Runx2在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展中的作用*

諶超，付桂仙，楊明曉，張帆

（昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，云南昆明 650032）

骨關(guān)節(jié)炎（Osteoarthritis,OA）是一種以臨床癥狀和關(guān)節(jié)組織變形為特征的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，主要損害關(guān)節(jié)軟骨，導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍疼痛、腫脹、僵硬[1]，是導(dǎo)致疼痛和身體殘疾（畸形和活動范圍受限）的第4 大原因[2]。隨著生活方式的改變及人口的老齡化，預(yù)計OA 的患病率將逐漸增加。OA 顯著降低了患者日?；顒拥哪芰Γ蔀槿虻囊粋€主要醫(yī)療負(fù)擔(dān)，其主要特點是關(guān)節(jié)軟骨退化、骨質(zhì)增生形成、軟骨下硬化、滑膜炎癥及最終的關(guān)節(jié)功能喪失[3]。除此之外，關(guān)節(jié)周圍肌肉、神經(jīng)、脂肪墊和黏液囊的變化也與OA 的發(fā)展相關(guān)[4]。目前研究[5-6]表明，OA 是一種涉及細(xì)胞和分子異常的關(guān)節(jié)退行性疾病，其發(fā)生機(jī)制目前尚不完全明確。然而，最近研究表明，Runx2 在人類OA 軟骨和OA動物模型中表達(dá)升高，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)Runx2 的異常表達(dá)會出現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨破壞及骨贅形成，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退化，且當(dāng)Runx2 缺失后上述表征會減弱，表明Runx2 在OA 的發(fā)生發(fā)展中存在潛在作用[7-9]。本文就Runx2 在OA 發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行綜述。

1 Runx2結(jié)構(gòu)和功能

Runt 相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）是一種轉(zhuǎn)錄因子，屬于Runx 基因家族，該家族具有DNA 結(jié)合域Runt，由Runx1、Runx2、Runx3 組成[10]，在各種組織生長發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)及其細(xì)胞增殖、凋亡、分化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[11]。作為骨骼生長發(fā)育的重要轉(zhuǎn)錄因子，Runx2 在軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及多能間質(zhì)細(xì)胞的增殖、成熟、分化中顯著表達(dá)并發(fā)揮重要作用。首先，Runx2 在軟骨細(xì)胞成熟過程中通過誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞中Ihh 的表達(dá)進(jìn)一步調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的成熟和增殖及肢體的生長[12-13]，同時Runx2 還決定暫時性或永久性軟骨的形成[14]。其次，Runx2 對成骨細(xì)胞的分化和骨祖細(xì)胞的增殖至關(guān)重要。一方面，Runx2 通過直接調(diào)控Fgfr2 和Fgfr3 的表達(dá)來誘導(dǎo)骨祖細(xì)胞的增殖[15]；另一方面，Runx2 在誘導(dǎo)骨祖細(xì)胞分化為軟骨內(nèi)骨的前成骨細(xì)胞中發(fā)揮重要作用，Runx2、Sp7 及典型Wnt 信號之間的相互調(diào)節(jié)作用與前骨細(xì)胞分化為不成熟的成骨細(xì)胞密切相關(guān)[12，16]。最后，Runx2 通過調(diào)控Hedgehog（Gli1、Ptch1、Ihh）、Fgf（Fgfr2、Fgfr3）、Wnt（Tcf7、Wnt10b）及Pthlh（Pth1r）信號通路基因的表達(dá)，誘導(dǎo)間質(zhì)細(xì)胞增殖，并使其向成骨細(xì)胞系的細(xì)胞轉(zhuǎn)化[15]。

