沉默信息調(diào)節(jié)因子1對軟骨損傷修復機制的研究進展

陳奕孝 李國慶 劉 蘇 翁 鑒 朱元超 于 斐 曾 暉*

（1.遵義醫(yī)科大學研究生院，貴州 遵義，563000；2.北京大學深圳醫(yī)院骨關節(jié)科，廣東 深圳，518036；3.骨科生物材料國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 深圳，518036）

關節(jié)軟骨（articular cartilage，AC）是覆蓋在關節(jié)表面的一種高度分化的結締組織，主要由軟骨細胞和細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）構成，能夠提供相對平滑的表面，降低關節(jié)之間的摩擦系數(shù)并減輕運動震蕩。但由于AC 缺乏神經(jīng)、血管和淋巴管等組織，當外界的機械應力或內(nèi)環(huán)境變化使AC 損傷后，其自我修復能力有限。隨著AC 損傷的進展，軟骨細胞出現(xiàn)肥大、凋亡和壞死等一系列病理生理變化，可伴有ECM 降解、軟骨剝脫，并逐步加重，損傷可累及軟骨下骨，出現(xiàn)關節(jié)疼痛等癥狀，導致終末期骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）[1]。

目前，臨床對AC 損傷修復有多種治療方法，如微骨折術、骨軟骨移植術、骨軟骨細胞移植術和骨軟骨組織工程修復技術等。但因供體來源少、傳染性疾病和免疫原性等問題，自體、異體骨軟骨組織或細胞修復技術的實施受到了限制。因此，尋找治療軟骨損傷的新方法尤為重要。

沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silencing information regulator 1，SIRT1）基因已被證實對軟骨細胞特定基因表達起正向調(diào)節(jié)作用，如促進OA 中Ⅱ型膠原（collagen type Ⅱ，Col Ⅱ）和蛋白聚糖（aggrecan，AGC）等細胞外基質(zhì)合成。相反SIRT1 基因活性受抑制，軟骨基因表達受影響[2]。因此，本文就SIRT1基因調(diào)控軟骨損傷進程機制的最新研究進展進行綜述。

1 SIRT1 蛋白的結構和功能

Sirtuins（SIRT）是高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）+依賴性組蛋白脫乙酰酶家族或沉默信息調(diào)節(jié)因子2的家族成員。研究證實，哺乳動物中有7 種SIRT 蛋白，它們具有不同生物功能，表達位置也有差異。如SIRT1 和SIRT2存在于胞質(zhì)和胞核中，SIRT3、SIRT4 和SIRT5 則在線粒體中表達，而SIRT6 和SIRT7 僅存在于胞核中，SIRT 蛋白可參與調(diào)節(jié)炎癥反應、氧化應激、能量代謝、細胞凋亡、衰老和DNA損傷等[3-4]。其中SIRT1 是Sirtuins 家族的主要參與者，與衰老相關疾病如OA、骨質(zhì)疏松等關系密切。

SIRT1 基因被激活后可使腫瘤蛋白p53、活化B 細胞核因子κ 鏈增強子（NF-κB）和FoxOs 等因子去乙?；⒂绊懠毎拇婊?、新陳代謝、應激等功能[5]。目前，軟骨相關疾病的研究也對SIRT1 基因調(diào)控著重關注。

