劉 帥，白倫浩

（中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽 110004）

骨性關節(jié)炎（osteoarthritis,OA）是一種退行性關節(jié)疾病，以進行性軟骨退變?yōu)橹?，伴隨滑膜炎癥、骨贅形成和軟骨下骨硬化為特征。影響著全球超過2.5億的人口，除了緩解疼痛外，目前還沒有有效的藥物可以阻止疾病的進展［1，2-4］。軟骨細胞是關節(jié)軟骨中唯一的細胞類型，是關節(jié)軟骨細胞外基質合成的唯一來源。隨著OA的發(fā)生，軟骨細胞在增殖、分化和代謝方面發(fā)生了重大變化。軟骨細胞的肥大、凋亡進而軟骨內骨化最終導致OA［2，3］。雖然OA病理改變過程中的分子機制尚未完全明確，但通過大量實驗表明，轉化生長因子-β（transforming growth factor β,TGF-β）超家族在其中扮演著極其重要的角色［4］。

TGF-β超家族是一類細胞因子，進化過程中高度保守，在所有多細胞生物體中都有發(fā)現(xiàn)，在許多組織和器官中都有所表達。生理條件下，動態(tài)調節(jié)著細胞生長、遷移、細胞外基質重塑及免疫功能等［5］。但在病理條件下，過度表達的轉化生長因子β超家族成員通過促進細胞的異常增殖、分化及炎癥反應，推動疾病的進展［6］。其在OA發(fā)生過程中所扮演的角色，亦是如此［4］。

分泌磷蛋白24（secreted phosphoprotein 24kD,Spp24）是最早在骨基質中分離的一種蛋白質，主要產生于肝臟，在骨細胞及軟骨細胞中亦有所表達。主要在骨生長和骨轉換中起著重要作用，但其全部功能尚未明確。由于其與TGF-β超家族成員的高親和性，使得Spp24可以參與到眾多組織及器官的生理病理活動［7］。本文就TGF-β超家族在骨性關節(jié)炎軟骨細胞退變中的角色及Spp24的潛在作用做一綜述。

1 TGF-β超家族配體

在分泌的生長因子和細胞因子中，TGF-β超家族因其在細胞水平和發(fā)育過程中的多種功能以及在包括癌癥在內的多種疾病中的作用而備受關注。人類基因組中有33個編碼TGF-β超家族多肽的功能基因。大致可分為TGF-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）、activin and inhibin、nodal、生長分化因子（growth and differentiation factor,GDF）、抗苗勒管激素（anti-Mullerian hormone,AMH）等亞家族［8］。通常以同源或者異源二聚體的結構存在，二硫鍵為其主要連接形式。與其他生長因子相比，TGF-β超家族蛋白刺激細胞增殖的方式比較溫和，并且取決于細胞類型和環(huán)境。但不同的是，TGF-βs強烈抑制多種細胞類型的增殖，包括上皮細胞、內皮細胞、造血細胞和免疫細胞［9］。TGF-β超家族蛋白最突出的功能是對細胞分化的影響，因為它們在發(fā)育的各個階段控制所有細胞系的分化。除了細胞增殖和分化，它們還發(fā)揮許多額外的細胞功能，包括促進或保護細胞死亡，促進細胞外基質（extracellular matrix,ECM）蛋白的表達，促進細胞的運動和侵襲，并控制細胞的新陳代謝。然而，盡管有豐富的信息，但大多數(shù)TGF-β超家族成員的表達和生理功能仍然不清楚，主要注意力都集中在少數(shù)TGF-β超家族蛋白上。最受關注的是TGF-βs和BMPs，其失調節(jié)或基因突變與多種人類疾病有因果關系，包括癌癥、骨骼、肌肉、心血管和自身免疫性疾?。?，10］。