2 Runx2在不同關(guān)節(jié)組織中的作用

2.1 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞

2.1.1 Runx2在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞成熟中的作用關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞是OA 發(fā)生發(fā)展的主要參與者，軟骨細(xì)胞成熟是OA 發(fā)生發(fā)展的一個重要因素，而Runx2 在軟骨細(xì)胞成熟中扮演著主要角色，其在軟骨細(xì)胞中的過度表達(dá)會加速整個軟骨細(xì)胞的成熟，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)損傷。軟骨細(xì)胞的分化和成熟是按照靜止期、增殖期、肥大前期、肥大期、終末肥大期的順序連續(xù)進(jìn)行的。Runx2 在靜止期和增殖期軟骨細(xì)胞中弱表達(dá)，而在肥大前期和終末肥大期的軟骨細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)[17]，所以Runx2 是肥大前期軟骨細(xì)胞分化成熟為肥大期軟骨細(xì)胞的必要條件[18]。與此同時，有學(xué)者[13]指出，Ihh 在調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖和成熟過程起著重要作用，在肥大前期軟骨細(xì)胞中，Runx2 通過誘導(dǎo)Ihh 的表達(dá)，從而增加增殖期軟骨細(xì)胞的增殖，證明Runx2 誘導(dǎo)Ihh 的表達(dá)間接調(diào)控軟骨細(xì)胞的增殖和成熟。然而，有研究[19]發(fā)現(xiàn)甲狀腺旁腺激素樣激素（Pthlh）可被Ihh 誘導(dǎo)，至少部分通過抑制Runx2 的表達(dá)從而抑制軟骨細(xì)胞成熟，因此Runx2-Ihh-Pthlh 形成的負(fù)反饋環(huán)路在軟骨細(xì)胞成熟調(diào)控過程中起重要作用。除此之外，在OA 的進(jìn)展過程中，Runx2 的表達(dá)在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞肥大分化過程中顯著上調(diào)[9，20]，其上調(diào)過程主要通過以下4 個途徑介導(dǎo)[6]：①β-連環(huán)蛋白/淋巴增強(qiáng)子結(jié)合因子（LEF）/T 細(xì)胞因子（TCF）復(fù)合物通過Wnt 信號通路；②典型Wnt 信號，介導(dǎo)從Sox9 至Runx2 通路的轉(zhuǎn)換；③成纖維細(xì)胞生長因子（FGF2）啟動快速加速纖維肉瘤（Raf）-絲裂原活化蛋白（MEK1/2）-細(xì)胞外受體激酶（ERK1/2）級聯(lián)反應(yīng)；④HIF-2α 與β-連環(huán)蛋白和NF-κB 通路的通信。同時，軟骨細(xì)胞特異性敲除Runx2 延緩了OA 的進(jìn)展，而在OA 的實驗性小鼠模型中，他莫昔芬誘導(dǎo)的Runx2 在關(guān)節(jié)軟骨中的表達(dá)加速了OA 的進(jìn)展[7]。因此，上述發(fā)現(xiàn)表明Runx2 在OA 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞成熟肥大分化過程中作為主轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮作用。

