非編碼RNA 在骨性關(guān)節(jié)炎中對(duì)軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)影響的研究進(jìn)展

王世琦 岳 亮 謝文鵬? 蔡余力 ?

(1.山東中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,濟(jì)南 250014;2.山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨科,濟(jì)南 250014)

骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是世界上最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)疾病,其發(fā)病率隨著年齡的增長(zhǎng)而增加。膝關(guān)節(jié)是最主要的受影響關(guān)節(jié),可導(dǎo)致進(jìn)行性加重的功能喪失、疼痛以及僵硬。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)60 歲以上人群患病率約50%,75 歲以上約80%,女性的患病率為男性的2.46 倍,致殘率高達(dá)53%[1]。盡管骨關(guān)節(jié)炎對(duì)個(gè)人、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面造成了相當(dāng)大的損失,但其并未引起人們的重視,更有甚者錯(cuò)誤地認(rèn)為骨關(guān)節(jié)炎是衰老必不可少的一部分[2]。軟骨細(xì)胞是軟骨中發(fā)現(xiàn)的唯一細(xì)胞,它受到嚴(yán)格的調(diào)控來(lái)維持生長(zhǎng)、分化和凋亡之間的平衡。然而在OA 發(fā)病過(guò)程中,這種動(dòng)態(tài)平衡會(huì)導(dǎo)致軟骨基質(zhì)的退化和軟骨細(xì)胞的過(guò)度損傷,軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的丟失也會(huì)導(dǎo)致軟骨的異常重塑,最終演變?yōu)镺A[3]。如何早期診斷和治療軟骨退變既是目前臨床上亟需解決的關(guān)鍵,也是問(wèn)題的難點(diǎn)。因此,從生物學(xué)上尋找OA 作用于軟骨細(xì)胞的特異性靶點(diǎn),對(duì)OA的早期診斷和治療是十分重要的。

隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步,多種mRNA 以外的RNA被發(fā)現(xiàn),這些新發(fā)現(xiàn)的RNA 并不參與蛋白的編碼,被統(tǒng)稱為非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)[4]。非編碼RNA 主要分為微小 RNA (microRNA,miRNA)、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和環(huán)狀RNA(circular RNA,circRNA)。它們與諸多分子靶目標(biāo)結(jié)合形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而啟動(dòng)特定的細(xì)胞生物應(yīng)答,從而調(diào)控基因表達(dá)、影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞、參與表觀遺傳修飾等多種生命活動(dòng)的功能,進(jìn)而在OA 等疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮作用[5]。近年越來(lái)越多的證據(jù)表明,ncRNA 與OA 的發(fā)生、發(fā)展、診斷和治療等密切相關(guān),本文就ncRNA對(duì)軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)的影響進(jìn)行歸納總結(jié),為探索其對(duì)OA 發(fā)病機(jī)制的影響提供新思路。

1 miRNA 與OA 軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)的關(guān)系

miRNA 是一種長(zhǎng)度為21～23 個(gè)核苷酸的小片段非編碼單鏈RNA,自從在秀麗隱桿線蟲(chóng)中鑒定出首個(gè)miRNA 后,已有超過(guò)1000 個(gè)miRNA 在人類和小鼠中被發(fā)現(xiàn),miRNA 調(diào)控人類60%以上的蛋白質(zhì)編碼基因,在基因表達(dá)的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。miRNA 在OA 軟骨細(xì)胞中的作用機(jī)制見(jiàn)圖1。

1.1 miRNA 與軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡的關(guān)系

OA 的發(fā)生與軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡有著密切的聯(lián)系。上調(diào)或下調(diào)的miRNA 可調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡過(guò)程。值得注意的是,miRNA 可同時(shí)介導(dǎo)多個(gè)生物學(xué)過(guò)程來(lái)調(diào)控OA 的進(jìn)程,比如miR-34a除與miR-108a 協(xié)同以提高NF-κB(p50)活性,降低Bcl-2 的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡外[6],還可以靶向誘導(dǎo)生產(chǎn)CyR61,以抑制軟骨細(xì)胞的增殖[7]。Zhang 等[8]的大鼠實(shí)驗(yàn)表明向關(guān)節(jié)腔中注射miR-34a 能降低軟骨細(xì)胞的死亡,減少軟骨的丟失。敲除MFI2-AS1 基因后,過(guò)表達(dá)的miR-130a-3p 會(huì)下調(diào)TCF4,抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷,達(dá)到抑制細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞外基質(zhì)降解的功能,從而達(dá)到緩解OA 的作用[9]。

