性Smad蛋白(Smad6和Smad7)與活化的TGF-βⅠ型受體形成穩(wěn)定復(fù)合物，以此來阻斷R-Smad磷酸化。此外Smad6和Smad7作為E3泛素化配體(Smurf 1 和 Smurf 2)的銜接蛋白，可以誘導活化的TGF-βⅠ型受體的泛素化及其降解。

1.3 TGF-β信號通路的啟動及其對下游的調(diào)控 TGF-β信號分子介導的細胞內(nèi)信號通路是通過TGF-β信號分子連接到TGF-βⅡ型和Ⅰ型跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體上啟動的。TGF-β信號分子首先連接Ⅱ型受體，然后再連接Ⅰ型受體，使TGF-βⅠ型受體〔即激活素樣激酶(ALK)5〕磷酸化而得以活化。活化的Ⅰ型受體可以磷酸化R-Smad(Smad2或Smad3)蛋白。磷酸化的Smad2 、Smad3蛋白從受體復(fù)合物中解離出來，與Smad4形成復(fù)合物，進一步轉(zhuǎn)移入核，與DNA結(jié)合蛋白相連，調(diào)節(jié)下游靶基因轉(zhuǎn)錄。TGF-β信號分子也能活化另一種TGF-βⅠ型受體(即ALK1)，ALK1可以磷酸化3種R-Smad(包括Samd1、Smad5和Smad8)蛋白。在人骨關(guān)節(jié)炎軟骨中，ALK1與MMP-13的表達有關(guān)，ALK5與蛋白多糖和Ⅱ型膠原的表達有關(guān)，因此軟骨細胞的ALK5與ALK1受體之間失衡會引起MMP-13表達發(fā)生改變，出現(xiàn)類似OA樣的表現(xiàn)〔3〕。

2 TGF-β信號通路與OA

2.1 TGF-β信號分子與OA TGF-β信號分子各亞型在OA中的表達下調(diào)。在人OA中，TGF-β1表達下調(diào)〔4〕；兔OA模型中，TGF-β1和TGF-β2 mRNA水平輕微下調(diào)〔5〕及自發(fā)形成的OA和膠原酶誘導形成的鼠OA模型中TGF-β3在軟骨中表達下調(diào)〔6〕。另外一些研究結(jié)果卻與上述相反。TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3在人OA中表達上調(diào)〔7〕；TGF-β1、TGF-β3在木瓜蛋白酶誘導的鼠OA模型中表達上調(diào)〔8〕。TGF-β各亞型在OA中的表達不同，可能與年齡、性別、遺傳、力學(肥胖、創(chuàng)傷)等因素有關(guān)。TGF-β信號分子的表達在OA早期上調(diào)，其原因可能是為了拮抗促炎細胞因子〔如白細胞介素(IL)-1β 或腫瘤壞死因子(TNF)-α〕的分解作用，或是對TGF-β受體表達的進行性丟失產(chǎn)生的一種適應(yīng)性應(yīng)答。隨后由于軟骨細胞的TGF-β mRNA合成減少而導致TGF-β信號分子的表達減少。

2.2 TGF-β信號受體與OA 與正常軟骨相比，人OA中TGF-βⅡ型受體(TβRⅡ)mRNA是減少的〔4〕。在兔OA模型的中晚期階段，軟骨中TβRⅡ mRNA明顯減少〔5〕。與正常組織相比，OA患者的軟骨細胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)TβRⅡ mRNA也明顯減少〔9〕。這些研究表明，TβRⅡ表達減少可能會促進OA的發(fā)生、發(fā)展。在OA中，TGF-βⅠ型受體(TβRⅠ)的表達也發(fā)生了改變。除經(jīng)典的TβRⅠ(ALK5)外，人軟骨細胞也表達ALK1。ALK1和ALK5是TGF-β信號誘導Smad1/5磷酸化所必需的，而ALK5是TGF-β信號誘導Smad3磷酸化所必需的。另外，ALK1抑制軟骨細胞Ⅱ型膠原和纖溶酶原激活物抑制物(PAI)-1的表達，而 ALK5的作用與此相反，表明在軟骨細胞中，ALK1和ALK5的功能相反。在鼠OA模型中，ALK5和ALK1的表達均減少，但ALK1減少的幅度小于ALK5，導致ALK1和ALK5的比率升高〔3〕。在人OA軟骨中，ALK1 mRNA與MMP-13 mRNA高度相關(guān)，而ALK5 mRNA則與蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的表達相關(guān)〔3〕。以上研究結(jié)果說明，TGF-β信號受體的表達在OA中發(fā)生改變，可能在該疾病的發(fā)生發(fā)展中有十分重要的作用。

2.3 TGF-β信號通路中Smad2、Smad3蛋白與OA 在原發(fā)和膠原酶誘導產(chǎn)生的鼠OA模型中，Smad2磷酸化水平降低〔6〕。老年鼠中Smad2磷酸化水平也是降低的〔10〕。在Smurf2轉(zhuǎn)基因鼠中，Smad3磷酸化水平減少后，實驗鼠出現(xiàn)OA樣表現(xiàn)〔11〕。這表明TGF-β/ALK5/Smad2/3信號與OA發(fā)生發(fā)展相關(guān)聯(lián)。

