張晉寧 楊天翔 張博文 程萌旗 陳德勝

我國(guó)已步入人口老齡化階段，骨關(guān)節(jié)炎患者逐年增加，但目前對(duì)于骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制研究仍處于探索階段。近年研究顯示，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。TGF-β對(duì)軟骨早期形成、細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生與降解、骨贅形成、滑膜炎癥改變有一定的調(diào)控作用[1]。本文就TGF-β在骨關(guān)節(jié)炎病變中的相關(guān)作用進(jìn)行綜述。

1 TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路組成和功能

TGF-β超家族是具有30多個(gè)成員的因子家族，主要包括 TGF-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (BMP)、活化素和抑制素等[2]。TGF-β超家族成員轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號(hào)通路通過(guò)影響細(xì)胞增殖、分化和遷移來(lái)調(diào)節(jié)組織生長(zhǎng)與發(fā)育[3]。TGF-β超家族成員通過(guò)異質(zhì)受體復(fù)合物發(fā)揮作用，該復(fù)合物由細(xì)胞表面的Ⅰ型和Ⅱ型受體組成，通過(guò)Smad復(fù)合物或絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級(jí)聯(lián)傳遞細(xì)胞內(nèi)信號(hào)。TGF-β和BMP在成骨過(guò)程中具有不同的功能，包括間充質(zhì)凝結(jié)、骨架形態(tài)發(fā)生、生長(zhǎng)板發(fā)育和成骨細(xì)胞分化等[4]。 TGF-β和BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)人類(lèi)基因突變可導(dǎo)致遺傳發(fā)育性骨疾病發(fā)生。

1.1 TGF-β

人類(lèi)TGF-β主要有3種結(jié)構(gòu)類(lèi)似的亞型，即TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3[5]。這3種亞型高度同源，但分別被不同基因所編碼。起初，相關(guān)基因先形成前體TGF-β，隨后進(jìn)入高爾基體進(jìn)一步加工修飾，最終生成成熟TGF-β[6]。一般情況下TGF-β活性受抑制，當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)離子強(qiáng)度變化及活性氧化物質(zhì)(ROS)、整合素等物質(zhì)形成，TGF-β信號(hào)分子激活并釋放。此時(shí)，TGF-β被細(xì)胞膜表面相關(guān)受體識(shí)別并與之結(jié)合，將細(xì)胞外信號(hào)傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，從而調(diào)控機(jī)體活動(dòng)。

1.2 TGF-β受體

TGF-β受體(TβR)在人體組織內(nèi)廣泛分布。根據(jù)其表型可將TβR受體分為3種：TβRⅠ、TβRⅡ、TβRⅢ。TβRⅠ和TβRⅡ主要成分為糖蛋白，均為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶受體，具有激酶活性，可跨膜傳遞信號(hào)。TβRⅢ主要由蛋白多聚糖構(gòu)成，沒(méi)有激酶活性，但可以增強(qiáng)TβRⅠ和TβRⅡ親和力，輔助信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。TβRⅠ又稱(chēng)激活素受體樣酶(ALK)，有7種形式，分別為ALK1～7。在TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，TGF-β活化后先與由2個(gè)TβRⅠ和2個(gè)TβRⅡ組成的四聚體復(fù)合物結(jié)合。TβRⅡ具有持續(xù)激酶活性，可將TβRⅠ(ALK1、ALK5)磷酸化。此時(shí)ALK1、ALK5被激活并在細(xì)胞膜表面網(wǎng)絡(luò)蛋白幫助下進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[7]。進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的受體復(fù)合物在ALK1或ALK5幫助下與Smad蛋白相結(jié)合，繼續(xù)向細(xì)胞核內(nèi)傳遞信息。由ALK傳導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路主要有2條，即ALK5-Smad2/3傳導(dǎo)的TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和ALK1-Smad1/5/8傳導(dǎo)的BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。機(jī)體根據(jù)組織內(nèi)ALK1和ALK5受體數(shù)量和其之間的比值決定選擇ALK5還是ALK1。生理情況下ALK5-Smad2/3與ALK1-Smad1/5/8處于平衡狀態(tài)，以此來(lái)保證關(guān)節(jié)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。同時(shí)TGF-β誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)向軟骨細(xì)胞分化需ALK5和ALK1，TGF-β不僅直接誘導(dǎo)軟骨形成，而且調(diào)節(jié)BMSC中的ALK5和ALK1受體信號(hào)傳導(dǎo)[8]。

