軸蛋白在骨關(guān)節(jié)炎中的作用機(jī)制及研究進(jìn)展

盧向陽(yáng)+唐芳+馬武開(kāi)+姚血明+陳琳英+周靜

【摘 要】 軸蛋白是一個(gè)構(gòu)架蛋白，其傳導(dǎo)信號(hào)的方式主要是與Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的許多相關(guān)成員結(jié)合形成復(fù)合體。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)軸蛋白為抑制因子，能通過(guò)下調(diào)β-連環(huán)蛋白（β-catenin）水平來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨的成熟、增殖分化以及凋亡。β-catenin作為Wnt信號(hào)通路中的重要成員，而軸蛋白作為Wnt信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子，將為骨關(guān)節(jié)炎的診斷和治療提供新的思路和有效的方法。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎；軸蛋白；Wnt/β-catenin；軟骨細(xì)胞；綜述

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種常見(jiàn)的關(guān)節(jié)疾病，主要損害關(guān)節(jié)軟骨，繼而累及整個(gè)關(guān)節(jié)組織，并最終發(fā)生關(guān)節(jié)軟骨退變、纖維化以及整個(gè)關(guān)節(jié)面的損害[1]。目前其發(fā)病機(jī)制仍不是很清楚，不能從根本上為患者解除痛苦。近年來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，維持Wnt信號(hào)通路中β-連環(huán)蛋白（β-catenin）的穩(wěn)定與OA的發(fā)生和調(diào)控有著密切的關(guān)系，并與關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分化、成熟及凋亡有很大相關(guān)性[2]。軸蛋白（Axin）作為調(diào)節(jié)蛋白在Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起負(fù)調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而Axin可以在Wnt信號(hào)通路中通過(guò)不同的作用位點(diǎn)調(diào)節(jié)β-catenin的磷酸化和穩(wěn)定性來(lái)維持軟骨細(xì)胞的穩(wěn)定。本文將對(duì)Axin通過(guò)Wnt/β-catenin的調(diào)節(jié)來(lái)維持軟骨細(xì)胞平衡進(jìn)行綜述。

1 Axin的生物學(xué)特性

Axin基因是1997年從一種稱(chēng)為Fused的小鼠突變株中克隆得到的[3]。Axin在體軸形成過(guò)程中起著負(fù)調(diào)節(jié)作用，有研究把Axin注射于蟾蜍的胚胎中，在胚胎發(fā)育中出現(xiàn)了體軸缺失現(xiàn)象[4]，進(jìn)而證明了這一觀點(diǎn)。很多實(shí)驗(yàn)研究都證實(shí)了Axin在不同物種中普遍存在，且廣泛表達(dá)于五臟、腦、甲狀腺、睪丸和骨骼肌等不同組織，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制著許多生命過(guò)程。Axin可位于胞膜、胞質(zhì)及胞核中，Axin具有多個(gè)固定保守的結(jié)構(gòu)域，其中最重要的幾個(gè)功能結(jié)構(gòu)域的磷酸化位點(diǎn)高度保守，能與Wnt信號(hào)通路中許多成員相互結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)β-catenin[5]，如腫瘤抑制因子腸腺息肉瘤蛋白（APC）結(jié)合區(qū)域、酪蛋白激酶（CKI）結(jié)合區(qū)域、糖原合成激酶（GSK-3β）結(jié)合區(qū)域、β-catenin結(jié)合區(qū)域等。