2.4 TGF-β信號通路中R-Smad蛋白平衡性與OA 人軟骨細胞中，TGF-β信號分子通過Smad1/5與Smad2/3通路發(fā)揮的作用不同。OA中，ALK5受體與Smad2/3蛋白減少已有報道〔3〕，Smad1/5蛋白與Smad2/3蛋白平衡性也可能出現(xiàn)改變，從而導致OA。若研究出調(diào)節(jié)ALK5/Smad2/3和ALK1/Smad1/5通路的因子，增加ALK5/Smad2/3信號表達，減少ALK1/Smad1/5信號表達，這可能對抑制OA發(fā)生發(fā)展有一定幫助。

2.5 TGF-β信號通路中抑制因子在OA中的表達 Smad7/Smurf2介導TGF-β受體降解是終止TGF-β信號分子傳導的一個重要機制。在正常和OA患者的軟骨內(nèi)，Smad7的表達無差異性〔12〕，但促炎細胞因子如IL-1β可以增加人軟骨細胞Smad7的表達，從而抑制TGF-β信號分子活性〔12,13〕。鼠軟骨細胞表現(xiàn)出Smad7表達隨年齡增加而增長〔10〕，說明在原發(fā)性O(shè)A發(fā)生或發(fā)展過程中年齡是一項重要因素，Smad7可能發(fā)揮重要的作用。與正常軟骨相比，人OA軟骨中Smurf2增加〔14〕；在Smurf2轉(zhuǎn)基因鼠中，OA樣表型可以自發(fā)形成，這可能與TGF-β信號分子減少及Smad3磷酸化降解增加有關(guān)〔14〕。

3 TGF-β信號通路中各分子可作為OA的治療靶標

人OA軟骨中,TGF-β信號通路中各分子的活化或表達水平發(fā)生改變,提示TGF-β信號通路中各分子可作為OA的治療靶標。目前研究熱點集中在將TGF-β信號分子作為治療劑上。研究表明，將TGF-β信號分子注射入兔OA的顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)現(xiàn),TGF-β對關(guān)節(jié)軟骨的降解有保護作用〔15〕。將TGF-β信號分子注射入IL-1誘導的鼠膝關(guān)節(jié)中顯示，TGF-β對IL-1引起的關(guān)節(jié)軟骨病變有拮抗作用〔16,17〕。在OA軟骨中，利用腺病毒持續(xù)過表達TGF-β信號分子，可以減輕軟骨細胞肥大，抑制軟骨細胞終末分化，增加MMP類組織抑制劑(TIMPs)的表達，恢復(fù)ALK1/ALK5之間的平衡，這對關(guān)節(jié)軟骨起到了一定的修復(fù)作用〔18〕。在實驗性O(shè)A鼠中，溫補腎陽的中藥鹿茸可以通過增加Smad2和Smad3 mRNA的合成和蛋白的表達來促進OA鼠的關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)〔19〕。中等強度的磁場可以通過TGF-β信號通路來誘導軟骨中骨髓基質(zhì)干細胞分化〔20〕，表明物理療法亦能通過TGF-β信號通路對軟骨起一定的保護作用。但是不恰當?shù)剡\用TGF-β信號分子，也會帶來副作用。研究表明，往正常關(guān)節(jié)中重復(fù)注射TGF-β1信號分子，在增加蛋白聚糖合成的同時，也導致炎癥的產(chǎn)生、滑液的過多分泌和骨贅的形成〔21～23〕。

由此可知，TGF-β信號分子雖然對OA的軟骨具有一定的修復(fù)作用，但正常關(guān)節(jié)腔內(nèi)過多的TGF-β信號分子亦可能會誘導滑膜炎癥、纖維化的產(chǎn)生，故把握TGF-β信號分子治療的濃度范圍、作用持續(xù)時間、作用部位等對治療OA至關(guān)重要。研究表明，利用腺病毒過表達TGF-β信號分子，可以促進IL-1和OA破壞的關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)，同時在滑膜內(nèi)局部過表達Smad7，可以阻斷TGF-β信號分子誘導產(chǎn)生的滑膜纖維化〔24〕。

綜上，TGF-β信號通路在關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育、生長、穩(wěn)態(tài)維持等方面發(fā)揮著多種積極作用。根據(jù)TGF-β信號通路在OA中的作用特點，推測提高TGF-β受體的活性，恢復(fù)ALK5/Smad2/3和ALK1/Smad1/5通路的平衡，恰當合理地調(diào)整TGF-β信號通路各分子的表達水平，可能成為防治OA的方法之一。

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〔2015-08-25修回〕

(編輯 苑云杰/王一涵)

重慶市衛(wèi)生局項目〔渝衛(wèi)中醫(yī)2008(38)2008-2-35〕

李榮亨(1945-)，男，教授，博士生導師，主要從事風濕病、老年病的中西醫(yī)結(jié)合基礎(chǔ)與臨床研究。

張玉笛(1990-)，女，碩士，主要從事風濕病、老年病的中西醫(yī)結(jié)合研究。

R592

A

1005-9202(2016)20-5193-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.20.125