組蛋白去乙?；冈谲浌前l(fā)育和骨關(guān)節(jié)炎中的作用

魯經(jīng)緯，章 磊，樊根濤綜述， 趙建寧審校

·綜 述·

組蛋白去乙?；冈谲浌前l(fā)育和骨關(guān)節(jié)炎中的作用

魯經(jīng)緯，章 磊，樊根濤綜述， 趙建寧審校

組蛋白去乙酰化酶(HDACs)能使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加緊密從而起到轉(zhuǎn)錄抑制的作用。一些研究結(jié)果表明HDACs與病變軟骨的相關(guān)基因表達(dá)和骨關(guān)節(jié)炎(OA)進(jìn)展有關(guān)。本文總結(jié)了OA和軟骨發(fā)育研究領(lǐng)域HDACs相關(guān)的研究成果，以期更深入的了解OA的發(fā)病機(jī)制以及為OA的治療方案提供新的思路。

骨關(guān)節(jié)炎；組蛋白去乙?；?；軟骨發(fā)育

骨關(guān)節(jié)炎(OA)的病因尚不明確，其發(fā)生與肥胖、年齡、炎癥、創(chuàng)傷、遺傳等因素有關(guān)[1-2]。近年來，隨著對OA研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)了一種特別的遺傳調(diào)控機(jī)制在OA的發(fā)生發(fā)展中起了重要作用，這種機(jī)制的研究被稱為表觀遺傳學(xué)。表觀遺傳是指不涉及基因序列變化而通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控影響生物表型的一種遺傳模式[3-4]。在遺傳學(xué)諸多分子作用基礎(chǔ)中,組蛋白乙酰化和去乙?；揎椪紦?jù)重要地位。真核生物的脫氧核糖核酸(DNA)在核小體中包裹于組蛋白八聚體之上,組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)是維持組蛋白乙?；胶獾膬煞N關(guān)鍵酶類之一[另一種為組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)]，其催化組蛋白的去乙?；饔茫谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)更加緊密，對基因轉(zhuǎn)錄起到抑制作用[5]。

1 組蛋白去乙酰化酶

1.1 分類 HDACs被分為兩個家族:經(jīng)典組蛋白去乙?；?HDAC)家族和沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silent information regulator2，Sir2)-相關(guān)酶類家族(即HDACIII類)。基于酵母種系發(fā)育中的不同HDACs的結(jié)構(gòu)同源性分析，經(jīng)典HDAC家族又可分為三類：與酵母RPD3基因同源的HDAC I類(包括HDAC1、2、3、8)，與酵母HDA1基因同源的II類(包括HDAC4、5、6、7、9、10)以及HDAC11獨自代表的Ⅳ類[6]。

1.2 大小和定位 人類自身編碼經(jīng)典HDAC家族的11種HDAC，其中I類HDAC大約由400-500種氨基酸組成，位于細(xì)胞核內(nèi)，幾乎可以在所有類型的細(xì)胞中普遍表達(dá)。II類HDAC的大小大約是I類HDAC的兩倍(約由1000個氨基酸組成)，在特定的細(xì)胞信號引導(dǎo)下可以在細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核之間穿梭。II類HDAC與I類HDAC的另一個不同點是，它們的表達(dá)具有一定的細(xì)胞和組織特異性，這點提示其可能參與了細(xì)胞的分化和發(fā)育過程。IV類HDAC存在于細(xì)胞核中,相較于II類HDAC，其結(jié)構(gòu)更接近于I類HDAC。

1.3 作用機(jī)制 在體內(nèi)，所有的核心組蛋白都處于乙?；癄顟B(tài)，HDACs能夠移除組蛋白的乙?；?，低乙酰化狀態(tài)可以使組蛋白與包繞在其周圍的DNA之間的空間變小。纏繞更緊密的DNA使轉(zhuǎn)錄因子難于與其結(jié)合，達(dá)到轉(zhuǎn)錄抑制的作用[7-8]。