2.1.2 Runx2 調(diào)控軟骨細(xì)胞基質(zhì)降解酶的表達(dá)OA 的發(fā)生與細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）合成和分解之間的穩(wěn)態(tài)失衡密不可分，由IL-1β 和TNF-α 刺激的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）過度產(chǎn)生是ECM 穩(wěn)態(tài)失衡的主要原因，而Runx2 作為一種直接調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中MMP 表達(dá)的主要轉(zhuǎn)錄介質(zhì)[21]，可促使MMP 的表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致ECM 合成和分解之間的平衡失調(diào)，進(jìn)一步促使OA 的發(fā)生。目前研究[22]反映由軟骨細(xì)胞產(chǎn)生的MMP13 可靶向軟骨進(jìn)行降解，是ECM 降解的主要參與者，在OA 的發(fā)病機(jī)制和軟骨的ECM 變性中起著重要作用。MMP13在ECM 破壞中具有雙重作用，其不僅參與ECM 主要組成成分Ⅱ型膠原蛋白的降解，還介導(dǎo)了另一組成成分蛋白聚糖（一種蛋白多糖分子）的消化[22]。同時，MMP13 在正常和早期退化軟骨中表達(dá)較低，但在晚期OA 標(biāo)本中顯著上調(diào)[23]，其表達(dá)是由Runx2 通過復(fù)雜的增強(qiáng)子排列介導(dǎo)的[24]。MMP13 作為Runx2 的下游靶點，Runx2 可通過與MMP13 啟動子結(jié)合[25]，在體內(nèi)直接調(diào)節(jié)MMP13 的表達(dá)和啟動子活性，且通過實時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)分析表明Runx2 mRNA 表達(dá)上調(diào)與體內(nèi)MMP13 表達(dá)下調(diào)相關(guān)[26]，從而證明Runx2 與MMP13 的表達(dá)密不可分。研究[27]表明，循環(huán)張力可加速軟骨內(nèi)骨化，MMP13 在循環(huán)張力下表達(dá)上調(diào)，受Runx2/Cbfa1 通路的控制[28]。然而，在Runx2 KO 小鼠中，由于Runx2 的敲低導(dǎo)致MMP13 表達(dá)的顯著降低，OA 的病理進(jìn)展得到改善。因此，結(jié)合MMP13 是軟骨細(xì)胞肥大的標(biāo)志，故Runx2 是應(yīng)激誘導(dǎo)MMP13 表達(dá)的關(guān)鍵介質(zhì)。此外，Runx2 也可通過控制聚集蛋白聚糖酶（Adamts）的表達(dá)，進(jìn)一步降解ECM 的組成成分蛋白聚糖來影響ECM 的完整性，從而參與OA 的發(fā)病機(jī)制及關(guān)節(jié)軟骨破壞。研究[29]發(fā)現(xiàn)，Adamts5單基因缺失消除了OA 樣軟骨破壞，因此Adamts5也是導(dǎo)致OA 軟骨降解的主要因素。然而，進(jìn)一步研究[30]證明，Runx2 過度表達(dá)可使人軟骨肉瘤細(xì)胞和原代牛軟骨細(xì)胞中Adamts5 的表達(dá)增加。同時機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)Runx2 過表達(dá)會使Adamts5 的表達(dá)上調(diào)，而Runx2 siRNA 轉(zhuǎn)染會導(dǎo)致機(jī)械誘導(dǎo)的Adamts5 表達(dá)顯著下調(diào)，因此Runx2 可控制Adamts5 表達(dá)，進(jìn)一步參與OA 的發(fā)生發(fā)展[31]。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)Runx2 單倍體不足和軟骨細(xì)胞特異性Runx2 缺失均被證明在創(chuàng)傷性膝關(guān)節(jié)損傷后具有軟骨保護(hù)作用，且這兩種模型中MMP13 和Adamts5 的表達(dá)和整體軟骨退變均降低[8]。Runx2 通過直接調(diào)控上述兩種細(xì)胞外基質(zhì)降解酶的表達(dá)，分別消化膠原蛋白或聚集蛋白聚糖，從而促進(jìn)OA 過程中的關(guān)節(jié)軟骨降解，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨ECM 的完整性受損，在OA 進(jìn)展過程中扮演重要角色。

2.1.3 OA 中Runx2 和miRNA 的相互調(diào)節(jié)從分子層面來看，近年來，隨著對microRNA（miRNA）研究的深入，其在人類退行性O(shè)A 疾病中越來越多的作用被發(fā)現(xiàn)。據(jù)報道，miRNA 通過調(diào)節(jié)OA 關(guān)節(jié)軟骨中Runx2 的表達(dá)，進(jìn)一步參與OA 的發(fā)生發(fā)展。在軟骨細(xì)胞增殖成熟分化過程中，機(jī)械敏感性miR-365 通過靶向組蛋白脫乙酰酶4（HDAC4），從而減輕其對Runx2 的抑制來促進(jìn)軟骨細(xì)胞的成熟，miR-365 表達(dá)的異常升高與人類原發(fā)性和外傷性O(shè)A 相關(guān)[32-33]；而miR-204 以Runx2 依賴機(jī)制降低了軟骨細(xì)胞增殖，改善了嚙齒動物模型中的OA 樣表型[34]，同時miR-204/miR-211 雙KO 小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的、時間依賴性的OA 征象[35]；miR-186 通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞P2X7 表達(dá)和P2X7 介導(dǎo)的組織蛋白酶-K/Runx2/Adamts5 信號軸來調(diào)節(jié)OA 的發(fā)病機(jī)制,延緩OA 進(jìn)展[36]。此外，Runx2 的miRNA 調(diào)節(jié)常常以間接方式發(fā)揮作用，miR-145 通過減輕軟骨主調(diào)節(jié)劑SOX9 介導(dǎo)的Runx2 抑制，間接調(diào)控Runx2，從而誘導(dǎo)Runx2 mRNA 水平的過表達(dá)[37]。上述研究證明Runx2 和miRNA 的相互作用在OA 進(jìn)展中扮演重要角色，miRNA 可作為未來OA 治療的潛在靶標(biāo)，目前Runx2 和miRNA 的相互作用是OA 發(fā)生發(fā)展的一個關(guān)注領(lǐng)域，但應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因動物或基因療法的體內(nèi)研究，從而促進(jìn)對miRNA-Runx2 在OA 發(fā)病機(jī)制中作用的深入理解。越來越多的證據(jù)支持Runx2 通過對軟骨細(xì)胞成熟肥大的調(diào)控、基質(zhì)降解酶的直接調(diào)節(jié)、Runx2 與miRNA 相互調(diào)節(jié)作用及介導(dǎo)必要OA 信號通路，從而在調(diào)節(jié)OA 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中發(fā)揮重要作用。

