組蛋白乙酰化酶及其抑制劑在骨關(guān)節(jié)炎中的作用與機(jī)制研究進(jìn)展

馬維邦 孫紅 代云磊 沈茂

骨關(guān)節(jié)炎 ( osteoarthritis，OA ) 是一種以關(guān)節(jié)軟骨退行性變、軟骨下骨骨質(zhì)增生為特征的慢性、退行性關(guān)節(jié)疾病，而軟骨細(xì)胞外基質(zhì)代謝紊亂是關(guān)節(jié)軟骨病理改變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。大量的研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白乙?；?( histone deacetylases，HDACs ) 直接調(diào)控軟骨細(xì)胞組蛋白乙?；?，進(jìn)而影響細(xì)胞活性以及調(diào)控軟骨細(xì)胞外基質(zhì)表達(dá)，從而在骨關(guān)節(jié)發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要的角色[2]。相反，組蛋白乙酰化酶抑制劑 ( histone deacetylase inhibitors，HDACi )其作用于軟骨細(xì)胞不同的信號(hào)通路，進(jìn)而發(fā)揮抗炎、抑制軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解的作用[3]。現(xiàn)對(duì) HDACs 及 HDACs 抑制劑在骨關(guān)節(jié)分子機(jī)制中的作用綜述如下。

一、組蛋白乙?；父攀?/h2>

組蛋白乙?；且环N動(dòng)態(tài)的細(xì)胞過程，而這一過程受到兩個(gè)獨(dú)特的酶家族即 HDACs 和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶( histone acetylases，HATs ) 的調(diào)控作用。HDACs 和 HATs已經(jīng)被證明可以直接參與組蛋白乙?；?，進(jìn)而介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和翻譯后修飾[4]。組蛋白的乙?；饕l(fā)生在賴氨酸殘基上，賴氨酸側(cè)鏈含有氨基，在生理?xiàng)l件下帶正電荷，從而能夠和含有磷酸基團(tuán)的 DNA 緊密結(jié)合組蛋白。乙?；鬅o(wú)法與 DNA 緊密結(jié)合，使得染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，從而促進(jìn)相關(guān)基因的表達(dá)[5-6]。在細(xì)胞核內(nèi)，HDACs 能夠移除組蛋白上的乙酰基，組蛋白乙?；?、染色質(zhì)蜷縮，包繞在組蛋白周圍的 DNA 之間的空間變小。轉(zhuǎn)錄因子難以與蜷縮的染色質(zhì)結(jié)合，從而抑制靶基因轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路[7-8]。

HDACs 是由 18 個(gè)酶組成的家族，根據(jù)其與酵母的同源性分為四類[9]。其中 I 類、II 類和 IV 類 Zn2+依賴性HDAC，由 11 個(gè)家庭成員組成，稱為“經(jīng)典”HDACs[10]。I 類 HDACs 與酵母 RPD3 基因同源，成員包括 HDAC 1、2、3、8。II 類與酵母 HDA1 基因同源，成員包括 HDAC 4～7、9、10，IV 類僅有一個(gè)成員，即 HDAC 11[11]。I 類HDACs 分子約由 400～500 種氨基酸組成，其中 HDAC 1～3 位于細(xì)胞核內(nèi)，HDAC8 穿梭于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間。I 類 HDACs 分子幾乎表達(dá)于人體所有類型細(xì)胞中。II類 HDACs 分子約由 1000 種氨基酸組成，除 HDAC6 定位于細(xì)胞質(zhì)外，HDAC4 / 5 / 7 / 9 可在特定的細(xì)胞信號(hào)引導(dǎo)下穿梭于細(xì)胞核與胞質(zhì)之間。II 類 HDACs 分子的表達(dá)具有一定的組織特異性與細(xì)胞特異性。IV 類 HDAC 分子位于細(xì)胞核種，其結(jié)構(gòu)與 I 類 HDACs 分子相近。

