Wnt/β-catenin信號通路在脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎中的作用

王嘉琦 江華

廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院脊柱骨病外科，廣西 南寧 530021

骨性關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種多因素相互作用導致關節(jié)軟骨完整性受損，累及軟骨下骨和關節(jié)邊緣骨贅形成的關節(jié)疾病。遺傳因素和環(huán)境因素在OA的疾病進程中扮演著重要角色[1]。近年的研究[2-3]表明，Wnt/β-catenin信號通路可能通過調(diào)節(jié)關節(jié)組織中的軟骨細胞、成骨細胞和滑膜細胞的功能，在OA發(fā)病機制中發(fā)揮著獨特作用。

脊柱作為人體的承重支柱，其后部連接上下椎體的小關節(jié)是骨性關節(jié)炎的高發(fā)部位。脊柱小關節(jié)成對位于脊柱后部，是連接相鄰脊柱功能單位之間的唯一滑膜關節(jié)。在解剖結構上，脊柱小關節(jié)由相鄰椎體上下關節(jié)突以及周圍的軟組織構成關節(jié)囊和滑膜，軟骨覆蓋于關節(jié)面，滑液填充于關節(jié)腔內(nèi)；在生物力學上，脊柱小關節(jié)獨特的解剖結構使其承受脊柱重力，協(xié)助脊柱完成前屈和后伸，同時限制脊柱水平方向的旋轉(zhuǎn)。脊柱小關節(jié)發(fā)生骨性關節(jié)炎的原因和膝關節(jié)骨性關節(jié)炎類似，均與其特殊的結構和功能密切相關。主要表現(xiàn)為軟骨的減少、變薄和軟骨下骨硬化，軟骨細胞肥大、聚集和凋亡增加，骨贅形成，且伴隨基質(zhì)蛋白多糖的減少。同時，患者軟骨下骨組織中出現(xiàn)廣泛骨形成和血管形成，炎性細胞浸潤和破骨細胞活動增強。炎性細胞浸潤導致包括生長調(diào)節(jié)致癌基因α(GROα)、可溶性血管細胞粘附分子1(sICAM-1)、干擾素γ、白介素IL-1β、IL-17、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、IL-1α和IL-17E等促炎因子增加，以及IL-10和IL-13等抗炎因子增加[4]。脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎可能不引起椎間盤的退變，而椎間盤退變可能引起脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎，因為椎間盤退變改變了脊柱運動節(jié)段的生物力學效應[5]。既往研究[6]證實，通過Wnt/β-catenin信號通路相關途徑可誘發(fā)脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎和椎間盤退變。

1 Wnt/β-catenin通路

Wnt/β-catenin信號通路是一組信號轉(zhuǎn)導途徑，由下列成分組成：配體wnt蛋白、胞膜受體七次跨膜卷曲蛋白(Frizzled)受體家族、低密度脂蛋白受體相關蛋白5、6 (LRP5/6)、Dvl蛋白、支架蛋白Axis抑制蛋白1、2(Axin-1、Axin-2)、酪氨酸激酶1(CK1)、GSK-3β激酶、APC蛋白組成的多蛋白復合體、β-catenin和下游的雙向轉(zhuǎn)錄因子TCF/ LEF等[7-8]。