1.3 Smad蛋白

當(dāng)TGF-β信號(hào)傳入細(xì)胞質(zhì)后，若想繼續(xù)向細(xì)胞核傳遞需Smad蛋白。根據(jù)Smad蛋白功能可將Smad蛋白分為3類(lèi)：受體調(diào)節(jié)型Smad(R-Samds)，包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8；通用型Smad(Co-Smad)，包括Smad4；抑制性Smad(I-Smads)，包括Smad6、Smad7[9]。不同的R-Smad蛋白與不同的ALK受體結(jié)合，以此產(chǎn)生不同作用，從而調(diào)控細(xì)胞生理活動(dòng)。ALK5與R-Smad蛋白中的Smad2、Smad3結(jié)合。ALK1則與Smad1、Smad5、Smad8結(jié)合。最終它們都會(huì)與Co-Smad蛋白結(jié)合，在2種Smad蛋白的共同幫助下將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞核內(nèi)。隨后，細(xì)胞核內(nèi)的相關(guān)DNA序列及調(diào)控蛋白會(huì)與Smad蛋白N端和C端的結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，最終激活不同基因組，以此來(lái)調(diào)控細(xì)胞在體內(nèi)不同情況下的生長(zhǎng)發(fā)育[10]。I-Smads則會(huì)阻礙R-Smad蛋白與Co-Smad蛋白或受體相結(jié)合，從而負(fù)向調(diào)控TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的傳導(dǎo)與表達(dá)。miR-455-3p可促進(jìn)軟骨細(xì)胞中的TGF-β/Smad信號(hào)，通過(guò)直接抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PAK)2來(lái)抑制軟骨退化。這些結(jié)果表明，miR-455-3p和PAK2分別是治療骨關(guān)節(jié)炎的新穎潛在治療劑和靶點(diǎn)[11]。BMSC轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌羌?xì)胞的過(guò)程中Smad3較Smad4更為重要[12]，Smad3敲低和過(guò)表達(dá)都會(huì)對(duì)軟骨形成起到抑制作用，而Smad4敲低則會(huì)完全阻止軟骨形成，且軟骨誘導(dǎo)似乎依賴(lài)于Smad3與Smad4的微妙平衡[6]。TGF-β誘導(dǎo)Smad3和Smad1/5/9蛋白水平取決于輔助因子Smad4水平。

2 TGF-β與軟骨細(xì)胞

2.1 TGF-β對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控

在軟骨細(xì)胞形成早期階段，相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Sox表達(dá)明顯增加，Sox可有效刺激軟骨細(xì)胞生成，增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)主要成分Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖沉積[13]。在Smad依賴(lài)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中，磷酸化R-Smad(Smad1、Smad5、Smad8)與Smad4復(fù)合物一起轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核并招募輔助因子和Runx2來(lái)調(diào)節(jié)成骨基因表達(dá)。I-Smad通過(guò)阻止R-Smad磷酸化、招募E3泛素連接酶(Smurf1)、促進(jìn)R-Smad或受體降解和抑制R-Smad/Co-Smad復(fù)合物核易位來(lái)負(fù)調(diào)控Smad信號(hào)。研究顯示，BMP可與高度親和的Ⅰ型受體結(jié)合，激活MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與骨修復(fù)過(guò)程[14-15]。隨著年齡增加，ALK5表達(dá)下降速度快于ALK1，從而使ALK1/ALK5比例上升，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞肥大[16]。研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨細(xì)胞中TGF-β2可減少膠原分解和軟骨分化[17]，其作用可能是通過(guò)增加前列腺素E2來(lái)實(shí)現(xiàn)[18]。然而，TGF-β還會(huì)抑制成骨細(xì)胞成熟、礦化和向骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變。隨著年齡增長(zhǎng)，TGF-β-ALK5-Smad2/3信號(hào)向TGF-ALK1-Smad1/5/8信號(hào)轉(zhuǎn)換可導(dǎo)致骨贅形成和骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病。在骨關(guān)節(jié)炎患者中，由于各種因素的作用，關(guān)節(jié)內(nèi)骨微環(huán)境遭到破壞，TGF-β可趨化間充質(zhì)干細(xì)胞向關(guān)節(jié)聚集，并促使其分化為骨樣小島，最終引起軟骨下鈣化加重，加速關(guān)節(jié)軟骨退變[19]。