2 SIRT1 基因在軟骨損傷中對軟骨細胞和軟骨組織的影響

SIRT1 蛋白在軟骨四層組織及滑膜組織中表達。在人和小鼠KOA 中均發(fā)現(xiàn)SIRT1 基因的表達下調(diào)。有研究表明，SIRT1 基因活性變化能影響軟骨特異性基因表達，如SIRT1基因過表達可促進COL Ⅱ mRNA 表達，而用SIRT1 基因抑制劑或?qū)IRT1 基因敲低時，軟骨基因表達下降[2，6]。體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，過表達SIRT1 基因的小鼠中，軟骨組織SIRT1 基因的表達較肌肉組織高，SIRT1 基因過表達能抑制分解代謝因子MMP-13、ADAMTS-5 mRNA 表達，誘導ACAN、COL Ⅱ mRNA表達，最終因促進ECM 合成而緩解OA 進展[7]。在人膝OA標本中發(fā)現(xiàn)，軟骨磨損越嚴重SIRT1 基因表達越低[8]。而SIRT1 基因在嚴重退化的軟骨中幾乎不表達，在損傷較少的軟骨中卻明顯表達，表明SIRT1 基因表達與軟骨退變存在相關性[9]。SOX9 與多種軟骨基因表達有關，SIRT1 能夠靶向SOX9 增強子，促使SOX9 乙?；鰪姴⒃黾酉掠位駽OL Ⅱ的轉錄活性。SIRT1 敲低后，軟骨ECM 發(fā)生降解，SIRT1 蛋白和軟骨特異性轉錄因子SOX9 的基因表達下調(diào)[10]。SIRT1 作為抗衰老基因，用白藜蘆醇刺激間充質(zhì)干細胞（MSCs）后可通過其調(diào)控延遲衰老，增加軟骨分化潛能；通過水凝膠將其植入兔軟骨缺損模型后，軟骨標記物SOX9、AGC 和COL Ⅱ表達增加，軟骨肥大標志物X 型膠原減少，有效促進兔軟骨缺損修復[11]。綜上，SIRT1 基因在調(diào)控軟骨合成代謝、促進軟骨修復、抑制軟骨肥大和退化方面有重要意義。

2.1 SIRT1 基因?qū)浌羌毎装Y反應的調(diào)節(jié)

軟骨周圍的炎性環(huán)境影響軟骨修復，滑膜細胞或巨噬細胞等產(chǎn)生炎性介質(zhì)或促炎因子可加劇軟骨損傷。SIRT1 蛋白對軟骨細胞短期內(nèi)暴露于炎癥因子時具有保護作用，并促進軟骨細胞存活及特異性基因表達[12]。促炎因子IL-1β 和TNF-α 能刺激炎癥因子和軟骨降解因子的表達。軟骨細胞中抑制SIRT1 基因也會上調(diào)IL-1β 和TNF-α 而促分解代謝[13]。過表達SIRT1 基因時，炎癥因子PGE2 與COX2 及分解代謝因子MMP1、MMP3、MMP13 基因的表達受抑制[14]。有研究證實，小鼠過表達SIRT1 基因后，OA 癥狀減輕，軟骨破壞減少，COL Ⅱ表達增加，MMP3、MMP13、IL-1β、ADAMTS5 蛋白表達減少，而且該小鼠膝關節(jié)軟骨細胞受IL-1β 刺激后，COL Ⅱ與AGC 基因表達也升高，而MMP3、MMP13、ADAMTS5基因表達受抑制[7]。炎癥反應的激活涉及許多信號通路的級聯(lián)反應，NF-κB 被認為是參與炎癥反應的重要信號通路，在OA 中起重要作用。白藜蘆醇激活SIRT1 基因后，可抑制NF-κB 核轉位和p65 乙?；⑾抡{(diào)NF-κB/COX2/MMPs通路活性，發(fā)揮抗感染作用的同時保護軟骨[14]。小鼠腹腔注射SIRT1 基因激活劑SRT1720，可使軟骨細胞中p65 乙酰化減少，軟骨降解酶表達下降，減緩小鼠OA 進展[15]。因此，SIRT1 基因能在炎性軟骨細胞中發(fā)揮抗炎作用，并通過調(diào)節(jié)NF-κB 等通路的活性來維持軟骨穩(wěn)態(tài)，減少軟骨損傷。

