JAK/STAT3信號通路與骨關節(jié)炎研究進展

房家康 邵李濤 田發(fā)明 張柳

1 華北理工大學研究生院（河北唐山063000）

2 河北醫(yī)科大學

3 華北理工大學醫(yī)學實驗研究中心

4 應急總醫(yī)院

骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是老年人殘疾的常見病因，關節(jié)軟骨退化、關節(jié)邊緣骨贅形成、軟骨下骨板增厚、輕度滑膜炎和關節(jié)囊增厚是其特點[1，2]。白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等促炎細胞因子在OA 患者關節(jié)液中顯著升高[3，4]，并通過Janus激酶/信號轉導與轉錄激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）信號通路造成OA 的發(fā)生發(fā)展[5-8]。JAK/STAT3 信號通路可由促炎細胞因子觸發(fā)，廣泛參與炎癥反應、氧化應激、細胞生長、凋亡等重要生理變化[9]。近些年來JAK/STAT3信號通路在OA中的作用開始受到關注。現(xiàn)綜合目前國內外相關的研究，就JAK/STAT3信號通路與OA關系及其引起OA的分子機制的研究成果作一綜述，為相關研究提供理論依據和參考。

1 JAK/STAT3信號通路

JAK/STAT3信號通路[5]主要由酪氨酸激酶受體、Janus酪氨酸激酶（Janus kinase，JAK）和信號轉導和轉錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）組成。促炎細胞因子可通過JAK/STAT3 信號通路傳遞信號；細胞膜上存在促炎細胞因子特異性的酪氨酸激酶受體，這些受體本身不具有激酶活性，但胞內段具有JAK 的結合位點。JAK 蛋白家族包括JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2 四個成員，是一類非跨膜型酪氨酸激酶，既能使與其結合的細胞因子受體磷酸化，又能使很多含特定Src同源2結構域結構域的信號分子磷酸化。1994年STAT3作為急性期反應因子在IL-6信號傳導中被發(fā)現(xiàn)；STAT3 具有Src同源2結構域，可與酪氨酸磷酸化的細胞因子受體特異性結合來決定細胞因子與STAT蛋白結合的特異性。

促炎細胞因子可觸發(fā)JAK/STAT3 信號通路：受體在與促炎細胞因子結合后迅速酪氨酸磷酸化并形成同/異二聚體；這使得與受體連接的JAK 得以相互靠近并通過相互酪氨酸磷酸化而活化，其中受體亞基二聚化是信號通路啟動的標志。活化的JAK催化受體酪氨酸殘基磷酸化，這為STAT3 蛋白提供了對接位點。在JAK 的作用下，STAT3與受體結合后磷酸化，并與另一個磷酸化STAT 蛋白形成STAT3同/異二聚體。之后二聚體進入細胞核與相應靶基因啟動子結合，調節(jié)靶基因的表達[5]。促炎細胞因子與受體結合的數分鐘內，細胞核中檢測到新誘導的STAT3 DNA的結合活性。

2 JAK/STAT3與骨關節(jié)炎軟骨關系的研究

2.1 體內研究

JAK 是細胞因子激活STAT3（酪氨酸磷酸化）并發(fā)揮其生物學作用最重要的激酶，STAT3 主要通過JAK/STAT3信號通路發(fā)揮其生物學作用[10]。

