丝裂原活化蛋白激酶信号通路在骨关节炎发生中作用机制的研究进展①

李盛村，王国祥

丝裂原活化蛋白激酶信号通路在骨关节炎发生中作用机制的研究进展①

李盛村，王国祥

骨关节炎是发生在老年人群和运动员中的常见疾病。丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)是应力敏感分子，在骨关节炎发生和发展过程中具有重要作用，与软骨细胞凋亡和软骨细胞外基质降解存在密切联系。本文综述近年来骨关节炎和MAPKs家族蛋白相关的研究。

丝裂原活化蛋白激酶；骨关节炎；应力；综述

[本文著录格式]李盛村，王国祥.丝裂原活化蛋白激酶信号通路在骨关节炎发生中作用机制的研究进展[J].中国康复理论与实践,2015,21(3):292-295.

CITED AS:Li SC,Wang GX.Role of mitogen-activated protein kinases signaling pathway in development of osteoarthritis(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(3):292-295.

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是以慢性进行性软骨退变、骨质增生和软骨下骨硬化等为特点的关节疾病，老龄和过度应力是骨关节炎的主要致病因素，常见于过度训练运动员和老年人群中。X线检查发现，约37%的美国人口有骨关节炎样表现[1]，严重影响这些人群的生活质量。然而骨关节炎发生和发展的分子生物学机制仍不清楚，有待继续深入研究。日常活动和运动训练产生的机械应力刺激对骨关节炎发生和发展有重要影响，而丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)家族蛋白又是重要的应力响应信号分子，MAPKs与骨关节炎的相关研究正成为运动医学和临床医学共同关注的热点内容。

1 MAPKs信号通路及其生物学作用

MAPKs是重要的细胞信号转导系统，主要包括3种蛋白：细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinases, ERKs)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)[2]。MAPKs家族蛋白有一定程度相似的结构和功能基础，也有特异性细胞生物学效益，从细胞表面到细胞核，参与多种细胞生理活动，包括调控细胞分化、增殖和细胞凋亡[3]。MAPKs信号转导通路在细胞内具有高度的生物进化保守性，通过经典的三级酶促级联磷酸化过程(MAPKKK-MAPKK-MAPK)实现磷酸化，产生生物效益[4]。

p38MAPK在软骨细胞中的作用是目前研究的焦点。当软骨细胞受到力学刺激后，p38MAPK磷酸化，引起下游靶基因特异性表达增加，产生不同的细胞生物学反应[5]。兔膝关节软骨细胞加载周期性张应力，与低应力产生效果相反，高应力促进p38MAPK磷酸化产物增多，同时下游产物基质金属蛋白酶-13(matrix metalloproteinase,MMP-13)的活化和表达随之增多，而MMP-13过度表达又可以通过正反馈促进MAPK的级联磷酸化过程，进一步激活p38MAPK，最终导致基质降解与软骨细胞凋亡[6]。

ERKs能够被分裂素和生长因子激活，而JNK和p38MAPK被免疫因子肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白细胞介素(interleukin,IL)-1激活。此外，细胞间压力(热应力或者渗透压)改变、氧化代谢产物和紫外线照射均能激活和诱导JNK和p38MAPK活性[7-9]。由此可知，在细胞中，诸如炎症因子和理化因素增多，及过度应力等不利于细胞生存的环境会促进MAPKs家族不同蛋白成员含量和活性的改变，引发不同的生物学效益；反之，抑制MAPSs家族相关上下游通路可能

会为关节修复带来新的希望[10]。

2 应力调节MAPK通路与骨关节炎发生

2.1 MAPKs介导应力信号转导通路

关节承载身体重量，辅助完成各种肢体动作，缓冲多种形式的应力，而应力是引发和促进关节炎的重要因素。应力对关节中各种组织(软骨、滑膜和软骨下骨)的影响除了物理作用外，还包括引起组织中特异性基因表达的改变[11]。应力引起的分子和细胞水平的改变，是通过力学信号转导通路实现的。随着分子生物学和细胞生物学技术的发展，多条力学信号响应通路被证实和发现[12]。

应力引起软骨细胞骨架的重排以及细胞外基质的理化环境调整，激发力学作用局部组织p38MAPK或JNK活性增加；这些信号分子可以与细胞膜上整合素β结合，实现应力信号由细胞外传递至细胞内，最终引起靶向转录因子表达[13]。机械牵张力对人类静脉作用后可以激活p38MAPK，并且与细胞凋亡有关[14]。在软骨细胞中，过度应力刺激导致软骨病理性改变[15]，产生大量诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)，形成一个由p38MAPK、核转录因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)、环氧酶-2和前列腺素E2等多种因子参与的组织分解代谢恶性循环过程，最终破坏纤维软骨和透明软骨组织[16-17]。