1.2 miRNA 與軟骨細(xì)胞自噬的關(guān)系

自噬是機(jī)體在應(yīng)激狀態(tài)下防止細(xì)胞死亡的保護(hù)機(jī)制,有利于維持細(xì)胞活性與穩(wěn)態(tài)[10]。PI3K/AKT/mTOR 和NF-κB 信號(hào)通路在miRNA 調(diào)控軟骨細(xì)胞自噬中發(fā)揮重要作用,miR-155 可抑制前者以誘導(dǎo)自噬的發(fā)生,miR-27a 的過(guò)表達(dá)可通過(guò)后者誘導(dǎo)自噬,miR-107 則可作用于兩種通路[11-13]。miR-30b 可下調(diào)促自噬基因并上調(diào)促凋亡基因,應(yīng)用antimiR-30b 后不僅起到明顯的反轉(zhuǎn)作用,還可以提高炎癥期間的細(xì)胞存活率[14],這表明antimiR-30b具有治療OA 的潛力。miR-9 是沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRT-1)的調(diào)節(jié)因子,可通過(guò)調(diào)控SIRT1 來(lái)影響軟骨細(xì)胞的自噬[15]。除miRNA 對(duì)自噬進(jìn)行調(diào)節(jié)外,自噬還可調(diào)節(jié)miRNA 的生物學(xué)功能,例如,自噬選擇性地針對(duì)miRNA 機(jī)制的關(guān)鍵組件來(lái)調(diào)節(jié)miRNA 的穩(wěn)定性和功能。DICER1 和主要的miRNA效應(yīng)器AGO2 通過(guò)選擇性自噬受體CALCOCO2/NDP52 降解[16];mTORC1 途徑和自噬控制著RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RISCs)的正確組裝,從而影響miRNA 的功能[17]。

1.3 miRNA 與細(xì)胞外基質(zhì)降解的關(guān)系

基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP13)與人血小板反應(yīng)蛋白解整合素肽酶5(ADAMTS-5)是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解的主要水解酶,是誘發(fā)OA 的關(guān)鍵原因。Cao 等[18]的研究揭示了miR-214-3p 的減少會(huì)激活NF-κB 信號(hào)通路促進(jìn)ECM 的降解和軟骨細(xì)胞凋亡進(jìn)而促進(jìn)OA 的發(fā)生。促炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β(IL-1β)可通過(guò)刺激基質(zhì)降解的蛋白的表達(dá)參與OA 的發(fā)生和發(fā)展,抑制miR-30a 的表達(dá)可通過(guò)IL-1β/AP-1/MIR-30a/ADAMTS-5 軸緩解IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解,可見(jiàn)miR-30a 是軟骨穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑,是OA 的潛在診斷和治療靶點(diǎn)[19]。Zhang 等[15]發(fā)現(xiàn)在OA 患者中,miR-9 的表達(dá)受抑制,而MMP-13 呈高表達(dá),并證實(shí)miR-9 可抑制MMP13 的表達(dá)降低細(xì)胞外基質(zhì)的降解。miR-140 不僅可直接作用于Adamts-5 靶點(diǎn),還可能通過(guò)其他生物軸來(lái)調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)的降解[20]。miR-122過(guò)表達(dá)可抑制SIRT1,從而增加細(xì)胞外基質(zhì)的降解[21]。miR-449a 可直接靶向生長(zhǎng)分化因子5(GDF5)促進(jìn)軟骨細(xì)胞的降解[22],在大鼠實(shí)驗(yàn)中,關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射miRNA-140 可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)來(lái)緩解大鼠骨性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展,這可能成為治療OA 的新方法[23]。