典型Wnt/β-catenin信號通路是由wnt蛋白觸發(fā)的細胞內(nèi)信號通路，通過胞膜受體和多蛋白復合體調(diào)節(jié)β-catenin在細胞內(nèi)的濃度以及分布情況，從而影響細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子，以實現(xiàn)調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄與表達。在wnt蛋白處于靜止狀態(tài)時，β-catenin在細胞內(nèi)的含量維持在穩(wěn)定水平，過量的β-catenin被26 S蛋白酶泛素化且被降解。由Dvl蛋白、支架蛋白Axis抑制蛋白1、2(Axin-1、Axin-2)、酪氨酸激酶1(CK1)、GSK-3β激酶以及APC蛋白組成的破壞復合體介導了這一過程。破壞復合體磷酸化β-catenin上特定的氨基酸殘基，從而啟動β-catenin的降解過程，而β-catenin基因外顯子3負責編碼這一特定的氨基酸殘基。因此，抑制β-catenin的磷酸化或沉默β-catenin基因外顯子3即能阻止β-catenin的降解過程。當wnt結合到作為配體的卷曲蛋白和LRP5/6后，卷曲蛋白和LRP5/6的胞內(nèi)部分與Dvl蛋白、Axin-1/Axin-2以及APC蛋白發(fā)生相互作用，使β-catenin從破壞復合體中釋放出來，從而使胞內(nèi)和核內(nèi)的β-catenin含量升高。β-catenin在細胞核內(nèi)與雙向轉(zhuǎn)錄因子TCF/ LEF結合，激活wnt蛋白目標基因的表達[7]。Wnt/β-catenin信號通路高度保守，參與調(diào)節(jié)各種細胞的活動，在生長發(fā)育過程中起著關鍵作用[9]。

2 Wnt/β-catenin信號通路抑制劑

Wnt/β-catenin信號通路抑制劑包括兩大類，一類是分泌型卷曲蛋白相關蛋白家族(secreted frizzled-related protein family，sFRPs)以及wnt抑制因子1(wnt inhibitory factor-1，WIF-1)，其中sFPR3是其代表，這類抑制劑主要與wnt蛋白結合以影響wnt蛋白與受體結合的能力。另一類是DKK(dickkopf)家族，主要通過與LRP5/6結合來影響Wnt/β-catenin信號通路，它還和骨性關節(jié)炎發(fā)生的風險密切相關[10]。硬化蛋白(sclerostin , SOST)和DKK1蛋白(dickkopf-1)能與wnt蛋白的受體LRP5/6結合，從而抑制wnt蛋白與LRP5/6的結合和信號傳導。其機制可能是硬化蛋白和DKK1均結合至LRP5/6的第一個β螺旋，使wnt-1的信號傳導受到抑制；DKK1還能結合到LRP5/6的第三個β螺旋以抑制wnt3a的信號傳導[7,11]。

3 骨性關節(jié)炎中的Wnt/β-catenin信號通路

在人類OA遺傳基因研究中，與Wnt/β-catenin信號通路相關的基因突變常常被認為是OA的重要易感基因。編碼sFRP3的基因sFrp3中羧基末端arg324gly發(fā)生替換后，可導致承重關節(jié)OA發(fā)生率增加[12-13]。Nakamura等[14]在OA患者關節(jié)軟骨、骨和滑膜組織的基因檢測中發(fā)現(xiàn)，與wnt基因相關的wnt7b在OA發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。Blom等[15]發(fā)現(xiàn)WISP-1(Wnt1誘導信號通路蛋白1)表達在OA患者的組織標本和小鼠動物模型均出現(xiàn)升高。此外，在OA患者體內(nèi)，Wnt/β-catenin通路的拮抗劑DKK1在血漿和滑液中的表達水平均較正常人群明顯降低，且與OA影像學分級的嚴重程度呈負相關關系[16]。

Chan等[17]發(fā)現(xiàn)在小鼠和羊的OA動物模型以及OA 患者的軟骨中，Wnt/β-catenin通路的抑制劑-硬化蛋白的表達升高。在OA動物模型的軟骨移植治療中，使用硬化蛋白能抑制Wnt/β-catenin信號通路的傳導，其原理可能是通過降低Mmp、Adamts、Acan和Col2a1基因的表達，進而降低IL-1α介導的聚糖蛋白溶解以實現(xiàn)抑制分解代謝。相反，在OA動物模型發(fā)生骨硬化的區(qū)域中，硬化蛋白顯著減少。因此，硬化蛋白在骨贅形成過程中的表達反映了其在抑制Wnt/β-catenin通路介導的軟骨下骨形成過程的調(diào)節(jié)機制[18]。