2 HDACs與軟骨發(fā)育

2.1 調(diào)控細(xì)胞外基因 軟骨細(xì)胞可合成分泌軟骨特有的細(xì)胞外基質(zhì),如蛋白聚糖,II型膠原等。相關(guān)研究[9]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子Snail通過與HDAC1和HDAC2的羧基末端功能區(qū)相互作用，抑制軟骨細(xì)胞中II型膠原的表達(dá)。在體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞中對HDAC的活性進(jìn)行抑制,II型膠原表達(dá)量亦會降低[10]，這種現(xiàn)象可能是由于HDAC抑制了Wnt-5a 基因的轉(zhuǎn)錄，后者具有抑制II型膠原表達(dá)的作用。這些報道說明了HDACs通過調(diào)節(jié)軟骨相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子影響軟骨的自穩(wěn)態(tài)。軟骨細(xì)胞由滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞(synovium-derived stem cells，SDSCs)分化而來， Pei 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對未用轉(zhuǎn)錄生長因子TGF-β2干預(yù)的SDSCs，超表達(dá)的HDAC4對軟骨形成作用沒有影響；而對使用了TGF-β2干預(yù)的SDSCs，超表達(dá)的HDAC4能夠加快軟骨形成的速度并將其維持在一個較高的水平，且與此同時下調(diào)了肥大軟骨細(xì)胞的標(biāo)志物—X型膠原的表達(dá)。以上結(jié)果表明HDAC4具有促進(jìn)并維持TGF-β2誘導(dǎo)的軟骨形成的作用，啟示不只生長因子本身能夠影響軟骨形成，對其轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)對軟骨形成也有重要影響。

2.2 調(diào)控軟骨細(xì)胞 在胚胎發(fā)育過程中，間充質(zhì)干細(xì)胞增殖分化形成軟骨板，經(jīng)由軟骨內(nèi)成骨生成骨骼[12]。此過程中軟骨細(xì)胞經(jīng)歷肥大化，并分泌細(xì)胞外基質(zhì)。Runx2基因是軟骨細(xì)胞肥大過程中必須的轉(zhuǎn)錄因子，HDAC4在軟骨前肥大細(xì)胞中表達(dá),通過與Runx2基因相互作用，通過抑制Runx2的表達(dá)活性調(diào)控軟骨細(xì)胞的肥大和軟骨內(nèi)成骨[13]。敲除HDAC4基因的小鼠在骨骼發(fā)育過程中由于肋軟骨細(xì)胞肥大化時間的提前，表現(xiàn)出不成熟的骨化，致使胸廓發(fā)育畸形，呼吸受限，在出生1周內(nèi)就會死亡[14]?？梢娫谲浌切纬蛇^程中，HDAC4作為調(diào)控軟骨細(xì)胞肥大的關(guān)鍵因子。軟骨細(xì)胞不僅受到HDAC4表達(dá)量高低的影響，也受到HDAC4定位不同的影響，HDAC4從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)這一重新定位的過程能促進(jìn)軟骨細(xì)胞由增殖期向到前肥大期過渡[15]。I類HDACs中的HDAC3對軟骨細(xì)胞肥大也有重要調(diào)節(jié)作用[16]。

3 HDACs與OA

金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)是一類共同作用導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)降解的酶類。對于一些正常的生理過程如生長發(fā)育和傷口愈合，低濃度的MMP起著重要的作用。在OA中，MMP表達(dá)異常增多，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)發(fā)生不可逆的降解，最終發(fā)展到關(guān)節(jié)破壞。金屬蛋白酶-13(Matrix metalloproteinase-13，MMP-13)是軟骨細(xì)胞外基質(zhì)重要的降解酶，其水解II型膠原的作用較之其他MMP更強(qiáng)。動物實驗及體外培養(yǎng)實驗也表明MMP-13在OA的病理過程中起著重要作用[17-18]。MMP-13由軟骨細(xì)胞分泌，晚期OA患者的關(guān)節(jié)軟骨中MMP-13的表達(dá)量比早期OA患者或者正常人的關(guān)節(jié)軟骨中MMP-13的表達(dá)量高出許多[18]。在人OA軟骨檢測到HDAC7比其在正常軟骨中的表達(dá)量顯著增高，為了探討HDAC7的表達(dá)增高是否和MMP-13的表達(dá)增高有關(guān)， Higashiyama等[19]采用人軟骨肉瘤細(xì)胞系——sw1353細(xì)胞，加入小干擾RNA(small interfering RNA, siRNA)對HDAC7進(jìn)行基因沉默，使用實時熒光定量逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈反應(yīng)(real time RT-PCR)方法測定MMP-13的表達(dá)量，在對照組和使用白細(xì)胞介素-1(interleukin-1，IL-1)誘導(dǎo)組，HDAC7基因沉默均使MMP-13的表達(dá)量顯著降低，這一結(jié)果提示在OA病理中HDAC7促進(jìn)了MMP-13的表達(dá)，對HDAC7在OA發(fā)病中的作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識。除了II類HDACs中的HDAC7，I類HDACs中的HDAC1和HDAC2在OA軟骨細(xì)胞中的表達(dá)也是升高的，伴隨它們的升高，一些軟骨特異性基因如蛋白聚糖、II型膠原的表達(dá)受到了抑制[9]。這提示HDAC1和HDAC2可能在OA關(guān)節(jié)的軟骨退化中起到了一定的作用，然而其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明。