2.2 滑膜細(xì)胞

滑膜由滑膜成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞組成，可分泌滑液潤滑和滋養(yǎng)關(guān)節(jié)，是關(guān)節(jié)的主要組成成分之一。滑膜炎是導(dǎo)致OA 致病機(jī)制的關(guān)鍵因素，與趨化因子和細(xì)胞因子密切相關(guān)，是OA 進(jìn)展的主要標(biāo)志[38]，同時滑膜成纖維細(xì)胞的衰老被認(rèn)為是OA 發(fā)生發(fā)展的原因之一[39]。研究發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞生長因子2（FGF-2）存在于滑液中，通過控制軟骨細(xì)胞分化維持軟骨穩(wěn)態(tài)，與OA 軟骨退變的嚴(yán)重程度高度相關(guān)[40]。研究[41]發(fā)現(xiàn)，人類OA 中FGF-2 通過MEK/ERK 信號通路激活Runx2，并上調(diào)MMP13的表達(dá)，相應(yīng)地，MEK/ERK 通路的抑制阻礙了FGF-2 對Runx2 的激活，用FGF-2 處理增加了Runx2 磷酸化，說明FGF-2 對于OA 軟骨退變的調(diào)控是通過Runx2 介導(dǎo)的。除此之外，ZENG 等[42]研究表明，來源于OA 滑膜成纖維細(xì)胞的外泌體PCGEM1 通過上調(diào)Runx2 和隔離miR-142-5p，從而促進(jìn)IL-1β 誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡和ECM 降解。同時，PéREZ-GARCíA 等[43]首次報道了2 個參與軟骨細(xì)胞代謝和OA 病理學(xué)的Wnt/β-連環(huán)蛋白和ERK-Runx2信號通路，通過介導(dǎo)OA 滑膜成纖維細(xì)胞衍生的Adamts-7 和-12 也參與了軟骨ECM 降解，為OA 的致病機(jī)制提供了新的見解。WANG 等[44]研究表明，來自滑膜間質(zhì)干細(xì)胞（SMSCs）過量表達(dá)miR-155-5p的外泌體（SMSC-155-5p-Exos）通過靶向Runx2 促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖、遷移及ECM 分泌并抑制細(xì)胞凋亡，從而減少OA 相關(guān)損傷，促進(jìn)軟骨再生及預(yù)防OA 的發(fā)生。然而，Runx2 的過表達(dá)可部分逆轉(zhuǎn)上述SMSC-155-5p-Exos 在OA 軟骨細(xì)胞中的影響。

從分子水平上來看，HUANG 等[45]發(fā)現(xiàn)miR-204和miR-211 兩種同源microRNA，其通過維持關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)以抑制OA 的發(fā)病機(jī)制，且特異性敲除間質(zhì)祖細(xì)胞（MPCs）中miR-204/-211 會導(dǎo)致Runx2 在多類型關(guān)節(jié)細(xì)胞中的累積，從而引起全關(guān)節(jié)退化變性。具體而言，miR-204/-211 的功能喪失會上調(diào)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞中的基質(zhì)降解蛋白酶的表達(dá)，從而刺激關(guān)節(jié)軟骨的破壞[45]。此外，miR-204/-211敲除以Runx2 依賴的方式增強(qiáng)神經(jīng)生長因子（NGF）的表達(dá)，從而過度激活A(yù)kt 信號和MPCs 增殖，成為多種非軟骨性O(shè)A 疾病的基礎(chǔ)，包括滑膜增生、骨贅生長及軟骨下硬化，重要的是，Runx2 缺失很大程度上可緩解miR-204/-211 缺失誘發(fā)的OA[45]。上述研究證實了Runx2 在滑膜細(xì)胞導(dǎo)致OA 的發(fā)生發(fā)展過程中扮演著至關(guān)重要的角色。