2 lncRNA 與OA 軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)的關(guān)系

lncRNA 是一類分布在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中超過(guò)200 個(gè)核苷酸的ncRNA,由RNA 聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄而來(lái),因此lncRNA 在來(lái)源和結(jié)構(gòu)上類似于mRNA,都具有5’帽狀結(jié)構(gòu)、3’polyA 結(jié)構(gòu)和可變剪接體。lncRNA 可分為基因間lncRNA、內(nèi)含子lncRNA、正義lncRNA、雙向lncRNA、反義lncRNA[24]。lncRNA通常參與骨和軟骨的形成,現(xiàn)有證據(jù)表明lncRNA是炎癥反應(yīng)的中心調(diào)節(jié)因子,可能是OA 診斷和治療的潛在生物標(biāo)志物[25]。lncRNA 在OA 軟骨細(xì)胞中的作用機(jī)制見(jiàn)圖2。

圖2 lncRNA 在OA 軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)中的作用Figure 2 Mechanism of lncRNA on OA chondrocytes and extracellular matrix

2.1 lncRNA 與軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡的關(guān)系

目前已知有4717 種lncRNA 在OA 軟骨中差異表達(dá)[26],lncRNA 通常通過(guò)調(diào)節(jié)miRNA 來(lái)發(fā)揮作用。lncRNA HOTAIR 能促進(jìn)IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡,在最近的研究中發(fā)現(xiàn)它通過(guò)調(diào)節(jié)miR-1277-5p 和miR-130a-3p 來(lái)調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡[27-29],此外有報(bào)道沉默lncRNA HOTAIR 可激活Wnt/β-catenin 信號(hào)通路,抑制OA 滑膜炎在和滑膜細(xì)胞增殖,促進(jìn)滑膜細(xì)胞凋亡[30],這表明lncRNA HOTAIR 不僅通過(guò)調(diào)節(jié)不同miRNA 影響軟骨細(xì)胞凋亡,還可作用于OA 進(jìn)程的其它病理活動(dòng),是OA 的早期診療的潛力靶點(diǎn)。IL-6β 作為一種促炎因子在多種炎癥性疾病中上調(diào),過(guò)表達(dá)lncRNA DILC 能 使IL-6β 水平降低[31]。lncRNA MIR22HG 可作為miR-9-3p 的海綿基因,抑制lncRNA MIR22HG 會(huì)通過(guò)miR-9-3p/ADAMTS5 軸促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖,抑制軟骨細(xì)胞的凋亡[32]。過(guò)表達(dá)lncRNA THUMPD3-AS1 雖然能減少軟骨細(xì)胞的凋亡,但卻會(huì)提高細(xì)胞周期蛋白E2、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4、B 細(xì)胞淋巴瘤2、腫瘤壞死因子-α、一氧化碳和IL-6 的水平,加重炎癥反應(yīng)[33],由此可見(jiàn)ncRNA 調(diào)控OA 網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。目前研究表明lncRNA-KLF3-AS1 可通過(guò)海綿miR-206 促進(jìn)GIT1 的表達(dá)而發(fā)揮ceRNA 的作用,外源性lncRNA-KLF3-AS1 可以作用于miR-206/GIT1 軸調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖誘導(dǎo)和凋亡抑制[34]。

2.2 lncRNA 與軟骨細(xì)胞自噬的關(guān)系

Tian 等[35]發(fā)現(xiàn),lncRNA SNHG7 在OA 軟骨細(xì)胞中呈低表達(dá)狀態(tài),lncRNA SNHG7 的缺失會(huì)使miR-34a-5p 水平升高,促進(jìn)軟骨細(xì)胞的自噬體內(nèi)和體外研究均顯示lncRNA-CIR 是控制軟骨自噬的關(guān)鍵因素,lncRNA-CIR 的上調(diào)會(huì)導(dǎo)致Ⅱ型膠原基因(COL2A1)水平降低,MMP3 水平升高,最終導(dǎo)致軟骨退變[36]。Yang 等[37]發(fā)現(xiàn)lncRNA-ROR 可通過(guò)HIF1α 和P53 調(diào)控軟骨細(xì)胞自噬,其過(guò)表達(dá)對(duì)軟骨細(xì)胞的自噬有促進(jìn)作用,從而緩解OA 發(fā)病。

