Sox9等因子在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制與治療中的研究進(jìn)展

韓雪來(lái)，李春亮，熊永斌，劉俊豪

(1.青海大學(xué)研究生院，青海 西寧 810000；2.青海省人民醫(yī)院骨科，青海 西寧 81000)

1 Sox9基因及其與軟骨的關(guān)系

1.1 Sox9基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為全面了解Sox9在骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展中的分子機(jī)制，對(duì)其生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)是非常重要的。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)人類(lèi)的Sox9基因序列位于17q24.1～q25.1區(qū)域，即染色體17上的3-Mb區(qū)域。在不同的組織中，染色體17上的3-Mb區(qū)域被增強(qiáng)子以復(fù)雜的方式引導(dǎo)[2]；(2)Sox9基因包含一個(gè)SRY相關(guān)的HMG結(jié)構(gòu)域，具有三個(gè)α螺旋，氨基酸相似性為50%[3]；(3)Sox9的DNA結(jié)合HMG結(jié)構(gòu)域包含兩個(gè)核定位信號(hào)(NLS)序列和一個(gè)富含亮氨酸的核輸出信號(hào)(NES)序列[4-5]；(4)Sox9基因序列中的內(nèi)含子一般比較少，Sox9 基因包含了3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)顯子[6]。

1.2 Sox9因子在關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育中的作用：

在哺乳動(dòng)物中，關(guān)節(jié)軟骨主要通過(guò)軟骨內(nèi)成骨形成，這是由幾個(gè)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)的結(jié)果。相關(guān)研究表明，性別決定區(qū)Y(SRY)-box9(Sox9)在軟骨發(fā)育的初始化階段起著重要作用，此外，人類(lèi)Sox9基因的突變會(huì)導(dǎo)致軟骨發(fā)育不良，并使軟骨形成異常。Sox9已被鑒定為一種轉(zhuǎn)錄因子，可與Ⅱ型膠原α1鏈(Col2a1)基因中的關(guān)鍵順式元件結(jié)合Sox9刺激間充質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞，并上調(diào)早期軟骨生成基因，包括Col2a1、Col11a2和aggrecan。在人類(lèi)骨與軟骨發(fā)育的過(guò)程中，Sox9因子與DNA特定區(qū)域相結(jié)合，促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞聚集，進(jìn)而維持軟骨細(xì)胞的增殖，抑制其向肥大軟骨細(xì)胞的分化。

2 Sox9等因子在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用

2.1 骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制

骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制與基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、細(xì)胞因子、免疫反應(yīng)、某些基因等多種因素相關(guān)；基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)在細(xì)胞外基質(zhì)的降解和重塑中發(fā)揮重要作用，其表達(dá)增加造成關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解，誘導(dǎo)軟骨降解，造成膠原纖維變薄，而引起關(guān)節(jié)軟骨損傷的重要原因；細(xì)胞因子可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生MMP 、一氧化氮(NO)和前列腺素(PG)等物質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞合成與分解代謝失衡；OA相關(guān)表現(xiàn)提示滑膜炎癥的存在，滑膜組織中也存在巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞等免疫細(xì)胞；遺傳因素在OA病理過(guò)程中也發(fā)揮重要作用(如Sox9突變等)。骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，多種發(fā)病因素相互影響[8](圖1：骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖)。

圖1 骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制關(guān)系圖(NO:一氧化氮 PG：前列腺素)

相關(guān)研究表明，Sox9基因在軟骨發(fā)育的初始化階段起著重要作用，人類(lèi)Sox9基因的突變會(huì)導(dǎo)致軟骨發(fā)育不良，進(jìn)而會(huì)引起關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生病變。骨關(guān)節(jié)炎的主要特征是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的降解和軟骨表型的喪失。在骨性關(guān)節(jié)炎患者中，Sox9的軟骨調(diào)控功能被致炎因子所抑制，從而減緩了病變軟骨的修復(fù)、抑制了其再生，這是關(guān)節(jié)炎遷延不愈的重要原因[9]。因此Sox9基因在關(guān)節(jié)軟骨形成、發(fā)育及病變等過(guò)程中起著十分重要的作用。