2.2 SIRT1 基因?qū)浌羌毎趸瘧p傷的調(diào)節(jié)

軟骨細胞內(nèi)保持著相對平衡的氧化應激狀態(tài)。來自外界的異常機械應力和軟骨退變等因素可影響軟骨穩(wěn)態(tài)，導致線粒體功能障礙后誘導活性氧（reactive oxygen speies，ROS）產(chǎn)生，對軟骨細胞造成氧化損傷[16]。SIRT1 基因及其酶的活性對于軟骨的穩(wěn)態(tài)和發(fā)育至關重要，其在防止氧化應激和抗凋亡方面具有重要作用。SIRT1 基因活性增強可通過抑制氧化應激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激來抑制軟骨細胞凋亡和軟骨退化[17]。SIRT1 蛋白可通過調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的PERK-eIF2a-CHOP 軸促進生長板軟骨形成并抑制軟骨細胞凋亡[18]。生物體內(nèi)也存在抗氧化劑，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）等酶類，并在氧化應激下發(fā)揮抗氧化、降解ROS 及分解過氧化物產(chǎn)生保護作用[19]。而這些酶類在OA 軟骨細胞中表達減少后，會加劇小鼠軟骨退變[16]。胡桃苷能夠下調(diào)脂多糖誘導的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）Oxidase 4 分泌，并促進SOD 表達，減少ROS產(chǎn)生，當敲除SIRT1 基因后，上述作用消失[20]。因此，SIRT1基因可通過清除自由基和氧化應激來抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，成為治療OA 的有效靶點。綜上，SIRT1 基因能夠緩解氧化應激損傷，從而對軟骨細胞起到保護作用。

3 SIRT1 基因通過不同信號通路對軟骨損傷的影響

軟骨組織損傷修復有多種因素參與，SIRT1 基因可通過調(diào)控軟骨細胞功能影響其過程。軟骨細胞增殖分化除受到轉錄調(diào)控因子影響外，也受到信號通路如Wnt、TGF-β、Notch和FGF 等的影響。

3.1 SIRT1 基因調(diào)控Nocth 信號通路對軟骨損傷的影響

Notch 信號通路是一種涉及四種跨膜Notch 受體的細胞通路，對軟骨生長發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用。此外，Notch 信號通路調(diào)節(jié)軟骨分化的核心是Notch 胞內(nèi)結構域（Notch intracellular domain，NICD），其激活后上調(diào)Hes 和Hey 并抑制軟骨分化[21]。SIRT1 基因能使Notch 信號的胞內(nèi)結構域去乙?；?，并使其靶向蛋白酶體降解[22]。

Notch 信號通路能抑制SOX9、COL Ⅱ和AGC 表達，從而抑制軟骨細胞增殖分化，這可能是由于Notch 通路中NICD/Rbpj 與SOX9 的上游啟動子結合對SOX9 進行靶向抑制造成的[23]。而在SIRT1 基因缺陷的細胞中，Notch 信號通路激活并誘導微血管減少及纖維化增加[24]。成人關節(jié)軟骨中Notch 信號通路持續(xù)激活可誘導早期嚴重OA 樣病理改變，并抑制軟骨形成，促進軟骨降解和纖維化，但是生理條件下Notch 通路短暫表達卻有利于ECM 合成[25]。相關研究表明，乙?；癄顟B(tài)下NICD 胞內(nèi)結構域比較穩(wěn)定，Notch 信號通路持續(xù)表達，而體內(nèi)SIRT1 基因能夠使Notch 信號通路因子去乙?；⒁种破浔磉_[26]。還有研究表明，細胞內(nèi)的SIRT1 蛋白可對Notch 信號通路產(chǎn)生負調(diào)節(jié)，并認為NICD 的可逆性乙酰化是調(diào)節(jié)Notch 信號通路的關鍵分子機制[27]?？傊?，Notch 信號通路影響軟骨穩(wěn)態(tài)，對軟骨分解代謝平衡具有調(diào)節(jié)作用。此外，SIRT1 基因?qū)otch 信號通路相關因子存在著去乙?；饔?，未來需進一步闡明機制，有助于從另一方面了解軟骨損傷修復。

3.2 SIRT1 基因調(diào)控BMP 信號通路對軟骨損傷的影響

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）屬于TGF-β 超家族成員，在生長發(fā)育中對骨軟骨具有調(diào)節(jié)作用。目前BMP 的研究主要集中在BMP2/3/4/6/7/9 等蛋白，其中BMP2 和BMP4 蛋白誘導成骨細胞與軟骨細胞向骨和軟骨方向分化。