2.2 TGF-β對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)

TGF-β對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)由具體情況決定，通常對(duì)于未分化和分化早期軟骨細(xì)胞，TGF-β對(duì)其分化起到誘導(dǎo)作用，使其快速分化成軟骨細(xì)胞，從而使得關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的量得到保證，以利于關(guān)節(jié)活動(dòng)。而對(duì)于分化終末期關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞，TGF-β對(duì)其分化起抑制作用，同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)某些降解酶抑制因子合成，維持軟骨細(xì)胞表型，以此來(lái)保證關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)定與功能[20]。關(guān)節(jié)軟骨晚期會(huì)出現(xiàn)明顯的細(xì)胞肥大和細(xì)胞外基質(zhì)重建。晚期出現(xiàn)的肥大標(biāo)志物有成骨轉(zhuǎn)錄因子Runx2、Ⅹ型膠原、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-13等。研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖生成與ALK5-Smad2/3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路密切相關(guān)，可對(duì)軟骨終末分化起到一定的抑制作用，維持關(guān)節(jié)軟骨正常狀態(tài)[21]。而ALK1介導(dǎo)的經(jīng)Smad1/5/8的BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路則可促進(jìn)軟骨細(xì)胞終末分化，使軟骨細(xì)胞肥大。BMP對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的作用主要為促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨新陳代謝，對(duì)老化關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞進(jìn)行降解，同時(shí)也會(huì)刺激軟骨生成，以維持軟骨最佳狀態(tài)[22]。

3 TGF-β對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的影響

軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)是關(guān)節(jié)軟骨主要組成成分[23]。正常情況下，細(xì)胞外基質(zhì)含量一直保持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這為關(guān)節(jié)提供了良好的工作環(huán)境。但研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎患者在早期階段就會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)丟失增加及骨吸收增強(qiáng)。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨持續(xù)處于磨損、壓力過(guò)大、代謝異常等情況下，機(jī)體自身修復(fù)不能代償軟骨破壞與損耗就會(huì)發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎。細(xì)胞外基質(zhì)降解與MMP-13密不可分，且在骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)中MMP-13明顯增加，這會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生巨大破壞。但在正常生理情況下，機(jī)體存在組織金屬蛋白酶抑制劑，其可有效預(yù)防細(xì)胞外基質(zhì)降解，從而保證關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)定性。TGF-β可增強(qiáng)軟骨基質(zhì)合成代謝能力，調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)降解[24]。在骨關(guān)節(jié)炎早期，TGF-β升高在一定程度上可加快關(guān)節(jié)軟骨新陳代謝，以此來(lái)保護(hù)關(guān)節(jié)，如果關(guān)節(jié)軟骨長(zhǎng)期處于高磨損狀態(tài)，且微環(huán)境受到破壞，會(huì)加速骨關(guān)節(jié)炎形成[25]。

4 調(diào)節(jié)TGF-β配體與TβR

在細(xì)胞各個(gè)層級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，機(jī)體通過(guò)調(diào)節(jié)TGF-β配體合成及TβR與TGF-β配體結(jié)合等來(lái)調(diào)控TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[16]。TβRⅢ本身并不具備信息轉(zhuǎn)導(dǎo)能力，其通過(guò)輔助TGF-β配體與TβR結(jié)合，增強(qiáng)TβR與TGF-β配體結(jié)合的能力來(lái)達(dá)到增強(qiáng)TGF-β信號(hào)的作用[26]。游離型TβRⅢ與TGF-β出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，導(dǎo)致部分TGF-β不能向下傳遞信號(hào)，最終減弱TGF-β生物效應(yīng)[27]。此外，一些膜受體結(jié)合蛋白如TGF-β受體相互作用蛋白(TRIP)-1、FK506結(jié)合蛋白(FKBP)12、腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白(TRAP)-1、SARA蛋白等也參與TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控[28]。在關(guān)節(jié)軟骨形成過(guò)程中，TβRⅡ會(huì)抑制關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞肥大和終末分化[29]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠軟骨細(xì)胞中TβRⅡ后，關(guān)節(jié)軟骨組織內(nèi) Runx2、MMP-13表達(dá)上調(diào)，小鼠逐漸出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎反應(yīng)，表明TβRⅡ?qū)τ陉P(guān)節(jié)軟骨具有一定的保護(hù)作用[30]。