III 類 HDACs 分子即是 Sir2 相關(guān)酶類 ( Sir2-related enzymes，Sirtuins )，也稱為“沉默信息因子”。III 類HDACs 分子是 HDACs 家族中比較特殊的一類，由 Sirt1～7 組成，具有尼古丁腺嘌呤二核苷酸 ( NAD+) 依賴性，因而不受 Zn2+結(jié)合類 HDACi 抑制。III 類 HDACs 分子其在在細(xì)胞代謝中多個(gè)環(huán)節(jié)調(diào)控發(fā)揮著重要的作用，諸如 DNA修復(fù)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡[12-13]。

二、“經(jīng)典”HDACs 在軟骨退變中的作用

HDACs 通過對(duì)多種酶類及信號(hào)通路的調(diào)控，在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)代謝和軟骨發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用[14]。據(jù)報(bào)道，I 類 HDACs ( HDAC1，2，3 和 8 ) 可抑制軟骨特異性基因表達(dá)，打破軟骨的降解與生成平衡，從而抑制軟骨形成、加速軟骨退變[15]。而抑制 I 類 HDACs 表達(dá)可以抑制IL-1β 誘導(dǎo)的基質(zhì)金屬蛋白酶 ( matrix metalloproteinases，MMPs ) 表達(dá)，進(jìn)而減緩軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，軟骨細(xì)胞內(nèi) HDAC1、HDAC2 的含量越高，其對(duì)二型膠原 ( type II collagen，COL2A1 )、聚蛋白多糖 ( aggrecan，ACAN ) 和軟骨寡聚基質(zhì)蛋白 ( cartilage oligomeric protein，COMP ) 等軟骨特異性基因抑制作用就越強(qiáng)[14]。Mao 等[17-18]證實(shí) HDAC2 / 8 均參與了關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)降解，使用 miR-95-5p 和 miR-92a-3p 抑制 HDAC2 / 8 表達(dá)，可增強(qiáng)軟骨基質(zhì)合成代謝相關(guān)標(biāo)志物表達(dá)。

在 HDAC3 敲除或 HDAC3 抑制劑預(yù)處理的軟骨細(xì)胞中，Akt 及其底物的磷酸化減少與磷酸酶 Phlpp1 的表達(dá)增加有關(guān)。深入研究表明，HDAC3 抑制 Phlpp1 表達(dá)、提高 Akt 活性，從而加速了軟骨細(xì)胞肥大同時(shí)減少軟骨基質(zhì)的產(chǎn)生，使軟骨細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變[19]。Meng 等[20]研究表明，miR-193b-3p 可直接抑制 HDAC3 表達(dá)，從而促進(jìn)組蛋白 H3 乙?；?，正向調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化和軟骨基質(zhì)代謝。

II 類 HDACs 具有在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間穿梭的能力。HDAC4 作為軟骨細(xì)胞肥大和成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)控因子，可通過與 Zfp521 和 Mef2c 的相互作用調(diào)控軟骨細(xì)胞肥大[21-22]。不僅如此，HDAC4 可作為中間分子參與了雷帕霉素復(fù)合物 1 ( mTORC1 ) 誘導(dǎo)的 miR-483-5p 表達(dá)升高，刺激軟骨細(xì)胞肥大、細(xì)胞外基質(zhì)降解以及軟骨下骨血管生成，從而啟動(dòng)和加速骨 OA 的發(fā)展[23]。然而，也有研究表明 HDAC4 過表達(dá)能降低 IL-1β 刺激大鼠軟骨炎癥模型中 RUNX-2、MMP-13 和 X 型膠原水平，同時(shí)上調(diào) II型膠原和 ACAN 的表達(dá)水平，提示 HDAC4 可能參與減緩OA 疾病進(jìn)程[24]。但多數(shù)證據(jù)表明，HDAC4 主要參與軟骨基質(zhì)分解代謝，促進(jìn)軟骨退變[23,25-26]。

