转化生长因子β信号通路与骨关节炎

张玉笛 钟 玉 周凌云 李荣亨

(重庆医科大学附属第一医院中西医结合科，重庆 400016)



转化生长因子β信号通路与骨关节炎

张玉笛 钟 玉 周凌云 李荣亨

(重庆医科大学附属第一医院中西医结合科，重庆 400016)

转化生长因子β信号通路；骨关节炎

骨关节炎(OA)是中老年人常见的一种慢性退行性关节疾病，以骨质增生、关节肿痛和活动受限为主要临床表现，以关节软骨破坏、软骨下骨硬化、骨赘形成及滑液组织纤维化为主要病理改变，最终致残。OA的确切病因至今不明，目前认为是生物性因素与机械性因素共同作用的结果。转化生长因子(TGF)-β是一种多功能生长因子，在关节软骨的形成、稳定及修复过程中发挥重要作用。TGF-β信号分子刺激软骨的形成，维持软骨基质更新，抑制软骨细胞的终末分化，阻断软骨基质钙化、血管入侵、成骨细胞的分化及骨化。在这些过程中,TGF-β信号通路发挥关键作用。本文对TGF-β信号通路及其在OA中的调节作用予以综述。

1 TGF-β信号通路

1.1 TGF-β信号分子及其家族 TGF-β生长因子超家族有30多个成员，包括TGF-βs、激活素、骨形成蛋白等，它们调节多种细胞过程，涉及增殖、分化、迁移、凋亡及细胞外基质的合成及降解等。TGF-β的3种亚型(TGF-β1，TGF-β2，TGF-β3)拥有(71%～79%)相同序列及相似空间结构，但又各具独特的功能，在组织发育、组织再生及病理性应答过程中表现出不同的空间结构。

1.2 TGF-β信号分子的合成、活化及其调控

1.2.1 合成 TGF-β信号分子是由两个同源的前体蛋白合成，在高尔基体中通过费林蛋白酶的作用发生裂解，形成成熟的TGF-β二聚体和隐性相关肽(LAP)。

1.2.2 活化 LAP与成熟的TGF-β信号分子之间以非共价键的形式形成复合体，该复合体可以抑制TGF-β信号分子的活性。TGF-β信号分子从LAP复合体中释放出来则得以活化。酸化、碱化、热变性及某些生物学过程(包括蛋白体的裂解、蛋白质之间的相互作用等)均可使TGF-β信号分子从LAP复合体中释放出来。丝氨酸蛋白酶〔如纤溶酶、凝血酶、基质金属蛋白酶(MMP)-2、 MMP-9、 MMP-13和MMP-14等〕也能使TGF-β信号分子活化。凝血酶敏感蛋白(TSP)-1与LAP直接作用，则可导致LAP结构发生改变，从而使TGF-β信号分子活化。整合素αvβ6 和 αvβ8亦可通过依赖和非依赖蛋白酶的方式使TGF-β信号分子活化。

1.2.3 调控 对TGF-β信号分子活性的调控可能是控制其生物利用率十分重要的机制。TGF-β信号分子活性受到细胞外、细胞膜及细胞内物质的严格调控，该调控具有细胞依赖性、空间性、短暂性的特点。在细胞外，调控包括对TGF-β信号分子合成的调控及对其活化的调控。其中自身诱导和低氧诱导调控TGF-β信号分子的表达已有报道〔1，2〕，但调控TGF-β信号分子表达的相关因子仍无报道。在细胞膜上，TGF-β信号分子的共受体包括内皮因子、β-聚糖和CD109，这3种共受体不仅调节 TGF-β信号分子，而且它们对组织正常发育、稳定及病理性改变都十分重要。在细胞内，TGF-β信号分子传导受到胞质蛋白、核蛋白的调控，其中胞质蛋白包括FK506结合蛋白(FKBP)12、TGFβ受体相互作用蛋白(TRIP)-1、WD域蛋白(STRAP)、TGFβ受体抑制蛋白(TRAP)-1、受体活化后smad靶向蛋白(SARA)、热休克蛋白(HSP)90，核蛋白包括TG相互作用因子(TGIF)、 c-Ski、SnoN 和录病毒整合位点1同源蛋白(Evi-1)，这些蛋白调控TGF-β信号分子传导的强度和持续时间。在TGF-β/骨形态发生蛋白(BMP)信号通路传导的负反馈调节中，抑制性Smad蛋白(Smad6和Smad7)与活化的TGF-βⅠ型受体形成稳定复合物，以此来阻断R-Smad磷酸化。此外Smad6和Smad7作为E3泛素化配体(Smurf 1 和 Smurf 2)的衔接蛋白，可以诱导活化的TGF-βⅠ型受体的泛素化及其降解。