在OA體內研究中，發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3信號通路參與了軟骨破壞的過程。Latourte等[11]發(fā)現(xiàn)內側半月板失穩(wěn)術（destabilization of the medial meniscus，DMM）OA小鼠出現(xiàn)軟骨破壞、骨贅形成和滑膜炎等OA 樣特征，并且軟骨細胞中STAT3 蛋白表達水平增加；管飼STAT3抑制劑Stattic 后，軟骨細胞中的磷酸化的STAT3（p-STAT3）減少、軟骨損傷程度降低，并且造模膝關節(jié)處的骨贅變?。灰陨涎芯勘砻鳎篔AK/STAT3信號通路可能參與了實驗性OA 軟骨破壞的過程。Hu 等[12]通過對JAK/STAT3 信號通路相關靶基因的研究，探究了JAK/STAT3 信號通路與軟骨損害的關系；細胞分裂周期蛋白42（cell division cycle protein 42，Cdc42）是Rho 家族小GTP酶的成員，對軟骨的發(fā)育至關重要，DMM OA小鼠膝關節(jié)鈣化軟骨中p-STAT3 陽性細胞數及Cdc42的表達增加；應用Cdc42 特異性抑制劑ZCL278 后顯著逆轉了造模小鼠關節(jié)軟骨中透明軟骨厚度下降和鈣化軟骨厚度增加的情況，減少了p-STAT3 陽性細胞數量以及關節(jié)/鈣化軟骨中基質金屬蛋白酶-13、Ⅹ型膠原蛋白的表達。另外，Hayashi 等[13]通過轉基因小鼠進一步探究了JAK/STAT3 信號通路與軟骨損害的關系；細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑P21（Cyclin dependent kinase inhibitor P21，P21）在調節(jié)細胞生長與死亡方面具有重要作用，也可能通過JAK/STAT3信號通路在OA中發(fā)揮重要的作用；與普通DMM小鼠相比，P21基因敲除（P21-/-）的DMM 小鼠透明軟骨蛋白多糖的丟失加重，p-STAT3和基質金屬蛋白酶-13陽性細胞的百分比更高。上述研究表明JAK/STAT3信號通路可能參與了Cdc42和P21缺陷對軟骨的破壞作用。

以上研究表明，JAK/STAT3 信號通路在OA 軟骨損傷中發(fā)揮了重要作用，可參與一些生物因子（如Cdc42、P21 缺乏）介導的軟骨損傷的過程，而阻斷該通路可緩解軟骨的損傷。

2.2 體外研究

促炎細胞因子升高是OA啟動的重要因素，而JAK/STAT3信號通路在IL-6、TNF-α、IL-1β、瘦素等促炎細胞因子引起的軟骨破壞中發(fā)揮了重要作用。

Latourte 等[11]發(fā)現(xiàn)IL-6 是啟動炎癥的重要促炎細胞因子，可直接激活JAK/STAT3 信號通路來發(fā)揮損害軟骨細胞的作用；用IL-6 干預軟骨細胞和軟骨外植體后，出現(xiàn)p-STAT3增加以及淺層軟骨細胞凋亡，細胞外基質層中的蛋白多糖、糖胺聚糖含量降低、聚集蛋白聚糖酶活化增加等軟骨破壞現(xiàn)象；IL-6 也可劑量依賴性增加軟骨細胞中基質金屬蛋白酶-3、基質金屬蛋白酶-13、I 型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-4和I型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-5的表達，未對II膠原蛋白α1、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和炎癥介質（如前列腺素E2/一氧化氮）等OA易感因素的產生發(fā)揮作用；而應用JAK/STAT3 信號通路阻斷劑Stattic 抑制了軟骨外植體的分解破壞以及軟骨細胞凋亡，降低了外植體中p-STAT3、基質金屬蛋白酶-3、基質金屬蛋白酶-13、I 型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-4、I型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-5和聚集蛋白聚糖酶介導的聚集蛋白聚糖新表位NITEGE 的水平。Sun 等[14]的研究也得出類似的結論，在軟骨細胞中用IL-6 模擬啟動OA 的炎癥條件，發(fā)現(xiàn)p-STAT3、I 型膠原蛋白、基質金屬蛋白酶-1 和基質金屬蛋白酶-13的表達水平顯著增加；應用STAT3小干擾質粒（siSTAT3）轉染來抑制JAK/STAT3信號通路可使I型膠原蛋白、基質金屬蛋白酶-1和基質金屬蛋白酶-13表達降低。以上研究表明：在體外培養(yǎng)的條件下，JAK/STAT3信號通路參與了IL-6誘導的細胞外基質降解酶的產生和活化，從而產生軟骨降解的作用。

JAK/STAT3 信號通路在IL-1β和TNF-α等促炎因子引起的軟骨細胞損害中也發(fā)揮了類似作用。Hu等[12]發(fā)現(xiàn)IL-1β可時間依賴性的增加軟骨細胞中的磷酸化的JAK1（p-JAK1）、磷 酸 化 的JAK2（p-JAK2）、p-STAT3、Cdc42、基質金屬蛋白酶-13和Ⅹ型膠原蛋白的表達；應用特異性Cdc42 抑制劑ZCL278，抑制了JAK/STAT3 信號通路并減少了IL-1β引起的基質金屬蛋白酶-13 和Ⅹ型膠原蛋白增加。Li 等[15]用富馬酸二甲酯抑制JAK/STAT3 信號通路，可使TNF-α誘導的基質金屬蛋白酶-1、基質金屬蛋白酶-3 和基質金屬蛋白酶-13 的表達降低，減少II 型膠原蛋白降解。以上研究表明：JAK/STAT3信號通路直接參與了體外條件下IL-1β和TNF-α對軟骨細胞的損害。