2 Wnt/β-catenin信號(hào)通路

Wnt是一個(gè)富含半胱氨酸的分泌型配體家族，科學(xué)家是在對(duì)果蠅極性發(fā)育和爪蟾的胚胎體軸形成研究中發(fā)現(xiàn)這一信號(hào)通路的。目前研究發(fā)現(xiàn)，Wnt蛋白至少參與3條信號(hào)途徑，分為經(jīng)典通路和非經(jīng)典通路，其中Wnt/β-catenin信號(hào)被稱(chēng)為經(jīng)典信號(hào)通路，直接影響細(xì)胞的增殖分化，是Wnt信號(hào)通路中影響細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的一個(gè)必不可少的途徑[6-7]。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)節(jié)著關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的成熟、增殖分化以及凋亡來(lái)維持關(guān)節(jié)軟骨的正常生長(zhǎng)，對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的穩(wěn)定具有重要作用，如果這種平衡被打破，將會(huì)導(dǎo)致OA的發(fā)生[8]。目前的研究認(rèn)為，Wnt/β-catenin信號(hào)通路的失衡可能是導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)軟骨破壞的重要原因，Wnt/β-catenin信號(hào)通路也是影響軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)重要的信號(hào)通路[9]。Delgado等[10]在研究對(duì)比OA和骨折患者中發(fā)現(xiàn)，OA患者軟骨細(xì)胞培養(yǎng)液中細(xì)胞核內(nèi)的β-catenin要比骨折患者多。Zhu等[9]研究Wnt信號(hào)通路直接激活成年小鼠軟骨細(xì)胞的β-catenin基因，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞提前進(jìn)行了分化，而且出現(xiàn)了OA樣改變；另外Zhu等[11]抑制轉(zhuǎn)基因鼠β-catenin信號(hào)通路后發(fā)現(xiàn)仍出現(xiàn)OA樣改變；Yuasa等[8]特異性地抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路后發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）-3和MMP-13的基因表達(dá)增高，并且加強(qiáng)了白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）的效應(yīng)，加速關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡而增加關(guān)節(jié)軟骨繼續(xù)破壞。這些實(shí)驗(yàn)研究證明，激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路能加快軟骨細(xì)胞分化速度，導(dǎo)致軟骨肥大和破壞，進(jìn)展為OA；抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路能導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡和降低細(xì)胞分化速度，導(dǎo)致骨質(zhì)減少和關(guān)節(jié)軟骨破壞，進(jìn)一步會(huì)發(fā)展為OA。因此，細(xì)胞中β-catenin的水平對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)具有重要作用，而細(xì)胞中β-catenin的水平取決于Axin的調(diào)控，由此可猜想Axin通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路間接對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控、對(duì)OA發(fā)生發(fā)展的重要作用，所以想要明白Axin在OA中的作用機(jī)制首先得研究Axin對(duì)β-catenin的作用機(jī)制。

3 Axin對(duì)β-catenin的作用機(jī)制

大量實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，Wnt/β-catenin與OA的發(fā)生發(fā)展有重要的聯(lián)系[12]。Axin作為構(gòu)架蛋白，通過(guò)Wnt信號(hào)通路中多個(gè)結(jié)構(gòu)域調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化與凋亡，影響細(xì)胞軟骨的改變。所以Axin對(duì)OA的作用主要取決于對(duì)β-catenin的作用機(jī)制。有研究證明，正常細(xì)胞中的β-catenin總保持較低的水平[13]，因?yàn)樵贏xin作為構(gòu)架蛋白與CKIa、GSK-3β、β-catenin形成的復(fù)合體上，CKIa可以磷酸化β-catenin的氨基酸，磷酸化的β-catenin能夠被某種特異性物質(zhì)識(shí)別，然后被蛋白酶復(fù)合體水解[14-15]，通過(guò)這種途徑維持著細(xì)胞的正常生長(zhǎng)。當(dāng)Wnt信號(hào)通路發(fā)生異常改變，Axin表達(dá)減少或基因突變，不能有效地將Wnt信號(hào)通路中許多成員組合起來(lái)，因而細(xì)胞中的β-catenin磷酸化水平降低，未被磷酸化的β-catenin向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移聚集引起細(xì)胞靶基因轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而影響細(xì)胞的異常增生，甚至癌變，而且有實(shí)驗(yàn)證明Axin的高表達(dá)可引起體內(nèi)細(xì)胞凋亡。這些都與OA的形成密切相關(guān)，因此，Axin的穩(wěn)定對(duì)β-catenin磷酸化水平至關(guān)重要。

Axin在Wnt信號(hào)通路中對(duì)β-catenin的負(fù)調(diào)節(jié)作用主要有3種機(jī)制。①Axin通過(guò)與Wnt信號(hào)通路上的CKIa、GSK-3β、β-catenin和腫瘤抑制因子APC結(jié)合形成復(fù)合體，促進(jìn)β-catenin的磷酸化及降解。有研究證明，缺失GSK-3β結(jié)合區(qū)域的復(fù)合體喪失下調(diào)β-catenin的功能，說(shuō)明β-catenin磷酸化復(fù)合體必須是Axin與以上結(jié)構(gòu)域同時(shí)結(jié)合才能下調(diào)β-catenin水平。②GSK-3β和CDK2兩種激酶在形成復(fù)合體的同時(shí)也能磷酸化Axin，實(shí)驗(yàn)證明，Axin的磷酸化不影響它與GSK-3β和β-catenin的結(jié)合能力，反而磷酸化的Axin更能增加它與β-catenin結(jié)合的親合性。Axin被磷酸化后穩(wěn)定性增強(qiáng)，其穩(wěn)定性增強(qiáng)有利于復(fù)合體的形成促進(jìn)β-catenin的磷酸化和降解[16]。③有研究表明，Axin除了以上2種機(jī)制調(diào)節(jié)β-catenin的水平以外，還可以通過(guò)核質(zhì)穿梭下調(diào)β-catenin水平。Axin具有核輸出信號(hào)序列和C末端雙向的核定位序列，因而核質(zhì)穿梭的Axin作為一種分子伴侶，協(xié)同β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中的分布，使β-catenin定位于細(xì)胞質(zhì)中，促進(jìn)β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中的降解[17-18]。