據(jù)報(bào)道，HDAC7 在 OA 患者關(guān)節(jié)軟骨中表達(dá)升高，而其高表達(dá)可通過促進(jìn) MMP-13，進(jìn)而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解[27]。不僅如此，HDAC7 還能抑制軟骨細(xì)胞增殖活性，降低軟骨細(xì)胞中 HDAC7 水平促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和軟骨組織再生[28-29]。另外，來(lái)源于顳下頜關(guān)節(jié)滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞中 HDAC10 過表達(dá)可促進(jìn) IL1-β 所誘導(dǎo)的 NF-κB 信號(hào)通路活化以及炎癥介質(zhì) IL-6 和 8 釋放，從而加速顳下頜關(guān)節(jié) OA 發(fā)生[30]。

三、沉默信息因子在軟骨退變中的作用

一般而言，Sirts 可促進(jìn)軟骨特異性基因表達(dá)、抑制軟骨細(xì)胞凋亡，從而抑制關(guān)節(jié)軟骨退變以及細(xì)胞外基質(zhì)降解。據(jù)報(bào)道，關(guān)節(jié)軟骨中 Sirt-1 的表達(dá)水平與關(guān)節(jié)軟骨退變的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，提示 Sirt-1 可作為一種潛在的預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)退變的分子標(biāo)記物[31]。Sirt-1 也是促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖的關(guān)鍵因子，其可促進(jìn)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)合成代謝基因表達(dá)而抑制分解代謝基因表達(dá)[32-33]，而體內(nèi)試驗(yàn)表明Sirt-1 表達(dá)升高可阻止小鼠模型中 OA 的進(jìn)展[34]。OA 軟骨細(xì)胞中過表達(dá)能上調(diào) Bcl-2 蛋白并降低 Bax、MMP-1 和MMP-13 表達(dá)以及降低 p38、Jun N-terminal 激酶 ( JNK ) 和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶 ( ERK ) 的磷酸化，從而抑制 OA 軟骨細(xì)胞凋亡和細(xì)胞外基質(zhì)降解[35]。

Sirt-3 隨著年齡的增長(zhǎng)而表達(dá)逐漸下降，而 Sirt-3 的全身缺失加速了膝關(guān)節(jié) OA 的發(fā)展?；謴?fù)衰老關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞內(nèi)的 Sirt-3 水平可增加體內(nèi) SOD2 的活性，緩解軟骨細(xì)胞氧化應(yīng)激，從而減緩關(guān)節(jié)軟骨退變[36]。Wang 等證實(shí)，Sirt-3 所介導(dǎo)的 PINK1 / Parkin 信號(hào)通路參與了二甲雙胍對(duì)OA 的治療效應(yīng)，提示 Sirt-3 是 OA 防治重要分子[37]。而大量研究證實(shí)，線粒體穩(wěn)態(tài)是 Sirt-3 參與調(diào)控軟骨細(xì)胞凋亡、基質(zhì)異常代謝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[37-39]。

Sirt-6 是沉默信息因子家族的重要一員，其與衰老、代謝以及 OA 等過程密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)Sirt-6 表達(dá)不足則會(huì)導(dǎo)致髕下脂肪墊中炎性細(xì)胞因子的表達(dá)增加[40]。Wu 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，Sirt-6 在 OA 關(guān)節(jié)軟骨中表達(dá)較正常軟骨中表達(dá)下降，上調(diào) Sirt-6 能抑制軟骨細(xì)胞衰老及炎癥反應(yīng)。Nagai 等[42]通過 RNA 干擾 ( RNAi ) 技術(shù)降低關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞內(nèi) Sirt-6 表達(dá)水平，則會(huì)引起 MMP-1和 MMP-13 表達(dá)顯著升高。不僅如此，Sirt-6 表達(dá)降低，亦可引起 DNA 損傷和端粒功能障礙的增加，進(jìn)而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞早期衰老。上述研究表明，Sirt-6 可能是一種 OA治療的潛在靶點(diǎn)。