有研究發(fā)現(xiàn)，OA 患者中BMP2 和BMP4 蛋白表達降低，將含有BMP4 轉導的ADSCs 通過CaAIg 水凝膠載入豬軟骨缺損后，能促進透明軟骨再生來修復軟骨缺損[28]。BMP9 不僅能刺激軟骨祖細胞的軟骨形成，還能刺激AGC 和COL Ⅱ基因表達，認為其對軟骨形成是一種誘導因子[29]。過表達SIRT1 基因后發(fā)現(xiàn)BMP2 誘導的干細胞能夠顯著增加軟骨分化相關因子SOX9、COL Ⅱ和AGC 蛋白表達[30]。在膝OA 小鼠中使用獨活寄生湯含藥血清促進了SIRT1 和BMP7 蛋白和基因的表達，穩(wěn)定膝OA 軟骨細胞合成和分解代謝，對軟骨細胞具有再生作用[31]。綜上，BMP 信號通路對軟骨形成具有不同的誘導作用，而SIRT1 基因與BMP 信號通路之間存在的聯(lián)系可能具有協(xié)同作用，最終促進軟骨形成。

3.3 SIRT1 基因調(diào)控Wnt/β-catenin 信號通路對軟骨損傷的影響

Wnt 信號通路能夠?qū)浌羌毎⒊晒羌毎约盎ぜ毎只a(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)、炎癥反應和OA 的發(fā)生發(fā)展。Wnt 信號通路可通過經(jīng)典Wnt 通路（β-catenin 依賴途徑）和非經(jīng)典Wnt 通路發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，其中Wnt/β-catenin是Wnt 信號的主要通路。研究證實，SIRT1 基因?qū)浌怯斜Ｗo作用，抑制組蛋白甲基轉移酶DOT1L 會導致SIRT1 蛋白表達紊亂，使得Wnt 信號通路上調(diào)后誘導小鼠OA 發(fā)生[5]。用LiCl 處理或β-catenin 轉染軟骨細胞后發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路激活的同時下調(diào)了SIRT1 基因表達，促進軟骨細胞中衰老因子p53 表達和乙?；痆32]。Wnt/β-catenin 信號通路過度激活可能加重軟骨破壞的程度和軟骨下骨重塑過程。Wnt/β-catenin 信號能提高MMP13 的轉錄活性，促進軟骨分解代謝，加快OA 進展，不過HIF-α 能阻止Wnt 信號通路對MMP13 的轉錄并抑制軟骨降解[33]。而白藜蘆醇處理OA 軟骨細胞后可增加SIRT1 的表達，同時減少軟骨細胞凋亡，抑制MMP1、MMP3、MMP13、Wnt3a、Wnt5a、Wnt7a 和β-catenin的表達，因此認為SIRT1 可能通過Wnt/β-catenin 信號通路調(diào)節(jié)OA 軟骨細胞相關的凋亡和細胞外基質(zhì)降解[34]。因此，SIRT1基因可通過激活經(jīng)典的Wnt 信號通路抑制軟骨分化和降解。

4 小結與展望

AC 在關節(jié)中起承載負荷、緩沖震蕩的作用，但急性創(chuàng)傷或長期勞損致使軟骨受到不同刺激，加重軟骨負擔，出現(xiàn)軟骨缺損、軟骨破壞，使軟骨使用壽命減少，而軟骨修復能力有限，再生修復困難。軟骨損傷是由于各種因素打破軟骨合成和分解代謝平衡造成的，軟骨細胞增殖代謝受到SOX9、AGC、COL Ⅱ等因子和Notch、BMP 等信號通路的影響，并且SIRT1基因與這些因子及通路關系密切。目前臨床治療軟骨損傷的方法較多，但效果不佳，因此，需加強研究SIRT1 基因通過相關因子或信號通路影響促進軟骨損傷修復的機制，希望通過本綜述為未來研究軟骨損傷修復提供新的思路和靶點。