1.3 TGF-β信号通路的启动及其对下游的调控 TGF-β信号分子介导的细胞内信号通路是通过TGF-β信号分子连接到TGF-βⅡ型和Ⅰ型跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体上启动的。TGF-β信号分子首先连接Ⅱ型受体，然后再连接Ⅰ型受体，使TGF-βⅠ型受体〔即激活素样激酶(ALK)5〕磷酸化而得以活化。活化的Ⅰ型受体可以磷酸化R-Smad(Smad2或Smad3)蛋白。磷酸化的Smad2 、Smad3蛋白从受体复合物中解离出来，与Smad4形成复合物，进一步转移入核，与DNA结合蛋白相连，调节下游靶基因转录。TGF-β信号分子也能活化另一种TGF-βⅠ型受体(即ALK1)，ALK1可以磷酸化3种R-Smad(包括Samd1、Smad5和Smad8)蛋白。在人骨关节炎软骨中，ALK1与MMP-13的表达有关，ALK5与蛋白多糖和Ⅱ型胶原的表达有关，因此软骨细胞的ALK5与ALK1受体之间失衡会引起MMP-13表达发生改变，出现类似OA样的表现〔3〕。

2 TGF-β信号通路与OA

2.1 TGF-β信号分子与OA TGF-β信号分子各亚型在OA中的表达下调。在人OA中，TGF-β1表达下调〔4〕；兔OA模型中，TGF-β1和TGF-β2 mRNA水平轻微下调〔5〕及自发形成的OA和胶原酶诱导形成的鼠OA模型中TGF-β3在软骨中表达下调〔6〕。另外一些研究结果却与上述相反。TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3在人OA中表达上调〔7〕；TGF-β1、TGF-β3在木瓜蛋白酶诱导的鼠OA模型中表达上调〔8〕。TGF-β各亚型在OA中的表达不同，可能与年龄、性别、遗传、力学(肥胖、创伤)等因素有关。TGF-β信号分子的表达在OA早期上调，其原因可能是为了拮抗促炎细胞因子〔如白细胞介素(IL)-1β 或肿瘤坏死因子(TNF)-α〕的分解作用，或是对TGF-β受体表达的进行性丢失产生的一种适应性应答。随后由于软骨细胞的TGF-β mRNA合成减少而导致TGF-β信号分子的表达减少。

2.2 TGF-β信号受体与OA 与正常软骨相比，人OA中TGF-βⅡ型受体(TβRⅡ)mRNA是减少的〔4〕。在兔OA模型的中晚期阶段，软骨中TβRⅡ mRNA明显减少〔5〕。与正常组织相比，OA患者的软骨细胞培养发现TβRⅡ mRNA也明显减少〔9〕。这些研究表明，TβRⅡ表达减少可能会促进OA的发生、发展。在OA中，TGF-βⅠ型受体(TβRⅠ)的表达也发生了改变。除经典的TβRⅠ(ALK5)外，人软骨细胞也表达ALK1。ALK1和ALK5是TGF-β信号诱导Smad1/5磷酸化所必需的，而ALK5是TGF-β信号诱导Smad3磷酸化所必需的。另外，ALK1抑制软骨细胞Ⅱ型胶原和纤溶酶原激活物抑制物(PAI)-1的表达，而 ALK5的作用与此相反，表明在软骨细胞中，ALK1和ALK5的功能相反。在鼠OA模型中，ALK5和ALK1的表达均减少，但ALK1减少的幅度小于ALK5，导致ALK1和ALK5的比率升高〔3〕。在人OA软骨中，ALK1 mRNA与MMP-13 mRNA高度相关，而ALK5 mRNA则与蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的表达相关〔3〕。以上研究结果说明，TGF-β信号受体的表达在OA中发生改变，可能在该疾病的发生发展中有十分重要的作用。

2.3 TGF-β信号通路中Smad2、Smad3蛋白与OA 在原发和胶原酶诱导产生的鼠OA模型中，Smad2磷酸化水平降低〔6〕。老年鼠中Smad2磷酸化水平也是降低的〔10〕。在Smurf2转基因鼠中，Smad3磷酸化水平减少后，实验鼠出现OA样表现〔11〕。这表明TGF-β/ALK5/Smad2/3信号与OA发生发展相关联。