另外，Korogi 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，減少小鼠源性 ADTC-5細(xì)胞系中 Sirt-7 表達(dá)，可促進(jìn)糖胺聚糖細(xì)胞外基質(zhì)沉積以及二型膠原、ACAN 表達(dá)。不僅如此，Sirt-7 還能抑制轉(zhuǎn)錄因子 SOX9 活性。Sirt-7 也是一種能調(diào)控軟骨穩(wěn)態(tài)、影響 OA 進(jìn)展的重要分子。

四、HDACi 與 OA

Zn2+依賴性的 HDAC 具有 4 個(gè)重要的位點(diǎn)結(jié)構(gòu)域，即疏水通道、表面結(jié)構(gòu)域、催化 Zn2+結(jié)構(gòu)域和相鄰的內(nèi)腔。而 HDACi 則主要由 3 個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，包括占據(jù)疏水通道的連接基團(tuán)、與催化 Zn2+結(jié)構(gòu)域相互作用的 Zn2+結(jié)合基團(tuán)以及與口袋表面相互作用的 Cap 基團(tuán)[44]。HDACi 是多樣化的家族，可分為自然產(chǎn)生的抑制劑和人工合成的抑制劑，作用可逆的抑制劑和不可逆的抑制劑，廣譜的抑制劑和選擇性抑制劑等。目前認(rèn)為 HDACi 可以分成四類，包括異羥肟酸類、苯甲酰胺類、環(huán)四肽類和短鏈脂肪酸[45-46]。

HATs 和 HDACs 控制著組蛋白乙?；腿ヒ阴；膭?dòng)態(tài)平衡，參與相應(yīng)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控，從而影響疾病的發(fā)生發(fā)展。大量的研究表明，HDAC 抑制劑可拮抗炎性細(xì)胞因子誘導(dǎo)的細(xì)胞外基質(zhì)降解，從而抑制軟骨破壞、關(guān)節(jié)軟骨退變。關(guān)節(jié)軟骨中 MMPs 表達(dá)升高可引起細(xì)胞外基質(zhì)代謝失衡、關(guān)節(jié)軟骨組織降解，最終導(dǎo)致軟骨甚至軟骨下骨破壞。實(shí)驗(yàn)研究表明，HDACi 可抑制關(guān)節(jié)軟骨中 MMPs 的表達(dá)。伏立諾他 ( Vorinostat ) 是一種 HDACi，可通過減少關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞 IL-6 的釋放，抑制 IL-1β 介導(dǎo)的 MMP-13 表達(dá)[47]。曲古抑菌素 A ( Trichostatin A )是一種 HDACi，其可在大鼠 OA 模型中關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞使MMP-1、MMP-3 和 MMP-13 表達(dá)下降[48]。不僅如此，TSA 還可以抑制組織蛋白酶 ( cathepsins ) K / B / L / S 四種酶的表達(dá)[49]。Chabane 等[50]研究發(fā)現(xiàn) TSA 能顯著抑制IL-1β 引起的炎性細(xì)胞因子如 NO、PGE2、TNF-α、IL-6、COX-2、iNOS 等表達(dá)升高，從而減緩軟骨細(xì)胞炎癥反應(yīng)。此外，HDACi 還能促進(jìn) OA 相關(guān)的成纖維樣滑膜細(xì)胞中 miR-146a 表達(dá)，從而抑制 IL-1β 誘導(dǎo)的炎癥信號(hào)通路傳導(dǎo)和炎癥因子釋放，在 OA 進(jìn)程中發(fā)揮抗炎效應(yīng)[51]。另外，國(guó)內(nèi)學(xué)者證實(shí) I 型 HDACs 抑制劑包括TSA、丙戊酸 ( VPA ) 和 MS-275 均能抑制軟骨細(xì)胞 MMP-1及 MMP-13 的表達(dá)，其可能是通過調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)異常代謝而發(fā)揮對(duì)軟骨退化的保護(hù)作用[52]。