研究人员采用力学方式制造骨关节炎模型，发现机械损伤后，软骨及周围组织MAPKs活性增加，而p38或者ERK途径抑制剂能够显著减少损伤相关的软骨细胞死亡和蛋白聚多糖丢失[18]。对原代培养的关节软骨细胞施加高强度张力，能够引起TNF-α和p38MAPK升高[19]。热应力和机械应力能够导致人膝关节处软骨细胞凋亡，伴p38磷酸化增加；而使用p38MAPK特异性抑制剂SB203580或p38 siRNA基因沉默后，p38MAPK磷酸化和软骨细胞凋亡均下降[3]。这些研究提示，机械应力引起p38MAPK和细胞凋亡同时升高，与骨关节炎中软骨细胞表现一致；而通过对应方法抑制p38MAPK，可以减少软骨细胞凋亡，靶向抑制p38MAPK具有一定的应用价值。

2.2 骨关节炎与MAPK相关研究

骨关节炎关节软骨细胞和软骨下骨中MAPKs表达已经存在一些相关研究。有研究指出，来自骨关节炎患者和健康人的软骨细胞中均表达p38MAPK，但是骨关节炎中软骨细胞表现出更高的p38磷酸化水平。由此表明p38MAPK具有一定的生理功能，但炎症环境或者过度机械刺激引起更多的p38MAPK活化，可能参与骨关节炎发展过程。

Rosenzweig等采用自制机械载荷装置，使用离体骨软骨移植组织块制造压缩损伤模型，损伤后即刻观察到大量细胞死亡，这种现象集中于细胞表面，而50%细胞死亡见于中部区域，25%细胞死亡见于深部区域；与此一致，p38和ERK表达在对应部位增加；抑制p38或者ERK可能通过减少caspase-3，增加细胞生存能力[20]。有研究者对软骨进行持续循环张力干预，发现转化生长因子β1(Transforming growth factor beta 1, TGF-β1)及其下游p38MAPK参与软骨钙化过程的调节[21]。可见MAPKs对机械损伤应答是复杂的，根据时间和深度不同，发生在软骨细胞内的信号应答模式并不一致。

有相反的研究指出，抑制p38通路导致大鼠动物模型产生骨关节炎样改变，p38MAPK信号通路对维持关节健康有重要作用，而抑制p38MAPK通路能够导致严重的软骨退行性改变[22-23]。

大部分现有研究均支持p38MAPK和ERK涉及软骨凋亡和基质降解，通过抑制异常升高的p38MAPK有利于骨关节炎的转归。然而目前有关MAPKs其他成员对骨关节炎的贡献方面，到底是激活骨关节炎中MAPKs还是抑制MAPKs更有利于骨关节炎的病程，还存在争议，有进一步研究的必要。

3 MAPKs介导的软骨退变

3.1 MAPKs与软骨细胞凋亡

骨关节炎发生过程中，软骨细胞凋亡是软骨退行性变的生物学基础，而MAPKs与软骨细胞凋亡密切相关。在相关的细胞研究中发现，化疗或者氧化应激能激活p38MAPK，导致癌细胞凋亡[24]。而在软骨细胞中，p38MAPK和细胞凋亡也有这种联系。

一氧化氮(nitric oxide,NO)诱导兔子关节软骨细胞凋亡增加，软骨中p38MAPK、NF-κB、caspase-3等蛋白表达增加，而这种细胞凋亡可以被p38MAPK特异性抑制剂削弱[25]。IL-1β可以诱导软骨组织中一氧化氮和前列腺素E2增加，而使用抗氧化剂SeMet预处理软骨细胞后，发现一氧化氮浓度减少，p38MAPK活性降低[26]。抗氧化剂减少一氧化氮浓度和p38MAPK活性的效应，可能是通过终止了ONOO-产生而实现，继而阻止了iNOS/一氧化氮信号通路传播形成的恶性循环，减少软骨细胞凋亡。

有研究通过磷酸盐(Pi)刺激生长板内的软骨细胞，能够减少活性细胞数量，末端标记法阳性细胞减少，DNA降解水平增加，表明细胞凋亡增加；通过一氧化氮合成酶抑制剂L-NAME阻碍一氧化氮的产生，减少了Pi诱导的软骨细胞凋亡[27]。采用硝普钠产生一氧化氮刺激人类关节软骨细胞，发现JNK的产生依赖于硝普钠的浓度，并且与软骨细胞凋亡联系[28]。

一氧化氮和超氧化物结合导致过氧硝酸盐ONOO-形成，继而刺激p38MAPK和ERK1/2磷酸化；此后p38MAPK进一步激活促炎转录因子NF-κB，诱导合成iNOS和环氧化酶-2蛋白，导致一氧化氮和前列腺素E2形成，产生一个对软骨细胞破坏的恶性循环过程[29]。抑制p38MAPK或者ERK1/2阻断这一过程，可以起到保护关节和减缓骨关节炎病程的作用[30]。