2 TGF-β超家族受體

TGF-β超家族成員通過與靶細胞表面的雙特異性激酶受體結合來傳遞信號。雖然該受體家族通常被稱為絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，但卻具有絲氨酸/蘇氨酸激酶和酪氨酸激酶相似的結構特征；實際上是雙特異性激酶［11］。這個家族成員在哺乳動物中非常少，只有12個成員，其中Ⅰ型受體有7個，分別為活化素受體樣激酶（activin receptor-like kinase,ALK）1-7；Ⅱ型受體有5個，分別為TβRⅡ、ActRⅡ、ActRⅡB、BMPⅡ和AMHRⅡ。2個相同類型的Ⅰ型受體與2個相同類型的Ⅱ型受體組成四聚體跨膜蛋白復合物，每個二聚體TGF-β超家族配體選擇性結合各自的Ⅱ型受體，相互作用后進而磷酸化Ⅰ型受體。后者隨后磷酸化細胞質效應器來啟動細胞內的信號級聯(lián)反應，如R-Smad依賴性信號通路和非R-smad依賴性信號通路。導致細胞外信號穿過質膜進入胞漿，最終到達細胞核，調節(jié)TGF-β超家族蛋白介導的基因轉錄［12］。

3 TGF-β超家族受體的效應因子

Ⅰ型受體的激活導致信號通過至少兩條看似獨立的途徑傳播：R-Smad依賴性途徑和非R-Smad依賴性途徑。R-Smad依賴性信號通路被認為是TGF-β超家族成員特有的、規(guī)范的信號通路。Smad蛋白根據(jù)其結構和功能，可分為3種類型，受體調節(jié)型Smad （R-Smads） ： Smad1、 Smad2、 Smad3、Smad5、Smad8；通用型 Smad（Co-Smad）：Smad4；抑制型 Smad （I-Smads）：Smad6、Smad7［13］。RSmads根據(jù)結構和功能同源性可以分為兩組：一組由Smad1、Smad5和 Smad8組成，受 ALK1、ALK2、ALK3、ALK6磷酸化；另一組包含Smad2和Smad3，受ALK4、ALK5、ALK7磷酸化。這種磷酸化促進了2個R-Smads與1個Smad4結合形成復合物，然后轉運到細胞核，與轉錄因子和輔助調節(jié)因子協(xié)同激活或抑制靶基因。而I-Smad分別通過阻止R-Smads的磷酸化、抑制R-Smads和Smad4復合物的形成及R-Smads與DNA的親和發(fā)揮作用。特定地，Smad6主要抑制Smad1、5、8信號傳導，Smad7主要抑制Smad2、3信號傳導，這兩個I-Smad都為細胞提供了一個重要的負反饋機制來滅活R-Smad信號通路［14］。

TGF-β超家族成員也可激活非R-Smad依賴性信號通路，以加強、減弱或以其他方式調節(jié)下游細胞反應。例如通過絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）途徑傳遞信號，激活轉化生長因子β活化激酶1（transforming growth factorβ activated kinase-1,TAK1）或細胞外信號調節(jié)激酶1和2（ERK1、2）［15］。值得注意的是，這些信號通路并不是TGF-β超家族所特有的，它們也是許多其他生長因子和細胞因子的重要信號介質。

4 TGF-β超家族與OA

OA是一種以軟骨退變?yōu)橹鞯倪M行性疾病，而軟骨細胞作為關節(jié)軟骨中的唯一常駐細胞類型，其穩(wěn)態(tài)的維持與否，直接影響到OA的進展。TGF-β超家族在關節(jié)軟骨發(fā)育、生長、維持和修復過程中都扮演著重要的角色。但由于各亞家族磷酸化不同的RSmads蛋白，使得身處兩大陣營的TGF-β、Activin、Nodal和BMP、GDF、AMH亞家族誘導軟骨細胞做出方向不同的細胞反應［16］?，F(xiàn)如今研究最深入也是最具代表性的為TGF-βs和BMPs兩大亞家族。