五、相關(guān)信號(hào)通路

絲裂原活化蛋白激酶 ( MAPK ) 通路是調(diào)控多種正常細(xì)胞功能的最具特征的信號(hào)通路，它通過將來(lái)自上游細(xì)胞外生長(zhǎng)因子的信號(hào)傳遞給位于細(xì)胞核內(nèi)的不同的下游效應(yīng)物從而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、存活和凋亡[53]。MAPK 亞家族包括 4 組：P38 MAPK、ERK、ERK5 和 JNK。MAPKs 通路作為多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和共享轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的中心節(jié)點(diǎn)，由三個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)通路組成：ERK 1 / 2、p38 和 c-Jun n-末端激酶。促炎細(xì)胞因子等刺激會(huì)激活 MAPKKK，進(jìn)而觸發(fā)MAPKK 基因表達(dá)和蛋白磷酸化，最終導(dǎo)致 p38-MAPK 或JNK-MAPK 相關(guān)基因表達(dá)。MAPKs 信號(hào)通路已經(jīng)被證實(shí)與炎癥有關(guān)。抑制 p38-MAPK 信號(hào)通路可以改善炎癥引起的細(xì)胞損失，減輕軟骨細(xì)胞凋亡[54]。HDACi 可以通過下調(diào)MAPK 信號(hào)來(lái)抑制 RUNX-2 和 ADAMTS-5 的表達(dá)[55]。不僅如此，HDACi 還能通過抑制 MAPK 通路的激活 ( 包括 ERK 1 / 2，p38 和 JNK 1 / 2 )，下調(diào) RUNX-2 轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的MMP-13、ADAMTS-5 及誘導(dǎo)型一氧化氮合酶 ( iNOS ) 的表達(dá)，從而發(fā)揮抗炎作用[55-56]。

核因子-2 ( Nrf2 ) 是一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，主要調(diào)節(jié)組織損傷中抗氧化酶的表達(dá)[53]。據(jù)報(bào)道，Nrf2 參與 HATs 和HDACs 平衡的調(diào)節(jié)，而 Nrf2 乙?；脚c軟骨細(xì)胞外基質(zhì)代謝密切相關(guān)[57-58]。Khan 等[59]研究發(fā)現(xiàn) Nrf2 通過激活 OA軟骨細(xì)胞中 ERK 1 / 2 / ELK1-P70S6K-P90RSK 信號(hào)通路，減少軟骨細(xì)胞氧化應(yīng)激，從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡。上述研究提示，Nrf2 可能成為一種新型的治療骨關(guān)節(jié)的分子。

總之，OA 發(fā)生發(fā)展與 ncRNAs、DNA 甲基化及組蛋白乙?；让芮邢嚓P(guān)。表觀遺傳學(xué)的研究有助于闡明 OA發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為 OA 治療提供新線索。目前，已有研究已證實(shí) HDAC 參與基因表達(dá)調(diào)控、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾、細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)等多種生命過程，對(duì)于 HDAC 作用機(jī)制的研究可指導(dǎo)藥物研發(fā)用于臨床疾病治療[60]。HDAC 抑制劑藥物研發(fā)目前在臨床研究取得了一定的成果，多種 HDAC 抑制劑藥物被美國(guó) FDA 批準(zhǔn)單獨(dú)或聯(lián)合其它藥物用于多種疾病治療中，包括靶向治療，腫瘤、OA、心理疾病、神經(jīng)退行性疾病等的治療[61-63]。近年來(lái) HDACi 在 OA 治療上的研究取得了進(jìn)一步突破，大量的體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)及臨床研究表明 HDACi 對(duì)人類 OA 治療有確切的療效[58]。然而，目前在 HDAC 和 HDACi 在 OA 基礎(chǔ)及臨床研究中仍然存在許多未知，闡明 HDAC 在 OA 病程中的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，進(jìn)而開發(fā)相應(yīng)的 HDACi，可為骨關(guān)節(jié)的防治提供一種新的策略。