在目前關于OA的研究中，采用了很多不同的動物造模技術，包括自發(fā)、手術、化學誘導以及基因敲除等。在自發(fā)OA的小鼠(str/ort小鼠)和膠原酶誘導OA的小鼠模型中，其關節(jié)軟骨和滑膜中的Wnt基因以及其相關基因的表達水平均發(fā)生明顯變化。例如，WISP1的表達水平顯著升高，WISP1具有調(diào)節(jié)軟骨細胞和巨噬細胞中MMPs和聚集酶表達的作用，并可誘導關節(jié)軟骨的降解[15]。此外，sfrp3基因敲除的小鼠更容易被手術或化學誘導而出現(xiàn)OA表型[19-20]。同時，sfrp3在軟骨細胞成熟和長骨發(fā)育的調(diào)節(jié)過程中還發(fā)揮著重要作用[21]。上述結果均表明了Wnt/β-catenin信號通路的激活在OA發(fā)生和進展過程中具有重要意義。

基于OA小鼠模型探究Wnt/β-catenin信號通路在OA病理生理過程中的作用是十分重要的。在β-catenin(ex3)Col2CreER小鼠模型中，β-catenin外顯子3被敲除后，使其產(chǎn)生穩(wěn)定融合蛋白，對GSK-3β磷酸化以及隨后的泛素化和蛋白酶體的降解都具有抑制作用。由于β-catenin的降解被抑制，導致了關節(jié)軟骨細胞核內(nèi)的β-catenin水平升高，從而導致出現(xiàn)關節(jié)軟骨的逐漸減少和骨贅的形成等OA表型。在β-catenin(ex3)Agc1CreER小鼠模型中，同樣出現(xiàn)了類似的情況。Zhu等[2]證實了β-catenin在胞內(nèi)表達水平過高可導致關節(jié)軟骨出現(xiàn)OA表型 。反之亦然，β-catenin在胞內(nèi)水平過低也會導致關節(jié)軟骨出現(xiàn)OA表型。TCF抑制劑(ICAT)是一種通過結合β-catenin特定結構，進而抑制β-catenin與核內(nèi)TCF相互作用的細胞內(nèi)蛋白。在Col2-ICAT轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，β-catenin信號通路在軟骨細胞中被特異性抑制，導致生長板軟骨細胞發(fā)育緩慢以及關節(jié)軟骨退變[22-23]。這一系列的發(fā)現(xiàn)都表明，Wnt/β-catenin信號通路在OA發(fā)展過程中發(fā)揮了關鍵作用，維持正常的軟骨細胞功能需要胞內(nèi)的β-catenin處于穩(wěn)定而適當?shù)乃剑^高或過低的β-catenin水平均會導致OA的發(fā)生與發(fā)展。

在OA病變初期，均會出現(xiàn)軟骨細胞代謝率降低以及軟骨細胞的肥大和凋亡[24]。此時，關節(jié)軟骨細胞內(nèi)顯示軟骨特異性的基因，如Col2a1和aggrecan等均出現(xiàn)表達水平降低；反映細胞肥大的標記基因如Runx 2和Col10a1等均出現(xiàn)表達升高；編碼分解代謝酶的基因，如Mmp13、Adamts4和Adamts5等均出現(xiàn)表達升高[25-26]。軟骨細胞中代謝組分合成的減少，分解代謝酶合成的增加，最終導致進行性軟骨纖維化和退化。軟骨下骨改變和骨贅形成均可出現(xiàn)在OA的進展過程中，通過調(diào)控Col2a1或Agc1基因的表達，條件性激活β-catenin信號的轉(zhuǎn)基因小鼠可出現(xiàn)嚴重的軟骨退變、軟骨下骨侵蝕和骨贅形成[6]。上述研究證明了軟骨細胞中表達的wnt和β-catenin相關蛋白可引發(fā)不同的細胞反應，直接或間接的影響OA表型的出現(xiàn)。

