張晉寧 楊天翔 張博文 程萌旗 陳德勝

我國已步入人口老齡化階段，骨關節(jié)炎患者逐年增加，但目前對于骨關節(jié)炎發(fā)病機制研究仍處于探索階段。近年研究顯示，轉化生長因子(TGF)-β信號轉導通路在骨關節(jié)炎發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β對軟骨早期形成、細胞外基質產(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在骨關節(jié)炎病變中的相關作用進行綜述。

1 TGF-β信號轉導通路組成和功能

TGF-β超家族是具有30多個成員的因子家族，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超家族成員轉導的信號通路通過影響細胞增殖、分化和遷移來調(diào)節(jié)組織生長與發(fā)育[3]。TGF-β超家族成員通過異質受體復合物發(fā)揮作用，該復合物由細胞表面的Ⅰ型和Ⅱ型受體組成，通過Smad復合物或絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)傳遞細胞內(nèi)信號。TGF-β和BMP在成骨過程中具有不同的功能，包括間充質凝結、骨架形態(tài)發(fā)生、生長板發(fā)育和成骨細胞分化等[4]。 TGF-β和BMP信號轉導通路相關人類基因突變可導致遺傳發(fā)育性骨疾病發(fā)生。

1.1 TGF-β

人類TGF-β主要有3種結構類似的亞型，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，相關基因先形成前體TGF-β，隨后進入高爾基體進一步加工修飾，最終生成成熟TGF-β[6]。一般情況下TGF-β活性受抑制，當機體出現(xiàn)離子強度變化及活性氧化物質(ROS)、整合素等物質形成，TGF-β信號分子激活并釋放。此時，TGF-β被細胞膜表面相關受體識別并與之結合，將細胞外信號傳導至細胞內(nèi)，從而調(diào)控機體活動。

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。TβRⅢ主要由蛋白多聚糖構成，沒有激酶活性，但可以增強TβRⅠ和TβRⅡ親和力，輔助信號轉導。TβRⅠ又稱激活素受體樣酶(ALK)，有7種形式，分別為ALK1～7。在TGF-β信號轉導通路中，TGF-β活化后先與由2個TβRⅠ和2個TβRⅡ組成的四聚體復合物結合。TβRⅡ具有持續(xù)激酶活性，可將TβRⅠ(ALK1、ALK5)磷酸化。此時ALK1、ALK5被激活并在細胞膜表面網(wǎng)絡蛋白幫助下進入細胞質[7]。進入細胞質的受體復合物在ALK1或ALK5幫助下與Smad蛋白相結合，繼續(xù)向細胞核內(nèi)傳遞信息。由ALK傳導的信號轉導通路主要有2條，即ALK5-Smad2/3傳導的TGF-β信號轉導通路和ALK1-Smad1/5/8傳導的BMP信號轉導通路。機體根據(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)，以此來保證關節(jié)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。同時TGF-β誘導骨髓間充質干細胞(BMSC)向軟骨細胞分化需ALK5和ALK1，TGF-β不僅直接誘導軟骨形成，而且調(diào)節(jié)BMSC中的ALK5和ALK1受體信號傳導[8]。

1.3 Smad蛋白

當TGF-β信號傳入細胞質后，若想繼續(xù)向細胞核傳遞需Smad蛋白。根據(jù)Smad蛋白功能可將Smad蛋白分為3類：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受體結合，以此產(chǎn)生不同作用，從而調(diào)控細胞生理活動。ALK5與R-Smad蛋白中的Smad2、Smad3結合。ALK1則與Smad1、Smad5、Smad8結合。最終它們都會與Co-Smad蛋白結合，在2種Smad蛋白的共同幫助下將信號傳導到細胞核內(nèi)。隨后，細胞核內(nèi)的相關DNA序列及調(diào)控蛋白會與Smad蛋白N端和C端的結構域相結合，最終激活不同基因組，以此來調(diào)控細胞在體內(nèi)不同情況下的生長發(fā)育[10]。I-Smads則會阻礙R-Smad蛋白與Co-Smad蛋白或受體相結合，從而負向調(diào)控TGF-β信號轉導通路的傳導與表達。miR-455-3p可促進軟骨細胞中的TGF-β/Smad信號，通過直接抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PAK)2來抑制軟骨退化。這些結果表明，miR-455-3p和PAK2分別是治療骨關節(jié)炎的新穎潛在治療劑和靶點[11]。BMSC轉變?yōu)檐浌羌毎倪^程中Smad3較Smad4更為重要[12]，Smad3敲低和過表達都會對軟骨形成起到抑制作用，而Smad4敲低則會完全阻止軟骨形成，且軟骨誘導似乎依賴于Smad3與Smad4的微妙平衡[6]。TGF-β誘導Smad3和Smad1/5/9蛋白水平取決于輔助因子Smad4水平。