瘦素是白色脂肪組織分泌最多的脂肪因子，可以調節(jié)體重和進食行為[16]，也可作為啟動OA的促炎細胞因子[17]，其似乎也是通過JAK/STAT3 信號通路引發(fā)OA的。Zhang 等[18]用瘦素處理從前交叉韌帶離斷術大鼠提取的OA軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)瘦素劑量依賴性降低軟骨細胞凋亡和軟骨細胞活力，顯著誘導了p-JAK2、p-STAT3、基質金屬蛋白酶和B淋巴細胞瘤-2相關X蛋白的表達，抑制了B淋巴細胞瘤-2、自噬基因Beclin-1和微管相關蛋白1 輕鏈3 等自噬蛋白的表達；應用JAK2抑制劑AG490 處理后，上述指標與瘦素處理前相同。這表明：JAK/STAT3 信號通路也直接參與了體外條件下瘦素對軟骨細胞的損害。

以上研究表明，JAK/STAT3 信號通路是促炎細胞因子損傷軟骨細胞的重要調控信號通路之一，該通路的激活可以促進軟骨損傷，而阻斷該通路可起到保護軟骨的作用。

3 JAK/STAT3 與骨關節(jié)炎軟骨下骨關系的研究

3.1 體內研究

軟骨下骨的病理改變對OA 的發(fā)生發(fā)展也發(fā)揮了重要作用，目前對OA 軟骨下骨的研究也越來越多。OA早期：骨吸收增加、軟骨下骨板厚度減少；OA晚期：骨形成增加、軟骨下骨發(fā)生硬化[19]。Wu等[20]在體內實驗中發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3 信號通路參與OA 發(fā)生發(fā)展過程中的軟骨下骨硬化，前交叉韌帶離斷術OA小鼠出現(xiàn)軟骨下骨硬化，這可能與軟骨下骨間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSC）、骨祖細胞的數量增加以及I型膠原蛋白異常產生所造成礦化障礙有關；此時OA軟骨下骨MSC中p-STAT3水平增加，提示：JAK/STAT3信號通路在軟骨下骨硬化過程中發(fā)揮了重要作用；腹膜內注射AG490后，脛骨軟骨下骨厚度顯著降低、MSC數量顯著減少和OA MSC 中I型膠原蛋白α1下降。這表明JAK/STAT3 信號通路在MSC 增加引起的OA 軟骨下骨硬化過程中發(fā)揮了重要作用。

3.2 體外研究

血管內皮細胞、成骨細胞和破骨細胞三者之間的相互作用是骨重塑的核心[21-23]。在OA早期軟骨下骨成骨細胞分化減少、破骨細胞分化增強、軟骨下骨密度顯著降低，微血管數量增加[24，25]。在體外實驗中發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3 信號通路抑制成骨分化，促進破骨分化和血管生成，可能與OA早期軟骨下骨變化有關。

TNF-α具有減緩成骨分化的生物學效應，延伸蛋白2（elongator protein 2，ELP2）可調節(jié)STAT3 配體的激活[26-28]。Xu等[29]發(fā)現(xiàn)ELP2可通過JAK/STAT3信號通路調節(jié)成骨細胞分化，用TNF-α處理成骨細胞系（MC3T3-E1 細胞系）3 天后，堿性磷酸酶活性降低、細胞活力抑制，細胞中ELP2、ELP2 mRNA和p-STAT3顯著增加；TNF-α抑制成骨細胞分化基因成骨相關轉錄因子Runx2、堿性磷酸酶、鋅指結構轉錄因子Osterix 和骨橋蛋白等成骨細胞標記基因的表達；JAK2 和STAT3的表達與ELP2抑制與否無關，并可在TNF-α刺激下增加；無論TNF-α是否存在，ELP2 抑制組中p-JAK2、p-STAT3水平和STAT3轉錄活性顯著低于非抑制組。表明JAK/STAT3 信號通路參與了ELP2 介導的由TNF-α引起的成骨細胞分化抑制。Cai 等[30]在miR-224 /Rac1 促進人MSC 成骨分化中也發(fā)現(xiàn)了JAK/STAT3 信號通路對成骨細胞分化的負調節(jié)作用。