在机械力学损伤的牛关节软骨细胞中使用ERK抑制剂U0126后，出现强效的促生存效应；而添加p38MAPK抑制剂SB202190后，ERK的作用并不受p38MAPK的阻断而改变[18]。表明ERK和p38MAPK在胞外是相对独立的两条途径，在促进凋亡方面具有协同增强效益。这两条信号通路可能在核内交叉于某处，共同作用于转录因子，调控软骨细胞凋亡。增加Ⅲ型磷酸二酯酶选择性抑制剂cilostazol的剂量，能够阻止实验性大

鼠骨关节炎模型中软骨细胞p53和p38MAPK的上调，抑制caspases-3、caspases-7、caspases-8的活性，对抗一氧化氮导致的软骨细胞生存能力下降[31]。ERK和p38MAPK在转录水平上可能都是促进了caspase-3等凋亡蛋白，发挥一氧化氮诱导的凋亡效益。

3.2 MAPKs调控MMPs

关节软骨为透明软骨，由软骨细胞和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)组成。骨关节炎发生后软骨发生退行性改变的原因，除了软骨细胞凋亡和死亡外，还与软骨细胞外基质的降解有关。软骨细胞外基质结构遭到破坏，影响细胞生存环境中蛋白聚糖和胶原的改变，导致基质对细胞的营养供应和结构支持发生异常，是骨关节炎发生发展的重要因素。

目前研究认为，软骨细胞外基质降解增加主要与MMPs的分泌有密切联系。MMPs家族有多个成员，其中与软骨基质降解关系研究最多的是MMP-3与MMP-13[32]。Zeng等研究发现，MMP-13在IL-1β诱导的SW1353软骨瘤中表达增加，在前交叉韧带切断制造的骨关节炎模型也增加表达；加入MAPK抑制剂可以抑制MMP-13的产生[33]。类似方法制作的大鼠软骨机械损伤模型中，损伤后股骨远端关节软骨中MMP-3表达增高，软骨外基质中胶原类型比例改变[34]。

在人类软骨细胞中，抑制ERK可以特异性减少IL-1β诱导的MMP-13产生，但选择性抑制p38和JNK并不引起IL-1β诱导的MMP-13减少。关节保护素ITZ-1也选择性抑制IL-1β诱导的ERK活性，但不影响p38和JNK活性，起到保护关节软骨的作用[35-36]。机械压缩软骨20 min和1 h后，软骨及其周围组织中p38MAPK活性增加，软骨中MMP-13和TNF-α表达增加；抑制p38MAPK或ERK能够显著减少损伤相关的软骨细胞凋亡和蛋白聚糖丢失[18]。

骨关节炎中，MMPs的增加导致软骨细胞外基质降解的作用比较明确。但MAPK家族各成员在促进软骨中MMPs表达的作用可能会因诱导方法和取材不同而产生差异。在IL-1β诱导的软骨破坏中，ERK促进MMP-13表达比p38MAPK和JNK效益显著；但在机械诱导的软骨损伤中，p38MAPK、ERK与上调MMPs更为密切。

综上所述，MAPKs是应力响应信号通路，在骨关节炎发生和发展过程中具有重要作用。MAPKs在软骨细胞凋亡和软骨细胞外基质降解方面存在密切联系。然而区分不同MAPKs家族成员的不同生物学效益，对于准确和全面理解骨关节炎发生的分子机制大有裨益。继续深入和细化p38MAPK和ERK与骨关节炎的关系，可能为骨关节炎的靶向预防和治疗提供新的途径。

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Role of Mitogen-activated Protein Kinases Signaling Pathway in Development of Osteoarthritis(review)

LI Sheng-cun,WANG Guo-xiang
School of Physical Education of Soochow University,Suzhou,Jiangsu 215021,China

Osteoarthritis(OA)is a common disease among elders and athletes.Mitogen-activated protein kinases(MAPKs)are molecules of stress sensitivity which play a significant role in the occurrence and development of OA.MAPKs are closely related with chondrocyte apoptosis and cartilage degradation.This paper reviewed the related studies between OAand MAPKs.

mitogen-activated protein kinases;osteoarthritis;stress;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.03.012

R684.3

A

1006-9771(2015)03-0292-04

2014-11-18

2015-02-16)

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(No.KYLX_1197)。

苏州大学体育学院，江苏苏州市215021。作者简介：李盛村(1985-)，男，汉族，浙江温州市人，博士研究生，主要研究方向：运动医学。通讯作者：王国祥，教授，博士生导师。E-mail:kwang63@163.com。