2.3 軟骨下骨細(xì)胞

近年來，軟骨下骨因其在關(guān)節(jié)損傷中的重要作用而受到越來越多的關(guān)注。軟骨下骨的組成或機(jī)械性能的改變似乎介導(dǎo)了OA 的發(fā)生發(fā)展，例如軟骨下骨硬化降低了軟骨下骨的減震能力，并增加了關(guān)節(jié)軟骨交聯(lián)的剪切誘導(dǎo)的拉伸失效風(fēng)險，同時軟骨下骨也被證明是炎癥介質(zhì)的潛在來源，這些炎癥介質(zhì)與更深層的關(guān)節(jié)軟骨降解退化有關(guān)[46]。研究[47]表明，軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變是OA 發(fā)生的主要原因，其結(jié)構(gòu)紊亂是OA 的標(biāo)志，包括硬化改變、囊性病變及骨贅形成，軟骨下骨的異常重塑在OA 的病理中起著重要作用。在OA 的發(fā)生發(fā)展過程中，軟骨下骨會發(fā)生不同的病理變化，早期發(fā)生軟骨下骨磨損，晚期則表現(xiàn)為軟骨下骨硬化[48]。為了進(jìn)一步研究Runx2 在軟骨下骨細(xì)胞中的特定作用，LIAO 等[49]通過復(fù)制Runx2 cKO 小鼠模型發(fā)現(xiàn)，Runx2 缺失阻斷了軟骨細(xì)胞易位到軟骨下骨區(qū)域，并抑制軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為祖細(xì)胞。相比之下，對照組小鼠組織學(xué)分析顯示軟骨下骨中存在廣泛的軟骨細(xì)胞，表明Runx2 在軟骨下骨重塑中起著關(guān)鍵作用。

2.4 半月板

半月板作為一種纖維軟骨結(jié)構(gòu)，對膝關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)起著機(jī)械保護(hù)作用[50]。研究表明膝關(guān)節(jié)退化變性往往始于半月板損傷[51]。由于內(nèi)側(cè)半月板是無血管的，因此傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)上認(rèn)為內(nèi)側(cè)半月板損傷變性后無法再生[52]。有學(xué)者[53]通過OA 患者的內(nèi)側(cè)半月板無血管部分進(jìn)行外植體培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)了一組具有遷移性、多向性和多功能性的細(xì)胞,被稱為半月板祖細(xì)胞（MPC），且MPC 似乎被Runx2 調(diào)節(jié)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)病變半月板標(biāo)本中Runx2 水平升高，而轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）水平降低，同時MPC 的軟骨生成潛力受TGF-β 信號傳導(dǎo)的控制，該信號通過誘導(dǎo)SOX9 增加和Runx2 減少,從而增強(qiáng)MPC 的軟骨形成潛力。SCHMINKE 等[54]通過抑制OA 小鼠模型內(nèi)側(cè)半月板中的Runx2，證明了Runx2 是半月板OA 疾病發(fā)生的重要因素。這些研究表明Runx2 有助于損傷半月板的再生，是半月板中OA 進(jìn)展的主要調(diào)節(jié)因子。

3 總結(jié)與展望

Runx2 是骨骼生長發(fā)育的重要轉(zhuǎn)錄因子，其正常表達(dá)是骨骼發(fā)生過程中膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨的先決條件，在關(guān)節(jié)組織正常生長發(fā)育過程中必不可少，其在組織和分子層面與不同的OA 關(guān)節(jié)組織（關(guān)節(jié)軟骨、半月板、滑膜細(xì)胞及軟骨下骨）都存在相互作用。同時Runx2 還可調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)降解酶的表達(dá)，在OA 的進(jìn)展過程中促進(jìn)軟骨降解。雖然目前關(guān)于Runx2 在OA 發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制尚未完全闡明，但目前的研究表明Runx2 在OA 發(fā)生機(jī)制的調(diào)控作用和治療潛力巨大，隨著研究的逐漸深入，基于Runx2 的分子靶向治療有望成為OA相關(guān)疾病治療的新策略。