2 TGF-β與軟骨細胞

2.1 TGF-β對軟骨細胞生長的調(diào)控

在軟骨細胞形成早期階段，相關轉錄因子Sox表達明顯增加，Sox可有效刺激軟骨細胞生成，增強細胞外基質主要成分Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖沉積[13]。在Smad依賴的信號轉導中，磷酸化R-Smad(Smad1、Smad5、Smad8)與Smad4復合物一起轉運到細胞核并招募輔助因子和Runx2來調(diào)節(jié)成骨基因表達。I-Smad通過阻止R-Smad磷酸化、招募E3泛素連接酶(Smurf1)、促進R-Smad或受體降解和抑制R-Smad/Co-Smad復合物核易位來負調(diào)控Smad信號。研究顯示，BMP可與高度親和的Ⅰ型受體結合，激活MAPK信號轉導通路，參與骨修復過程[14-15]。隨著年齡增加，ALK5表達下降速度快于ALK1，從而使ALK1/ALK5比例上升，導致軟骨細胞肥大[16]。研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的骨關節(jié)炎患者軟骨細胞中TGF-β2可減少膠原分解和軟骨分化[17]，其作用可能是通過增加前列腺素E2來實現(xiàn)[18]。然而，TGF-β還會抑制成骨細胞成熟、礦化和向骨細胞轉變。隨著年齡增長，TGF-β-ALK5-Smad2/3信號向TGF-ALK1-Smad1/5/8信號轉換可導致骨贅形成和骨關節(jié)炎發(fā)病。在骨關節(jié)炎患者中，由于各種因素的作用，關節(jié)內(nèi)骨微環(huán)境遭到破壞，TGF-β可趨化間充質干細胞向關節(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，加速關節(jié)軟骨退變[19]。

2.2 TGF-β對關節(jié)軟骨細胞分化的調(diào)節(jié)

TGF-β對關節(jié)軟骨細胞分化的調(diào)節(jié)由具體情況決定，通常對于未分化和分化早期軟骨細胞，TGF-β對其分化起到誘導作用，使其快速分化成軟骨細胞，從而使得關節(jié)軟骨細胞外基質的量得到保證，以利于關節(jié)活動。而對于分化終末期關節(jié)軟骨細胞，TGF-β對其分化起抑制作用，同時會誘導某些降解酶抑制因子合成，維持軟骨細胞表型，以此來保證關節(jié)軟骨穩(wěn)定與功能[20]。關節(jié)軟骨晚期會出現(xiàn)明顯的細胞肥大和細胞外基質重建。晚期出現(xiàn)的肥大標志物有成骨轉錄因子Runx2、Ⅹ型膠原、基質金屬蛋白酶(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信號轉導通路密切相關，可對軟骨終末分化起到一定的抑制作用，維持關節(jié)軟骨正常狀態(tài)[21]。而ALK1介導的經(jīng)Smad1/5/8的BMP信號轉導通路則可促進軟骨細胞終末分化，使軟骨細胞肥大。BMP對關節(jié)軟骨的作用主要為促進關節(jié)軟骨新陳代謝，對老化關節(jié)軟骨細胞進行降解，同時也會刺激軟骨生成，以維持軟骨最佳狀態(tài)[22]。