3 骨關(guān)節(jié)炎的基因治療

骨關(guān)節(jié)炎的基因治療主要是找出促進(jìn)軟骨修復(fù)的過(guò)表達(dá)蛋白和相關(guān)因子，再通過(guò)基因轉(zhuǎn)染技術(shù)將相關(guān)基因?qū)敕N子細(xì)胞中，將一些存在缺陷的基因替換掉或進(jìn)行矯正，從而達(dá)到治療的目的?；蚬こ痰目焖侔l(fā)展為OA治療的提供了更多新的治療方法與治療思路，同時(shí)也刷新了人類(lèi)對(duì)基因治療疾病的新的認(rèn)知。近年來(lái)，隨著基因工程及分子生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，多種目的基因已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，其通過(guò)誘導(dǎo)等一系列過(guò)程來(lái)延緩或者預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程?；蚬こ讨委煿顷P(guān)節(jié)炎是建立在以種子細(xì)胞為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新型治療方法，種子細(xì)胞主要包括間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stemcells，BMSCs)、誘 導(dǎo) 多 能 干 細(xì) 胞(induced pluripotent stem cell，iPS細(xì)胞)、脂肪干細(xì)胞、自體軟骨細(xì)胞等。由于脂肪干細(xì)胞、自體軟骨細(xì)胞自身的局限性，以下主要對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞及其治療骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)因子進(jìn)行分析。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stemcells，BMSCs)具有向骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等分化的潛能，因此被眾多研究者認(rèn)為是組織工程最理想的種子細(xì)胞[10-13]。其具有向軟骨細(xì)胞分化的潛力而修復(fù)損傷，通過(guò)qRT-PCR誘導(dǎo)表達(dá)Ⅱ型膠原、蛋白多糖和Sox9基因。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植是提高關(guān)節(jié)軟骨再生能力的一個(gè)新的選擇[14-17]。卓群豪等[18]在兔膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射Sox9因子轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨，結(jié)果顯示Sox9基因轉(zhuǎn)染小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)小鼠膝關(guān)節(jié)炎病變軟骨具有修復(fù)作用。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotentstem cell)：簡(jiǎn)稱(chēng)iPS細(xì)胞，由于其具有很強(qiáng)的增殖和分化潛能，目前是細(xì)胞工程、基因工程中治療骨關(guān)節(jié)炎中最具潛力的細(xì)胞之一。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞通常經(jīng)過(guò)一系列分化，軟骨細(xì)胞特異性基因和蛋白(Col2A1，GAG和Sox9)的表達(dá)量都明顯增加，這些特異性基因和蛋白可促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎中軟骨的修復(fù)和再生。因此，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞將成為未來(lái)治療骨關(guān)節(jié)炎、改善和修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的一種新型治療手段。

3.1 Sox9基因

Sox9基因是軟骨形成與發(fā)育過(guò)程中的一個(gè)主要的轉(zhuǎn)錄因子，通過(guò)特異性的方式調(diào)節(jié)一系列下游因子，從而參與軟骨的形成。Sox9既可以單獨(dú)參與軟骨形成過(guò)程，同時(shí)也可以與下游Sox轉(zhuǎn)錄因子Sox5和Sox6聯(lián)合產(chǎn)生軟骨Sox Trio。Sox9在骨關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)軟骨中減少。使用病毒和非病毒載體以及組織工程(支架)進(jìn)行基因治療是軟骨再生的有效工具。將Sox9或軟骨生成Sox Trio傳遞到細(xì)胞中可對(duì)軟骨生成產(chǎn)生有效的治療作用，而組織工程可以促進(jìn)這一過(guò)程。大量研究給予Sox9基因促進(jìn)骨髓間充質(zhì)細(xì)胞成軟骨分化治療骨關(guān)節(jié)炎奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β)超家族的成員之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為具有多種不同的生物活性，包括調(diào)控細(xì)胞增殖、分化和凋亡的調(diào)節(jié)、遷移、胚胎發(fā)育和維持組織穩(wěn)態(tài)，強(qiáng)骨/軟骨誘導(dǎo)分子[19-20]。BMP-2已被證明有刺激蛋白多糖的合成，促進(jìn)軟骨內(nèi)成骨的能力，并對(duì)軟骨細(xì)胞代謝合成代謝影產(chǎn)生影響[21]。BMP-2能夠提高軟骨細(xì)胞Ⅱ型膠原的過(guò)表達(dá)，其不僅可以誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡，同時(shí)激發(fā)軟骨細(xì)胞增殖。另外，BMP-2還能夠促進(jìn)TFG-β、Sox-9、ERCC-1蛋白及基因等因子過(guò)表達(dá)。