2.3 lncRNA 與細(xì)胞外基質(zhì)降解的關(guān)系

越來(lái)越多的研究表明lncRNA 通過(guò)海綿miRNA來(lái)發(fā)揮調(diào)控作用。lncRNA MEG3 可以靶向作用于miR-93/TGFBR2 軸,其過(guò)表達(dá)可緩解細(xì)胞外基質(zhì)的降 解[38]。有報(bào)道 lncRNA LINC00671 可通過(guò)SMURF2/GSK-3β 軸調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì),當(dāng)lncRNA LINC00671 表達(dá)上調(diào)時(shí),可導(dǎo)致MMP3、MMP13、ADAMTS-4 以及ADAMTS-5 水平提高進(jìn)而使細(xì)胞外基質(zhì)降解增加,在小鼠骨性關(guān)節(jié)炎模型中使用sh-LINC00671 可顯著抑制MMPs 和ADAMTS 的表達(dá),從而降低軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解,緩解OA 的進(jìn)展[39]。Li 等[40]在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)lncRNA TMP3可作為miR-22 的海綿基因,影響ALK1 的表達(dá),導(dǎo)致Smad1/5 的表達(dá)增加,從而上調(diào)MMP13 的表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)的降解。

3 circRNA 與OA 軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)的關(guān)系

circRNA 是一種存在閉環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性非編碼RNA,根據(jù)基因組起源和產(chǎn)生方式的不,可大致分為三種類型:內(nèi)含子circRNA、外顯子circRNA 和外顯子-內(nèi)含子circRNA。circRNA 可調(diào)節(jié)親本基因、調(diào)控miRNA、與蛋白質(zhì)結(jié)合形成功能復(fù)合體,而且circRNA 在細(xì)胞的增殖、分化、侵襲、遷移、自噬和凋亡等方面發(fā)揮重要作用[41-42]。人工調(diào)節(jié)circRNA有望成為對(duì)抗OA 發(fā)展的基因療法。circRNA 在OA軟骨中的作用見(jiàn)表1。

表1 circRNA 對(duì)OA 軟骨細(xì)胞的作用Table 1 Effects of circRNA on OA chondrocytes

3.1 circRNA 與軟骨細(xì)胞的增殖與凋亡的關(guān)系

有報(bào)道抑制circRNA_0092516 可通過(guò)miR-337-3p/PTEN 軸調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖,抑制細(xì)胞凋亡[43]。circ_0134111 在OA 軟骨細(xì)胞中過(guò)表達(dá),并作為miR-515-5p 的海綿基因靶向調(diào)控SOCS1,敲除circ_0134111 可減輕IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡及炎癥反應(yīng)[44]。circATRNL1 可通過(guò)調(diào)節(jié)miR-153-3p/KLF5 軸來(lái)改善OA 的進(jìn)程,當(dāng)circATRNL1 過(guò)表達(dá)時(shí)可抑制miR-153-3p,緩解軟骨細(xì)胞的凋亡[45]。Shen 等[46]在研究中發(fā)現(xiàn),circCDK14 在關(guān)節(jié)磨損位置下調(diào)明顯,Smad2 能誘導(dǎo)Sox9 和Ⅱ型膠原蛋白的表達(dá)并調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖和分化,circCDK4 的過(guò)表達(dá)可通過(guò)miR-125a-5p/Smad2 軸調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡。Zhu 等[47]的研究表明存在circGCN1L1/miR-330-3p/TNF 軸,且在大鼠模型中抑制circGCN1L1 可減少軟骨細(xì)胞的凋亡。