4 組蛋白去乙?；敢种苿?HDACi)與OA

為了探究HDACs在OA中的作用，組蛋白去乙酰化酶抑制劑在OA研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在軟骨外植體培養(yǎng)中，HDACi能夠抑制細(xì)胞因子誘導(dǎo)的蛋白聚糖的釋放和軟骨的吸收[20-21],提示HDACs的活性對軟骨細(xì)胞的分解代謝作用有影響。在體外實驗中，HDACi能夠抑制誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS)和環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)[20]以及MMP-1、MMP-13、ADAMTS-5( a disintesrin and metalloprotease with thrombospondin type 5motifs，V型血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶)、ADAMTS-9基因轉(zhuǎn)錄[21]。這些結(jié)果表明HDACi能夠抑制軟骨基質(zhì)降解酶的表達(dá)，提示HDACi具有用于治療OA的潛力。受此啟發(fā)，有研究者在OA模型兔子的關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射一種廣譜HDACi——曲古抑菌素(trichostatin，TSA)，相較對照組，注射TSA組的關(guān)節(jié)軟骨退化程度更輕且炎癥因子IL-1和基質(zhì)降解酶的表達(dá)均降低[22]。更具特異性的HDACi也在軟骨相關(guān)研究中得到了應(yīng)用，如苯甲酰胺MS-275，其被證明對I類HDACs具有選擇特異性，能夠抑制HDAC1、2和3的活性而不對HDAC8產(chǎn)生抑制作用[23-24]。在體外實驗中，使用苯甲酰胺MS-275對HDAC1、2和3進(jìn)行抑制，軟骨細(xì)胞的基質(zhì)降解酶降低，軟骨的吸收亦受到抑制[23]?？梢奍類HDACs，尤其是HDAC1、2和3是潛在的治療OA的靶點。

HDACi能夠抑制軟骨細(xì)胞中細(xì)胞因子誘導(dǎo)的金屬蛋白酶的表達(dá)[25]，然而，有研究發(fā)現(xiàn)HDACi能夠提高IL-1刺激的MMP-1和MMP-13啟動子提高組蛋白H4的乙?；潭萚26]，提示不依賴組蛋白抑制機(jī)制的存在。HDACi作用時間長短的不同也會導(dǎo)致不同的效果。作用時間較短(<24 h)時，軟骨細(xì)胞合成代謝的相關(guān)基因如II型膠原、IX型膠原、軟骨寡聚蛋白質(zhì)、蛋白聚糖表達(dá)增高，而在作用時間延長的情況下，上述基因的表達(dá)受到抑制。在腫瘤的治療研究中，HDACi藥物已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段[27]。在動物模型中，一些HDACi表現(xiàn)出對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的治療效果。OA研究領(lǐng)域?qū)DACi的研究現(xiàn)在主要處于體外實驗的階段，有待進(jìn)一步深入。