多核成熟破骨細胞來源于造血單核祖細胞，核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）受體激活劑促進單核細胞/巨噬細胞譜系向破骨細胞的分化[31]。Li等[32]發(fā)現(xiàn)使用RANKL處理RAW264.7細胞可促使其向多核破骨細胞分化，并使STAT3 磷酸化、細胞增殖增強，抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB受體活化因子等破骨細胞標記物增加，表皮生長因子樣激素受體1、CD11b 等巨噬細胞標記物降低；添加AG490 后，p-STAT3 降低，細胞周期停滯于G0 / G1期，細胞表面RANKL 的表達水平顯著降低，劑量依賴性抑制了RANKL 誘導的細胞生長，TRAP陽性多核細胞減少，巨噬細胞標記物的mRNA表達增加；這表明抑制JAK/STAT3 信號通路是通過誘導巨噬細胞表型來對RANKL 介導的破骨細胞分化產生抑制作用。RANKL 可激活核轉錄因子κB、活化T細胞核 因 子c1（nuclear factor of activated T cells c1，NFATc1）、細胞癌c-fos基因等破骨細胞分化，激活所必需的轉錄因子。AG490抑制RANKL誘導的NFATc1表達，轉染STAT3 siRNA（敲低STAT3）也使RANKL 誘導的p-STAT3、抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB 受體活化因子和NFATc1的基因表達降低，表明JAK/STAT3信號通路也通過增加NFATc1來促進RANKL誘導的破骨細胞分化過程[32]。同樣，Li等[33]發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3信號通路正向調節(jié)血小板衍生生長因子BB誘發(fā)RAW264.7細胞的破骨細胞分化過程。以上結果表明：JAK/STAT3信號通路的激活可能參與了OA早期成骨細胞減少、破骨細胞增加的過程。

軟骨下骨微小血管生成也是早期OA 的典型病理表現(xiàn)之一。破骨細胞、成骨細胞和骨細胞產生缺氧誘導因子-α（hypoxia inducible factor-α，HIF-α）、VEGF、堿性成纖維細胞生長因子和表皮生長因子樣結構域6等血管生成因子[34-36]。缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）由氧調節(jié)HIF 和組成性表達HIF 的亞基組成，介導細胞缺氧后的適應和存活[37]。VEGF是一種高效血管生成肽，在正常生長胚胎的血管生成過程中發(fā)揮重要作用[38]。而HIF-α是調節(jié)VEGF 基因轉錄必不可少的因素[39]。Pufe 等[40]用高強度沖擊應力處理牛軟骨盤，發(fā)現(xiàn)HIF-α、VEGF 和、基質金屬蛋白酶-1、基質金屬蛋白酶-3和基質金屬蛋白酶-13水平升高而組織金屬蛋白酶抑制劑表達降低；使用VEGF 受體激酶抑制劑阻斷軟骨細胞中VEGF 信號傳導后基質金屬蛋白酶-1、基質金屬蛋白酶-3 和基質金屬蛋白酶-13減少，并能恢復機械超負荷引起的組織金屬蛋白酶抑制劑降低，證明HIF-α/ VEGF 途徑參與了機械超負荷OA 發(fā)生發(fā)展的過程。同樣，Hamilton 等[39]也發(fā)現(xiàn)在早期OA患者中VEGF表達增加并似乎參與了軟骨變性、骨贅形成、軟骨下骨囊腫和硬化、滑膜炎和疼痛等OA特異性病理進展的過程。Giatromanolaki 等[41]發(fā)現(xiàn)在OA發(fā)生發(fā)展的過程中，HIF-α/ VEGF途徑激活并參與了OA 血管新生的過程。在缺氧條件下，STAT-3 是HIF-α/VEGF 信號通路的直接轉錄激活因子[42，43]。以上證據表明JAK/STAT3 信號通路可能介導了早期OA HIF-α/ VEGF 途徑的激活及其引起的早期OA 血管新生的過程。表皮生長因子樣結構域7（epithelial growth factor-like domain 7，EGFL7）調節(jié)胚胎發(fā)生過程中管狀結構的形成、內皮細胞的遷移和血管生成[44-47]。Shek 等[48]發(fā)現(xiàn)在成骨/破骨細胞分化過程中表達，JAK/STAT3信號通路介導了EGFL7基因調節(jié)血管形成的過程；含外源EGFL7 蛋白的條件培養(yǎng)基刺激SVEC細胞，劑量依賴性地增加STAT3及其轉錄活性，并增強內皮細胞遷移和管樣結構的形成；EGFL7 也顯著增強了離體胎鼠跖骨血管生成和生長；而Stattic 顯著抑制了STAT3 磷酸化和EGFL7 誘導的內皮細胞遷移、血管生成。這些研究表明：JAK/STAT3 信號通路激活參與了EGFL7誘導的血管形成，這可能是早中期OA微小血管形成的原因。