BMP在骨與軟骨的發(fā)育與成熟、骨質(zhì)破壞及骨折愈合等骨質(zhì)再生等一系列過(guò)程中產(chǎn)生重要的作用，BMP在此過(guò)程中作為誘導(dǎo)因子促進(jìn)骨質(zhì)生成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)骨質(zhì)的自我修復(fù)與再生。其中，內(nèi)源性BMP-2的調(diào)節(jié)可以促進(jìn)TFG-β、Sox-9、ERCC-1蛋白及基因表達(dá)量，進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖、軟骨內(nèi)成骨，因此BMP-2已經(jīng)成為未來(lái)骨修復(fù)領(lǐng)域的一個(gè)新的靶點(diǎn)。

3.3 miRNA因子

近年發(fā)現(xiàn)，miRNA是能夠?qū)虮磉_(dá)產(chǎn)生影響的一種新調(diào)控子，miRNA有助于多能干細(xì)胞分化增殖以及自我更新[22]，并且對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化以及器官形成都非常關(guān)鍵[23]。其中miRNA-30a是Sox9基因通過(guò)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)軟骨分化過(guò)程表達(dá)的 microRNA(miRNA)，miRNA-30a 在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞軟骨分化過(guò)程中表達(dá)逐漸上升并通過(guò)Sox9完成其負(fù)調(diào)節(jié)作用，miRNA-30a作為調(diào)控 MSC 軟骨分化的潛在靶點(diǎn)，對(duì)于軟骨再生和軟骨發(fā)育相關(guān)疾病的應(yīng)用和防治具有重要意義。通過(guò)干預(yù) miRNA-30a 內(nèi)源性的表達(dá)，減弱其抑制 Sox9 的效應(yīng)，可為治療或預(yù)防某些軟骨發(fā)育相關(guān)疾病提供新的策略。育相關(guān)疾病提供新的策略。miR-30a作為調(diào)控 MSC 軟骨分化的潛在靶點(diǎn)，對(duì)于軟骨再生和軟骨發(fā)育相關(guān)疾病的應(yīng)用和防治具有重要意義。骨發(fā)育相關(guān)疾病的應(yīng)用和防治具有重要意義。

4 展望

綜上所述，隨著近年來(lái)老齡化社會(huì)的進(jìn)展，骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率逐年增加，嚴(yán)重威脅著老年人群的健康，因此，骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)治療重新被重視起來(lái)，新的治療方法也隨著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)的快速發(fā)展而不斷涌現(xiàn)。近年來(lái)，隨著基因工程的不斷興起，治療骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)研究不斷深入，其中基因治療骨關(guān)節(jié)炎成為如今新的手段和方法，其中Sox9等轉(zhuǎn)錄因子治療骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)研究成為了其中的熱點(diǎn)，其在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中逐漸走上成熟，未來(lái)也許會(huì)逐漸應(yīng)用于臨床治療領(lǐng)域，但目前臨床中的應(yīng)用還很少見(jiàn)，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展以及對(duì)Sox9等轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)一步研究，基因工程治療骨關(guān)節(jié)炎等軟骨損壞疾病的方法有望產(chǎn)生重大突破，并為臨床治療骨關(guān)節(jié)炎提供一個(gè)嶄新的途徑與方法。