5 TGF-β與核內(nèi)蛋白相互作用

在TGF-β進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，需繼續(xù)向細(xì)胞核內(nèi)傳遞信息，此時(shí)就會(huì)與R-Smad蛋白結(jié)合，并與Co-Smad蛋白形成聚體復(fù)合物進(jìn)入核內(nèi)，轉(zhuǎn)入核內(nèi)的復(fù)合物再與已和DNA結(jié)合的輔助因子(抑制子或激活子)結(jié)合，最終決定靶基因轉(zhuǎn)錄活性[31]。其中抑制子有鋅指增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(ZEB)、Evi-1蛋白、Ski/SnoN蛋白、Smad核內(nèi)相關(guān)蛋白(SNIP)1等，激活子有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)3、轉(zhuǎn)錄因子E3(TFE3)等，這些蛋白幾乎都通過(guò)直接或間接與Smad蛋白結(jié)合，影響復(fù)合物或DNA結(jié)合位點(diǎn)，發(fā)揮生物學(xué)作用[32]。I-Smad蛋白可抑制R-Smad蛋白與TGF-β結(jié)合，從而對(duì)軟骨產(chǎn)生調(diào)控。

6 TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)骨關(guān)節(jié)炎炎癥的調(diào)控

大多數(shù)中晚期骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)中都會(huì)有一定的滑膜炎或滑膜纖維化，這些病理變化與TGF-β也有一定的關(guān)系。在一些骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)中成纖維樣滑膜細(xì)胞的量較正常人較高[33]。研究表明，在骨關(guān)節(jié)炎病變過(guò)程中，免疫系統(tǒng)及滑膜炎癥對(duì)于疾病進(jìn)展有重要作用[34]。關(guān)節(jié)滑膜炎癥會(huì)直接引起患者關(guān)節(jié)疼痛。研究發(fā)現(xiàn)，將TGF-β注射到小鼠關(guān)節(jié)內(nèi)，與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠很快出現(xiàn)關(guān)節(jié)腫痛；經(jīng)觀察實(shí)驗(yàn)組小鼠關(guān)節(jié)內(nèi)不久就會(huì)出現(xiàn)炎性細(xì)胞與免疫細(xì)胞，并會(huì)有單核巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)[35]；短期內(nèi)大量白細(xì)胞聚集及炎性因子含量上升，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷關(guān)節(jié)尤其是軟骨[36]。有學(xué)者阻斷骨關(guān)節(jié)炎動(dòng)物模型TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，結(jié)果這些關(guān)節(jié)炎性反應(yīng)明顯減輕[37]。

7 結(jié)語(yǔ)

TGF-β及其受體在滑膜、骨、軟骨中都有分布，但TGF-β對(duì)骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)與正常關(guān)節(jié)所起到的作用不同[38]。在正常關(guān)節(jié)中，TGF-β會(huì)促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖并抑制軟骨細(xì)胞肥大與成熟，對(duì)關(guān)節(jié)有良好的保護(hù)作用。但骨關(guān)節(jié)炎患者中，TGF-β促使Runx2、MMP-13生成，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退化，且TGF-β誘導(dǎo)軟骨下骨成骨，促進(jìn)骨細(xì)胞成熟。在骨關(guān)節(jié)炎中后期，TGF-β對(duì)軟骨下骨進(jìn)行重塑，其與骨硬化、骨贅形成有關(guān)。TGF-β還可通過(guò)誘發(fā)滑膜細(xì)胞產(chǎn)生炎癥因子，這進(jìn)一步導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退變。TGF-β和BMP信號(hào)在胚胎骨骼發(fā)育和出生后骨穩(wěn)態(tài)中都有重要作用。TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路由多個(gè)因素控制，包括泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、表觀遺傳因素和微RNA。

TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨維持與穩(wěn)態(tài)息息相關(guān)，是治療骨關(guān)節(jié)炎的潛在靶點(diǎn)，深入研究TGF-β與軟骨、滑膜、炎癥因子之間的關(guān)系可為將來(lái)治療骨關(guān)節(jié)炎提供新的思路與方法。