綜上表明，JAK/STAT3 信號通路可能參與了OA早期軟骨下骨骨量丟失和微小血管形成，而與OA的發(fā)生發(fā)展有關。

4 JAK/STAT3與骨關節(jié)炎滑膜關系的研究

4.1 體內研究

在動物OA模型中，Hayashi等[13]發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3信號通路與滑膜炎相關，DMM OA 小鼠出現(xiàn)明顯的滑膜炎癥，并且滑膜細胞中p-STAT3和巨噬細胞標記物F4/80（免疫和炎性細胞標記物）表達增加；與DMM野生小鼠相比，P21敲除（P21-/-）DMM小鼠OA模型中發(fā)現(xiàn)更加明顯的滑膜炎癥并且滑膜細胞中p-STAT3 和F4/80的表達水平明顯升高，表明JAK/STAT3 信號通路激活也參與了P21缺陷引起的滑膜組織炎癥。

4.2 體外研究

滑膜炎和滑膜細胞增殖是OA的重要特征，而成纖維細胞樣滑膜細胞在OA 發(fā)生發(fā)展的過程中發(fā)揮了重要的作用[49]。Carrion等[50]發(fā)現(xiàn)OA患者成纖維細胞樣滑膜細胞中存在高水平表達的p-STAT3、白細胞介素-22 mRNA和白細胞介素-22受體1 mRNA，并在OA患者成纖維細胞樣滑膜細胞的細胞質中發(fā)現(xiàn)S100A8/A9異二聚體復合物（介導細胞骨架調節(jié)、細胞遷移和炎癥的介質）散布存在；向OA患者 成纖維細胞樣滑膜細胞中添加白細胞介素-22，顯著增加了p-STAT3 蛋白和S100A8 mRNA 的表達；而應用JAK3 抑制劑CP-690，550 和JAK2 抑制劑AG490，顯著降低了上清液中S100A8/A9 異二聚體復合物的表達（接近基礎水平）。這表明JAK/STAT3信號通路可通過調節(jié)成纖維細胞樣滑膜細胞中白細胞介素-22 誘導的S100A8/A9 增加來促進滑膜炎的產生。

Li等[51]得出了類似的結論，體外培養(yǎng)的OA滑膜細胞高度表達p-STAT3 和GACAT3（JAK/STAT3 信號通路下游靶標）。GACAT3 過表達可通過調節(jié)細胞周期來減少細胞凋亡。而STAT3 的小干擾質粒（siSTAT3）轉染后，GACAT3 被敲低、G0/G1 期細胞百分比明顯升高、S期細胞百分率顯著減少、半胱氨酸蛋白酶-3的活性升高、細胞增殖能力下降凋亡增加；STAT3的過表達質粒轉染后出現(xiàn)相反的結果。這表明JAK/STAT3信號通路可通過調節(jié)GACAT3 來影響OA 滑膜細胞的細胞周期，誘導OA滑膜細胞增殖，減少其凋亡。

以上研究表明，JAK/STAT3 信號通路激活后可直接促進OA 滑膜細胞增殖和滑膜炎，從而可能對OA 的發(fā)生發(fā)展產生影響。

5 總結

激活JAK/STAT3 信號通路可造成軟骨細胞破壞、軟骨下骨硬化、滑膜細胞增殖和滑膜炎等病理改變從而導致OA的發(fā)生發(fā)展。目前研究表明，在動物實驗中應用JAK/STAT3 信號通路抑制劑對OA的發(fā)生發(fā)展發(fā)揮了一定的治療作用，這為OA 的臨床治療提供了思路。