3 TGF-β對細胞外基質的影響

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

4 調(diào)節(jié)TGF-β配體與TβR

在細胞各個層級的信號轉導過程中，機體通過調(diào)節(jié)TGF-β配體合成及TβR與TGF-β配體結合等來調(diào)控TGF-β信號轉導通路[16]。TβRⅢ本身并不具備信息轉導能力，其通過輔助TGF-β配體與TβR結合，增強TβR與TGF-β配體結合的能力來達到增強TGF-β信號的作用[26]。游離型TβRⅢ與TGF-β出現(xiàn)競爭性抑制，導致部分TGF-β不能向下傳遞信號，最終減弱TGF-β生物效應[27]。此外，一些膜受體結合蛋白如TGF-β受體相互作用蛋白(TRIP)-1、FK506結合蛋白(FKBP)12、腫瘤壞死因子受體相關蛋白(TRAP)-1、SARA蛋白等也參與TGF-β信號轉導通路的調(diào)控[28]。在關節(jié)軟骨形成過程中，TβRⅡ會抑制關節(jié)軟骨細胞肥大和終末分化[29]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠軟骨細胞中TβRⅡ后，關節(jié)軟骨組織內(nèi) Runx2、MMP-13表達上調(diào)，小鼠逐漸出現(xiàn)骨關節(jié)炎反應，表明TβRⅡ對于關節(jié)軟骨具有一定的保護作用[30]。

5 TGF-β與核內(nèi)蛋白相互作用

在TGF-β進入細胞質后，需繼續(xù)向細胞核內(nèi)傳遞信息，此時就會與R-Smad蛋白結合，并與Co-Smad蛋白形成聚體復合物進入核內(nèi)，轉入核內(nèi)的復合物再與已和DNA結合的輔助因子(抑制子或激活子)結合，最終決定靶基因轉錄活性[31]。其中抑制子有鋅指增強子結合蛋白(ZEB)、Evi-1蛋白、Ski/SnoN蛋白、Smad核內(nèi)相關蛋白(SNIP)1等，激活子有信號轉導與轉錄激活因子(STAT)3、轉錄因子E3(TFE3)等，這些蛋白幾乎都通過直接或間接與Smad蛋白結合，影響復合物或DNA結合位點，發(fā)揮生物學作用[32]。I-Smad蛋白可抑制R-Smad蛋白與TGF-β結合，從而對軟骨產(chǎn)生調(diào)控。

6 TGF-β信號轉導通路對骨關節(jié)炎炎癥的調(diào)控

大多數(shù)中晚期骨關節(jié)炎患者關節(jié)中都會有一定的滑膜炎或滑膜纖維化，這些病理變化與TGF-β也有一定的關系。在一些骨關節(jié)炎患者關節(jié)中成纖維樣滑膜細胞的量較正常人較高[33]。研究表明，在骨關節(jié)炎病變過程中，免疫系統(tǒng)及滑膜炎癥對于疾病進展有重要作用[34]。關節(jié)滑膜炎癥會直接引起患者關節(jié)疼痛。研究發(fā)現(xiàn)，將TGF-β注射到小鼠關節(jié)內(nèi)，與對照組相比，實驗組小鼠很快出現(xiàn)關節(jié)腫痛；經(jīng)觀察實驗組小鼠關節(jié)內(nèi)不久就會出現(xiàn)炎性細胞與免疫細胞，并會有單核巨噬細胞浸潤[35]；短期內(nèi)大量白細胞聚集及炎性因子含量上升，會嚴重損傷關節(jié)尤其是軟骨[36]。有學者阻斷骨關節(jié)炎動物模型TGF-β信號轉導通路，結果這些關節(jié)炎性反應明顯減輕[37]。

7 結語

TGF-β及其受體在滑膜、骨、軟骨中都有分布，但TGF-β對骨關節(jié)炎患者關節(jié)與正常關節(jié)所起到的作用不同[38]。在正常關節(jié)中，TGF-β會促進軟骨細胞增殖并抑制軟骨細胞肥大與成熟，對關節(jié)有良好的保護作用。但骨關節(jié)炎患者中，TGF-β促使Runx2、MMP-13生成，導致關節(jié)軟骨退化，且TGF-β誘導軟骨下骨成骨，促進骨細胞成熟。在骨關節(jié)炎中后期，TGF-β對軟骨下骨進行重塑，其與骨硬化、骨贅形成有關。TGF-β還可通過誘發(fā)滑膜細胞產(chǎn)生炎癥因子，這進一步導致關節(jié)軟骨退變。TGF-β和BMP信號在胚胎骨骼發(fā)育和出生后骨穩(wěn)態(tài)中都有重要作用。TGF-β信號轉導通路和BMP信號轉導通路由多個因素控制，包括泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、表觀遺傳因素和微RNA。

TGF-β信號轉導通路對于關節(jié)軟骨維持與穩(wěn)態(tài)息息相關，是治療骨關節(jié)炎的潛在靶點，深入研究TGF-β與軟骨、滑膜、炎癥因子之間的關系可為將來治療骨關節(jié)炎提供新的思路與方法。