4.1 TGF-βs與 OA

TGF-βs是以非活性前體蛋白的形式被軟骨細胞合成并分泌，在細胞外與轉化生長因子β結合蛋白非共價結合并潛伏于細胞外基質，因此活化是TGF-βs信號轉導的關鍵步驟。壓縮負荷產生的機械力是活化軟骨細胞外基質TGF-βs前體蛋白的重要生理激活劑。而活化后的TGF-βs既可以通過磷酸化ALK5受體激活R-Smad2、3信號通路，也可以通過磷酸化ALK1受體，激活R-Smad1、5、8信號通路，來調節(jié)不同的靶基因，而二者的結局在軟骨細胞中往往是相互對抗的［17］。優(yōu)勢通路的選擇，主要取決于配體的活化程度和不同受體間的表達水平。

在健康的滑膜關節(jié)或者是OA前期，機械力和因創(chuàng)傷而導致的軟骨組織輕微損傷，激活了部分TGF-βs，而低濃度的TGF-βs主要以激活ALK5受體為主［18］，進而導致 R-Smad2、3蛋白的匯聚及磷酸化，通過調控靶基因，增加Ⅱ型膠原、蛋白多糖、SOX9的表達，抵消細胞外基質的分解代謝，維持軟骨細胞表型；降低RUX2介導的基質金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinase 13,MMP-13）、解聚蛋白樣金屬蛋白酶5（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 5,ADAMTS5）的表達及Ⅹ型膠原的合成，抑制軟骨細胞肥大，阻止其終末分化，降低對細胞外基質的降解，另外還可以引導間充質干細胞聚集，誘導其向軟骨細胞增殖、分化。通過修復軟骨組織，維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)，負反饋阻止OA的進程。Smad3、ALK5或TβRⅡ型受體在小鼠中的軟骨細胞特異性丟失都會導致早期OA的發(fā)生［19］。不反復加載負荷的截癱患者比OA患者喪失軟骨的速度更快［20］。為了保持軟骨健康，活化TGF-βs和維持有規(guī)律的負荷是保持關節(jié)軟骨活力所必需的。

隨著OA的進展，細胞外基質進一步降解及TGF-βs表達增加，軟骨細胞暴露在過度活化的TGF-βs中，又隨著年齡的增長，ALK1、ALK5的相對含量有所改變，ALK1/ALK5的比值上升［21］，Smad1、5、8通路將優(yōu)先被激活［22］，使得結局朝向了相反的方向發(fā)展，軟骨細胞肥大、終末分化、凋亡、軟骨內骨化、周圍骨贅形成，MMP-13加速著細胞外基質的降解，Ⅹ型膠原取代了Ⅱ型膠原，合成代謝的速度落后于分解代謝，TGF-βs在OA軟骨細胞中的作用發(fā)生變化，由抑制疾病向促進疾病發(fā)展，負反饋調節(jié)向正反饋調節(jié)轉變，OA的發(fā)展進入不可逆期，且逐漸走向終末期。

4.2BMPs與OA

除了TGF-β亞家族外，BMP亞家族在成骨和軟骨形成中表現(xiàn)出強有力的作用。多種BMP信號通路中的關鍵因子，包括BMP-2、4，R-Smad1、5、8，以及兩種BMP拮抗劑Noggin和Gremlin1，在關節(jié)軟骨中都有明顯的表達［23］，軟骨細胞同樣表達BMPⅠ型受體ALK1、2、3、6以及Ⅱ型受體BMPRⅡ、ActRⅡ和ActRⅡB［24］。因此，BMPs也是OA發(fā)病機制中的關鍵調節(jié)因子，但BMPs不以前體的形式潛伏于細胞外基質中。與TGF-βs相似，BMP-2也促進蛋白多糖的合成，這對維持軟骨的完整性是積極的。此外，BMP-2和TGF-β1在缺氧條件下聯(lián)合使用在誘導人骨髓間充質干細胞成軟骨方面有很強的協(xié)同作用［25］。然而，BMP-2在嚴重損傷的軟骨中表達增加，加劇了骨贅的形成，盡管骨贅生長的部位大多靠近生長板。盡管與TGF-βs不同的是，BMP-2可以通過R-Smad1、5誘導生長板軟骨細胞向終末分化，進而軟骨內骨化，但BMP-2過表達不會導致健康或骨關節(jié)炎小鼠關節(jié)軟骨的結構改變，而在實驗性OA模型中它會導致嚴重的骨贅形成［26］。這表明在出生后階段BMP-2的高表達可能對關節(jié)內軟骨細胞沒有明顯的有害影響，關節(jié)軟骨與骨膜等骨贅形成組織相比，對BMP2信號不是很敏感。實驗證明［27］，BMPs被認為對包括關節(jié)軟骨和半月板在內的關節(jié)組織的正常發(fā)育和維持至關重要，而關節(jié)軟骨和半月板是預防OA發(fā)病的關鍵?？傊?，對TGF-β超家族，特別是TGF-β或BMP亞家族有更深入的了解將有助于更好地了解OA的發(fā)生和發(fā)展，并將為如何區(qū)分TGF-β家族成員的有利和有害影響提供線索。