2.4 TGF-β信号通路中R-Smad蛋白平衡性与OA 人软骨细胞中，TGF-β信号分子通过Smad1/5与Smad2/3通路发挥的作用不同。OA中，ALK5受体与Smad2/3蛋白减少已有报道〔3〕，Smad1/5蛋白与Smad2/3蛋白平衡性也可能出现改变，从而导致OA。若研究出调节ALK5/Smad2/3和ALK1/Smad1/5通路的因子，增加ALK5/Smad2/3信号表达，减少ALK1/Smad1/5信号表达，这可能对抑制OA发生发展有一定帮助。

2.5 TGF-β信号通路中抑制因子在OA中的表达 Smad7/Smurf2介导TGF-β受体降解是终止TGF-β信号分子传导的一个重要机制。在正常和OA患者的软骨内，Smad7的表达无差异性〔12〕，但促炎细胞因子如IL-1β可以增加人软骨细胞Smad7的表达，从而抑制TGF-β信号分子活性〔12,13〕。鼠软骨细胞表现出Smad7表达随年龄增加而增长〔10〕，说明在原发性OA发生或发展过程中年龄是一项重要因素，Smad7可能发挥重要的作用。与正常软骨相比，人OA软骨中Smurf2增加〔14〕；在Smurf2转基因鼠中，OA样表型可以自发形成，这可能与TGF-β信号分子减少及Smad3磷酸化降解增加有关〔14〕。

3 TGF-β信号通路中各分子可作为OA的治疗靶标

人OA软骨中,TGF-β信号通路中各分子的活化或表达水平发生改变,提示TGF-β信号通路中各分子可作为OA的治疗靶标。目前研究热点集中在将TGF-β信号分子作为治疗剂上。研究表明，将TGF-β信号分子注射入兔OA的颞下颌关节发现,TGF-β对关节软骨的降解有保护作用〔15〕。将TGF-β信号分子注射入IL-1诱导的鼠膝关节中显示，TGF-β对IL-1引起的关节软骨病变有拮抗作用〔16,17〕。在OA软骨中，利用腺病毒持续过表达TGF-β信号分子，可以减轻软骨细胞肥大，抑制软骨细胞终末分化，增加MMP类组织抑制剂(TIMPs)的表达，恢复ALK1/ALK5之间的平衡，这对关节软骨起到了一定的修复作用〔18〕。在实验性OA鼠中，温补肾阳的中药鹿茸可以通过增加Smad2和Smad3 mRNA的合成和蛋白的表达来促进OA鼠的关节软骨修复〔19〕。中等强度的磁场可以通过TGF-β信号通路来诱导软骨中骨髓基质干细胞分化〔20〕，表明物理疗法亦能通过TGF-β信号通路对软骨起一定的保护作用。但是不恰当地运用TGF-β信号分子，也会带来副作用。研究表明，往正常关节中重复注射TGF-β1信号分子，在增加蛋白聚糖合成的同时，也导致炎症的产生、滑液的过多分泌和骨赘的形成〔21～23〕。

由此可知，TGF-β信号分子虽然对OA的软骨具有一定的修复作用，但正常关节腔内过多的TGF-β信号分子亦可能会诱导滑膜炎症、纤维化的产生，故把握TGF-β信号分子治疗的浓度范围、作用持续时间、作用部位等对治疗OA至关重要。研究表明，利用腺病毒过表达TGF-β信号分子，可以促进IL-1和OA破坏的关节软骨修复，同时在滑膜内局部过表达Smad7，可以阻断TGF-β信号分子诱导产生的滑膜纤维化〔24〕。

综上，TGF-β信号通路在关节软骨的发育、生长、稳态维持等方面发挥着多种积极作用。根据TGF-β信号通路在OA中的作用特点，推测提高TGF-β受体的活性，恢复ALK5/Smad2/3和ALK1/Smad1/5通路的平衡，恰当合理地调整TGF-β信号通路各分子的表达水平，可能成为防治OA的方法之一。

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〔2015-08-25修回〕

(编辑 苑云杰/王一涵)

重庆市卫生局项目〔渝卫中医2008(38)2008-2-35〕

李荣亨(1945-)，男，教授，博士生导师，主要从事风湿病、老年病的中西医结合基础与临床研究。

张玉笛(1990-)，女，硕士，主要从事风湿病、老年病的中西医结合研究。

R592

A

1005-9202(2016)20-5193-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.20.125