5 結(jié)論和展望

表觀遺傳學(xué)的研究不斷深入為對OA病理的理解提供了新的視角，相較其他組織，OA的表觀遺傳研究的一大優(yōu)勢就是軟骨所含細(xì)胞種類只有一種[28]。以上研究結(jié)果表明了組蛋白去乙酰化酶在軟骨形成以及OA的發(fā)生發(fā)展中起了重要的作用。越來越多HDACs與軟骨發(fā)育以及OA相關(guān)的研究為更好的了解OA的發(fā)病機(jī)制提供了新的視角。當(dāng)然，這些實驗中也存在一些尚待完善之處：①采用的HDACi多為廣譜，無法明確軟骨相關(guān)基因表達(dá)變化歸因于何種HDAC。對HDAC具有特異性、選擇性抑制作用的HDACi仍需進(jìn)一步研究與應(yīng)用；②通過HDAC表達(dá)量的測定對HDAC的活性變化進(jìn)行判斷。然而表達(dá)量與活性是否為正相關(guān)或者線性關(guān)系，并未給予驗證，因此HDAC經(jīng)典家族中各HDAC在OA病理過程中的活性變化有待進(jìn)一步實驗驗證；③體內(nèi)試驗尚較缺乏。模式動物需要更多的應(yīng)用到相關(guān)研究當(dāng)中，從而更好地模擬HDAC在人類軟骨中的作用效果。在傳統(tǒng)治療方法無法阻止OA病情進(jìn)展的現(xiàn)狀下，以HDACs作為靶點的治療藥物值得進(jìn)一步研究。HDACi在動物實驗中對OA的治療初見成效，更多的體內(nèi)試驗及臨床試驗令人期待。

[1] 徐若男, 陳 爍, 劉宏濱,等. 緩激肽B2受體基因多態(tài)性在膝骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展中的作用[J]. 東南國防醫(yī)藥, 2013, 15(4):361-364.

[2] 賀文楠,蔣振剛,左新成.疊加造模后膝關(guān)節(jié)骨密度改變及軟骨基質(zhì)金屬蛋白酶-13的表達(dá)[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報,2010,23(6):605-608.

[3] Zhang M, Wang J. Epigenetics and osteoarthritis[J]. Genes Dis, 2015, 2(1):69-75.

[4] 徐 寧,張廣芬,余海鷹,等.抑郁癥的表觀遺傳學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報,2016,29(10):1093-1096.

[5] Shen Y, Wei W, Zhou DX. Histone acetylation enzymes coordinate metabolism and gene expression[J]. Trends Plant Sci, 2015, 20(10):614-621.

[6] Ververis K, Karagiannis TC. Overview of the classical histone deacetylase enzymes and histone deacetylase Inhibitors[J]. Isrn Cell Biol, 2012:130360.

[7] Le NT, Tu BH, Ho BH, et al. A nucleosomal approach to inferring causal relationships of histone modifications[J]. Bmc Genomics, 2014, 15(Suppl 1):1-10.

[8] Shahbazian MD, Grunstein M. Functions of site-specific histone acetylation and deacetylation[J]. Annu Rev Biochem, 2007, 76(1):75-100.

[9] Hong S, Derfoul A, Pereira-Mouries L, et al. A novel domain in histone deacetylase 1 and 2 mediates repression of cartilage-specific genes in human chondrocytes[J]. FASEB J, 2009, 23(10): 3539-3552.

[10]Hyun HY, Je-Hwang R, Jang-Soo C. Regulation of type II collagen expression by histone deacetylase in articular chondrocytes[J]. J Biol Chem, 2007, 282(23):17123-17131.

[11]Pei M, Chen D. Histone deacetylase 4 promotes TGF-beta1-induced synovium-derived stem cell chondrogenesis but inhibits chondrogenically differentiated stem cell hypertrophy[J]. Int J Chronic Obstr, 2009, 78(5):260-268.

[12]Dang PN, Dwivedi N, Phillips LM, et al. Controlled dual growth factor delivery from microparticles incorporated within human bone marrow-derived mesenchymal stem cell aggregates for enhanced bone tissue engineering via endochondral ossification[J]. Stem Cell Transl Me, 2016, 5(2): 206-217.

[13]Mu P, Deepak V, Kang L, et al. Ratjadone C-mediated nuclear accumulation of HDAC4: implications on Runx2-induced osteoblast differentiation of C3H10T1/2 mesenchymal stem cells[J]. Z Naturforsch C, 2014, 69(11-12): 471-478.