3.2 circRNA 與軟骨細(xì)胞自噬的關(guān)系

在OA 大鼠模型中,敲除circRHOT1 可促進(jìn)Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的表達(dá),并逆轉(zhuǎn)LC3 和beclin1 的抑制狀態(tài),circ RHOT1 可通過(guò)海綿化miR-142-5p 增強(qiáng)CCND1 的表達(dá)從而抑制軟骨細(xì)胞的自噬并促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖[48]。circ_0005567 的過(guò)表達(dá)可減弱IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡,但這種作用可以被3-甲基腺嘌呤(自噬抑制劑)清除,這表明circ_0005567 過(guò)表達(dá)通過(guò)誘導(dǎo)自噬抑制軟骨細(xì)胞凋亡,此外circ_0005567 可與miR-495 競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,抑制早期自噬標(biāo)記物ATG14 的表達(dá)[49]。Sui 等[50]報(bào)道circ_0037658 在IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中顯著上調(diào),沉默circ_0037658 可以通過(guò)調(diào)節(jié)諸多自噬因子LC3、P62、Beclin1、ATG5 和AIF 以誘導(dǎo)自噬,保護(hù)軟骨細(xì)胞免受IL-1β 的損傷。

3.3 circRNA 與細(xì)胞外基質(zhì)降解的關(guān)系

一項(xiàng)研究表明過(guò)表達(dá)circSERPINE2 可減輕IL-1β 引起的OA 進(jìn)程,circSERPINE2 可靶向調(diào)控miR-495,而miR-495 靶向調(diào)控TGFBR2。TGFBR2 可以減弱經(jīng)IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解[51]。NAMPT 是一種限速酶,可由受IL-1β 刺激的OA 軟骨細(xì)胞產(chǎn)生,并增強(qiáng)MMPs 的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的降解,在受IL-1β 刺激形成的OA 軟骨細(xì)胞中,NAMPT 過(guò)表達(dá)可阻斷miR-149-5p 的再表達(dá),抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)細(xì)胞周期,circRNA_0008956 則可通過(guò)miR-149-5p/NAMPT 軸參與細(xì)胞外基質(zhì)的降解[52]。Feng 等[53]在體外細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)circRNA_0020093 通過(guò)靶向miR-23b 正向調(diào)控SPRY1 的表達(dá),降低MMP13 和ADAMTS-5 介導(dǎo)的細(xì)胞外基質(zhì)降解。Jiang 等[54]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)circRNA _0045714 可阻斷腫瘤壞死因子-α(TNF-α)誘導(dǎo)的MMP13 和ADAMTS-4 的積聚以及Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖分解代謝因子的減少,從而防止細(xì)胞外基質(zhì)的降解。

4 結(jié)語(yǔ)

OA 是最常見(jiàn)的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病,隨著我國(guó)逐漸步入老齡化社會(huì),逐年增多的OA 患者不僅嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,還會(huì)給社會(huì)醫(yī)療資源帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[55]。目前OA 缺乏早期診斷和治療手段,ncRNA 因其參與軟骨細(xì)胞的多種活動(dòng),具有成為新的診療標(biāo)志物的潛力。由關(guān)節(jié)軟骨損傷導(dǎo)致的細(xì)胞外基質(zhì)的分解代謝失衡是OA 的直接原因[56],因此本文從軟骨細(xì)胞的增殖與凋亡、軟骨細(xì)胞的自噬和細(xì)胞外基質(zhì)降解3 個(gè)方面介紹了ncRNA 對(duì)軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)的調(diào)控?，F(xiàn)有的研究多以細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和大鼠實(shí)驗(yàn)為主,缺乏直接臨床證據(jù),且多著重于單向lncRNA-miRNA-circRNA 的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,細(xì)胞生理功能對(duì)ncRNA 的影響鮮有提及,這還不足以完全揭示ncRNA 在軟骨退變中的作用機(jī)制。目前的研究表明ncRNA 可調(diào)節(jié)OA 的多種生理病理過(guò)程,隨著ncRNA 在OA 領(lǐng)域的深入,ncRNA 多靶點(diǎn)多層面的調(diào)控機(jī)制也會(huì)得到更全面地構(gòu)建。