5 Spp24在OA中的潛在作用

Spp24是一種骨基質蛋白，它似乎主要來源于肝臟，并以保護性復合體的形式輸送到其他組織，但在骨細胞、軟骨細胞中亦可少量表達［28］。該基因位點（Spp2）與骨密度和骨質量相關的遺傳學研究表明，Spp2基因在骨生長和骨轉換中起著重要作用。因其具有一個與TGF-βⅡ型受體序列相似的亞結構域TRH-1（TGF-β receptor II Homology-1 domain），使得其可以與TGF-β超家族配體結合，并影響RSmad 依賴性信號通路傳導［7］。Brochmann 等［29］通過實驗證明，通過與BMP-2結合，可以抑制其在異位成骨中的作用；Sintuu等［30］在重組BMP-2誘導大鼠脊柱融合的實驗中，Spp24表現(xiàn)出完全的骨生長抑制；Tian等［31］證實了Spp24同樣可以與TGF-βs結合，下調其活性。另一方面，除了對成骨的影響，還可以抑制炎癥反應和依賴于BMP自分泌系統(tǒng)的腫瘤［32］。Tian 等［33］在 BMP 促進兔脊柱融合的實驗中，Spp24降低了神經根炎性因子的表達；Lee［34］、Li［35］、Lao［36］等分別通過不同的動物模型，證實了Spp24分別在肺癌、胰腺癌、肝癌中的抑制作用。

2005年，Meng等［37］使用微陣列研究檢測大鼠顳下頜關節(jié)實驗性骨關節(jié)炎模型的基因表達中發(fā)現(xiàn)，Spp24的表達增加最多，與正常相比，早期OA增加了19倍，晚期OA增加了32倍。2014年，Balakrishnan等［38］人使用色譜分離和高分辨率質譜檢測OA患者的關節(jié)液，鑒定出677種蛋白質，其中一種是Spp24。可以預見的是，Spp24的表達水平升高與骨關節(jié)炎相關。結合TGF-β超家族成員在生理和病理狀態(tài)下，對軟骨細胞發(fā)揮著不同的作用，Spp24是否作為一種負反饋機制，阻止疾病的進展，尚未有文獻報道。另有文獻報道，Spp24似乎同時具有生長因子結合特性和細胞因子受體激活特性［39］。目前對于Spp24蛋白作用的研究，仍需不斷深入。

6 小結和展望

TGF-β超家族對軟骨細胞的穩(wěn)態(tài)或退變中都起著關鍵作用。TGF-β信號通路的激活對OA有很好的治療前景。但是，TGF-β信號的過度激活可能參與了OA退變的進展。因此，迫切需要闡明TGF-β信號在OA不同病理生理階段中的作用變化、具體的分子機制及Spp24在其中起到的作用原理。只有全面、清晰的解決了這一關鍵問題，TGF-β超家族和Spp24才能安全、有效的作為OA的治療靶點。