由上可知，Axin對(duì)β-catenin磷酸化水平的負(fù)調(diào)節(jié)需要與重要結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，其中APC必不可少，APC也是β-catenin降解復(fù)合物中的重要組成部分，自身運(yùn)載3個(gè)Axin結(jié)合基序并具有多個(gè)β-catenin結(jié)合位點(diǎn)，可以促進(jìn)Axin與β-catenin等形成能磷酸化β-catenin的復(fù)合物[19]。實(shí)驗(yàn)表明，正常細(xì)胞中過(guò)量表達(dá)Axin會(huì)明顯促進(jìn)β-catenin的磷酸化水平，而缺失APC結(jié)合區(qū)域的復(fù)合體磷酸化β-catenin的水平明顯降低。說(shuō)明Axin與APC結(jié)合才能更有效地磷酸化β-catenin，APC在β-catenin磷酸化的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[20]。

Axin具有使β-catenin磷酸化的多功能區(qū)域。其中有G蛋白信號(hào)肽調(diào)控因子（RGS）結(jié)構(gòu)域和DIX結(jié)構(gòu)域，且序列已查明，Axin羧基末端DIX結(jié)構(gòu)域和散亂蛋白（Dvl）的DIX結(jié)構(gòu)域可相互結(jié)合影響對(duì)β-catenin的降解[21]。Dvl是機(jī)體組織細(xì)胞中廣泛存在的胞漿蛋白，Dvl激活Wnt信號(hào)通路，便會(huì)將Axin募集至細(xì)胞膜，干擾了Axin降解復(fù)合物的形成，從而影響對(duì)β-catenin的降解[22]。因而也可以通過(guò)調(diào)控DIX控制Axin對(duì)β-catenin的降解。

Axin與Wnt之間的作用關(guān)系是相互的，Axin通過(guò)作用于Wnt信號(hào)通路下調(diào)β-catenin水平的同時(shí)，Wnt通路也會(huì)通過(guò)另外一種機(jī)制影響著Axin對(duì)β-catenin的降解作用。有研究發(fā)現(xiàn)，激活Wnt信號(hào)通路中的某種因子能通過(guò)某種功能導(dǎo)致Axin的降解，使細(xì)胞內(nèi)Axin水平降低，β-catenin的磷酸化水平降低，使細(xì)胞內(nèi)β-catenin的積累影響細(xì)胞的增殖分化。Li等[23]亦發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)β-catenin能抑制細(xì)胞凋亡。由此可以發(fā)現(xiàn)，Axin與Wnt/β-catenin信號(hào)通路的關(guān)系非常緊密，它可以通過(guò)不同機(jī)制調(diào)節(jié)β-catenin的磷酸化水平，這為OA的研究開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的研究平面。

4 Axin在OA防治中的意義

綜上所述，Axin作為構(gòu)架蛋白通過(guò)Wnt信號(hào)通路調(diào)控β-catenin，使其保持在一定的水平，而β-catenin的正常水平是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞正常增殖、分化及凋亡的前提，所以調(diào)控Axin的水平可以控制軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)水平，這為OA的防治提供了很好的思路。對(duì)于關(guān)節(jié)經(jīng)常受累、骨質(zhì)疏松等OA易患人群可以適當(dāng)降低細(xì)胞中Axin水平，使β-catenin水平稍升高，有助于軟骨細(xì)胞的增殖分化，可以降低OA的發(fā)生率；對(duì)于軟骨肥大、有骨贅生成的OA患者，可以適當(dāng)升高細(xì)胞中Axin水平，使β-catenin水平稍降低，有助于相對(duì)減緩軟骨細(xì)胞的增殖分化，可以緩解OA癥狀或及時(shí)控制OA病情。如何控制Axin使之處于合適的水平還需要大量的研究，因?yàn)槟壳皩?duì)Axin的認(rèn)識(shí)還不明朗，Axin、β-catenin以及Axin對(duì)β-catenin的作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不是很清楚，所以如何維持一個(gè)細(xì)胞內(nèi)合適的Axin水平還有待進(jìn)一步深入研究，相信未來(lái)Axin在OA的防治上會(huì)取得更大的突破。

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收稿日期：2016-06-17；修回日期：2016-10-19