4 脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎中的Wnt/β-catenin信號通路

在β-catenin(ex3)Col2CreER轉(zhuǎn)基因小鼠模型和β-catenin(ex3)Agc1CreER轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，對2周齡的實驗小鼠應用他莫昔芬，在3個月、6個月和9個月時對小鼠模型的脊柱小關節(jié)進行評估，結果發(fā)現(xiàn)在每一個時間節(jié)點上，小鼠的脊柱小關節(jié)均出現(xiàn)明顯的退變。組織學分析顯示，脊柱小關節(jié)OA和椎間盤退變是同時發(fā)生的[27]。上述研究證實，調(diào)控Wnt/β--catenin信號通路可誘導脊柱小關節(jié)OA和椎間盤退變。

MMP13是參與軟骨降解過程中最重要的金屬基質(zhì)酶之一，而在OA患者的軟骨細胞中MMP13亦呈現(xiàn)高表達[25]。Neuhold等[28]發(fā)現(xiàn)在Mmp13基因過表達的小鼠中可出現(xiàn)關節(jié)軟骨退變的癥狀。Wang等[29]在Mmp13條件性基因敲除小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，關節(jié)軟骨體積和軟骨基質(zhì)分泌增加，軟骨細胞凋亡減少；應用特定的MMP13抑制劑可減輕OA表型的嚴重程度。同時進一步敲除β-catenin基因外顯子3和Mmp13基因，可獲得雙突變的β-catenin(ex3)/Mmp13Col2CreER小鼠模型，表現(xiàn)為β-catenin高表達和Mmp13缺失。在此類小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，由β-catenin條件性激活所導致的關節(jié)退變以及退變產(chǎn)生的疼痛均得到顯著緩解，進一步證實MMP13在脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎的退變中具有關鍵的效應。在β-catenin(ex3)Col2CreER|Adamts5-/-雙突變小鼠中，Wang等觀察到了類似的脊柱小關節(jié)退變的緩解效應[27,30]。Mmp13或Adamts5的缺失可顯著逆轉(zhuǎn)β-catenin(ex3)Col2CreER小鼠的脊柱小關節(jié)和椎間盤退變。ADAMTS蛋白酶家族在OA進程中具有促進蛋白聚糖和聚蛋白聚糖消耗的作用。在β-catenin(ex3)Col2CreER小鼠模型中，β-catenin過量表達可導致椎間盤組織Adamts4和Adamts5基因的表達亦出現(xiàn)升高。在OA小鼠模型中，敲除Adamts5基因或雙敲除Adamts4和Adamts5基因的可有效防止軟骨退化[26,31]。上述研究提示在基因水平上對金屬基質(zhì)酶等進行調(diào)控，可為脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎的未來治療策略奠定理論基礎。

5 小結

隨著對骨性關節(jié)炎研究的深入，其發(fā)生和發(fā)展過程日益得到重視。脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎作為骨性關節(jié)炎中的典型代表之一，其發(fā)病機制與其他類型的骨性關節(jié)炎十分類似，如軟骨退變、軟骨下骨塌陷和骨贅形成等。目前，關于脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎的研究廣泛涉及生物力學、分子生物學等方面。Inoue等[32]通過觀察脊柱小關節(jié)在不同負荷條件下的生物力學功能，提出了脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎的誘因和疼痛的新解釋。Nakamura等[33-34]通過對脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)炎軟骨進行高通量miRNA篩選，發(fā)現(xiàn)miR-181a-5p和miR-4454與脊柱小關節(jié)骨性關節(jié)存在相關性，進一步證實miR-181a-5p能通過促進軟骨細胞凋亡和分解代謝使小關節(jié)面軟骨變性、退變。Chen等[35]運用生物信息學方法發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路深度參與脊柱小關節(jié)退變的病理生理過程。Wnt/β-catenin信號通路在骨性關節(jié)炎的病理生理過程中具有重要作用，其相關蛋白參與骨性關節(jié)炎的各種調(diào)節(jié)機制。然而，Wnt/β-catenin信號通路是如何激活的，是否還受到其他因素的調(diào)節(jié)，以及其如何參與軟骨細胞、破骨細胞及成骨細胞的重塑機制等問題尚未完全明確，這也將是未來需要繼續(xù)探索的重要方向之一。