[14]Vega RB, Koichi M, Junyoung O, et al. Histone deacetylase 4 controls chondrocyte hypertrophy during skeletogenesis[J]. Cell, 2004, 119(4):555-566.

[15]Guan Y, Chen Q, Yang X, et al. Subcellular relocation of histone deacetylase 4 regulates growth plate chondrocyte differentiation through Ca2+/calmodulin-dependent kinase IV[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2012, 303(1):33-40.

[16]Bradley EW, Carpio LR, Westendorf JJ. Histone deacetylase 3 suppression increases PH domain and leucine-rich repeat phosphatase (Phlpp)1 expression in chondrocytes to suppress Akt signaling and matrix secretion[J]. J Biol Chem, 2013, 288(14):9572-9582.

[17]Wang W, Zeng L, Wang Z, et al. Ginsenoside Rb1 inhibits matrix metalloproteinase 13 through down-regulating Notch signaling pathway in osteoarthritis[J]. Exp Biol Med, 2015, 240(12): 1614-1621.

[18]Attur M, Yang Q, Shimada K, et al. Elevated expression of periostin in human osteoarthritic cartilage and its potential role in matrix degradation via matrix metalloproteinase-13[J]. Osteoarthr Cartila, 2015, 29(10):135-136.

[19]Higashiyama R, Miyaki S, Yamashita S, et al. Correlation between MMP-13 and HDAC7 expression in human knee osteoarthritis[J]. Mod Rheumatol, 2010, 20(1):11-17.

[20]Chabane N, Zayed N, Afif H, et al. Histone deacetylase inhibitors suppressinterleukin-1beta-induced nitric oxide and prostaglandin E2 production in human chondrocytes[J]. Osteoarthr Cartila, 2008, 16(10):1267-1274.

[21]Young DA, Lakey RL, Pennington CJ, et al. Histone deacetylase inhibitors modulate metalloproteinase gene expression in chondrocytes and block cartilage resorption[J]. Arthritis Res Ther, 2005, 7(3):1-10.

[22]Chen WP, Bao JP, Hu PF, et al. Alleviation of osteoarthritis by Trichostatin A, a histone deacetylase inhibitor, in experimental osteoarthritis[J]. Mole Biol Rep, 2010, 37(8):3967-3972.

[23]Kirsty L. Culley, Wang H, Barter MJ, et al. Class I Histone Deacetylase Inhibition Modulates Metalloproteinase Expression and Blocks Cytokine-Induced Cartilage Degradation[J]. Arthritis Rheumatol, 2013, 65(7):1822-1830.

[24]Paradis FH, Hales BF. The effects of class-specific histone deacetylase inhibitors on the development of limbs during organogenesis[J]. Toxicol Sci, 2015, 148(1): 220-228.

[25]Saito T, Nishida K, Furumatsu T, et al. Histone deacetylase inhibitors suppress mechanical stress-induced expression of RUNX-2 and ADAMTS-5 through the inhibition of the MAPK signaling pathway in cultured human chondrocytes[J]. Osteoarthr Cartila, 2013, 21(1):165-174.

[26]Burrage P, Huntington JM, Brinckerhoff C. Regulation of matrix metalloproteinase gene expression by a retinoid X receptor-specific ligand[J]. Arthritis Rheumatol, 2007, 56(3):892-904.

[27]Duvic M, Dimopoulos M. The safety profile of vorinostat (suberoylanilide hydroxamic acid) in hematologic malignancies: a review of clinical studies[J]. Cancer Treat Rev, 2016, 43: 58-66.

[28]Reynard LN, Loughlin J. Genetics and epigenetics of osteoarthritis[J]. Maturitas, 2012, 71(3):200-204.

(本文編輯：黃攸生)

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院管理課題資助項目(2016008)

210002 江蘇南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院骨科

趙建寧，E-mail：zhaojianning.0207@163.com

魯經(jīng)緯，章 磊，樊根濤，等.組蛋白去乙?；冈谲浌前l(fā)育和骨關(guān)節(jié)炎中的作用[J].東南國防醫(yī)藥，2016,18(6):636-639.

R681.3

A

10.3969/j.issn.1672-271X.2016.06.021

2016-07-26；

2016-10-19)