软骨细胞生物钟紊乱与骨关节炎

陈颖颖 李冬霞 杜梦梦 胡琪 何春晓 陶庆文

【摘 要】 骨关节炎是一种慢性关节病，我国患病人数高达1.5亿左右。近年来研究发现，软骨细胞中存在生物钟基因，其表达的生物钟蛋白受昼夜节律的控制，软骨细胞生物钟紊乱与骨关节炎存在相关性。通过检索PubMed和中国知网（CNKI）数据库2008年至2018年与软骨细胞生物钟相关的文献，归纳软骨细胞生物钟与骨关节炎的关系，为骨关节炎的治疗提供新思路。

【关键词】 骨关节炎；软骨细胞；生物钟；紊乱

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种退行性关节病，主要表现为关节的僵硬、疼痛，严重者可伴功能障碍甚至畸形。OA患病率与年龄呈正相关，随着人口老龄化的加重，OA人数亦逐年增加[1]。软骨变性是OA最基本的病理改变，镜检可见软骨细胞结构紊乱，细胞数量减少，软骨撕裂或者纤维化，溃疡面可被结缔组织或纤维软骨覆盖及新生血管入侵，最终全层软骨消失。既往研究发现，软骨病理改变所涉及的通路主要有NF-κB通路、AHR通路、cAMP/PKA通路、MAPK通路、NPAS2-Adcy1通路等[2-8]。近年来研究发现，软骨细胞中存在生物钟基因，该基因表达的生物钟蛋白可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。该生物钟基因的表达受昼夜节律的影响，当生物钟基因表达出现紊乱时，软骨的磨损与修复之间失衡，从而出现OA表现[9]。与生物钟相关的通路包含PI3K/AKT/mTOR信号通路及PI3K/PTEN/mTOR信号通路。本文通过检索PubMed和中国知网（CNKI）数据库中近10年的文献，归纳总结软骨细胞生物钟紊乱与OA的关系，阐明软骨细胞生物钟的作用机制，旨在深入理解OA的发病及进展，为OA的治疗提出新的思路。

1 生物钟系统

现代研究表明，生物钟广泛存在于哺乳动物的各个器官与组织中，使生物体可以更好地与自然界的节律性相通应，具有重要的生物学意义[10]。哺乳动物的生物钟由母钟和子钟构成，母钟存在于下丘脑视交叉上核（SCN），子钟位于各外周组织中[11-13]。哺乳动物的生物钟母钟系统主要是由2个连锁的转录/翻译环路组成，调节这个转录/翻译环路功能的主要有4种生物钟蛋白，分别是起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白[14]。除了这个大环路之外，还有一些小的环路也一起参与调节，哺乳动物机体内存在CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种基因，这4种基因会对应表达CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种蛋白[15-16]。

在一天开始之时，PER和CRY 2种蛋白的含量比较低，BMAL1/CLOCK复合物则会激活PER和CRY基因上游的E-box元件序列，正向调控PER和CRY基因，使得表达的PER和CRY蛋白量增加，大量增加的PER和CRY会在细胞核内积累，形成同二聚体或者异二聚体，该聚合物的产生可以反向抑制BMAL1/CLOCK二聚体的功能，同时使得BMAL1和CLOCK蛋白表达减少，对PER和CRY基因的激活也减少，所以PER和CRY蛋白量也会降低。与此同时，由于PER和CRY的减少，使得BMAL1/CLOCK复合物的激活功能又慢慢变强，这就开始了在夜里的生物钟循环，如此便完成了一天的钟蛋白节律循环[17]。除了这个核心的生物钟节律循环调节通路之外，小循环也存在。小循环主要是调控BMAL1蛋白的表达。参与小循环的基因主要有Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种。其中，Rorα和Rorβ基因分别表达RORA和RORB 2种蛋白，两者对BMAL1基因有正反馈调节，能够增加BMAL1蛋白的量，Rev-erb的蛋白产物是REV-ERB，对BMAL1基因有负反馈调节[18-19]。生物钟信号通路图见图1。

2 软骨细胞生物钟异常与OA的关系

软骨细胞生物钟是在母钟之下的子钟，位于软骨细胞内，调控软骨细胞的生物节律。正常情况下，软骨细胞生物钟节律稳定，钟蛋白表达量正常，可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。病理情况下，该平衡出现紊乱，运动时出现的软骨磨损不能及时修复，从而引发OA[2，9，20]。软骨细胞生物钟受昼夜节律的影响，呈现规律性变化。临床上，很多OA患者的疼痛表现会在一天中特定时间加重，这种规律的变化与软骨细胞生物钟受昼夜影响规律变化具有一致性。

软骨细胞生物钟组成以及运行方式与生物钟系统相同，也是由大小2个循环组成，大循环包括起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白，小循环由Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种基因及其表达的蛋白构成。在发生OA的时候，代表软骨细胞生物钟的基因及蛋白表达量会出现异常情况。

在人类软骨细胞生物钟蛋白检测中，取OA患者关节置换的膝软骨行Western blot檢测BMAL1蛋白表达含量，发现OA患者关节软骨存在BMAL1蛋白表达量减少的情况[16]。在动物实验中发现，改变动物生活的昼夜节律，会导致膝OA的发病率增高[20-21]。生物钟小循环在OA患者中也会出现紊乱，主要体现在REV-ERB蛋白的表达增多上，因其对BMAL1蛋白的抑制作用，间接降低钟蛋白的表达量，使得生物钟紊乱[22]。

OA患者软骨细胞生物钟受调控的方式有很多种，多为信号通路对其进行调控，然而目前对于软骨细胞生物钟信号通路的相关研究文献较少。与生物钟相关的通路有2条，一条为PI3K/AKT/mTOR信号通路，另一条为PI3K/PTEN/mTOR信号通路，这2条信号通路均属于mTOR信号通路。mTOR为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），该蛋白是细胞内一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其在细胞内有2种不同的复合物，分别是mTORC1（mTOR complex1）和mTORC2（mTOR complex2），两者能够接受和整合细胞内外各种刺激[23]。由两者介导的信号通路能够对很多疾病起调控作用，例如肿瘤、衰老、免疫相关疾病。同时该通路对生物钟系统也会产生影响，目前来看，该通路对生物钟产生影响的具体原因并不清楚；但从相关实验中可以发现，该通路对生物钟系统来说呈负相关[3]。

PI3K/AKT/mTOR信号通路激活后，可以影响软骨细胞生物钟蛋白的表达，在OA患者中多见该通路被激活，同时BMAL1蛋白量的表达降低，该通路与BMAL1钟蛋白的表达呈负相关。在使用该通路的阻断剂雷帕霉素之后，可检测到生物钟蛋白表达上调；但该通路对生物钟调控的具体机制目前尚不清楚[24]。有研究认为，PI3K/AKT/mTOR信號通路下游的直接底物为S6K1和4E-BP，同时BMAL1蛋白是S6K1的底物[24-25]，可将PI3K/AKT/mTOR信号通路与生物钟相联系。

除PI3K/AKT/mTOR信号通路外，PI3K/PTEN/mTOR信号通路也与生物钟表达相关。PTEN是一个控制PI3K信号的关键分子，该分子能够促进PIP2转换成PIP3，而PI3K正是通过磷酸化PIP3方可进行后续信号通路的转导。很多疾病都与PTEN相关，该基因能够负向调控PI3K下游的成员，包括AKT和mTOR，同时PTEN可以导致BMAL1蛋白积累，在OA患者中可见PETN减少的情况[26]。

3 展 望

OA是一种关节退行性病变，现代研究表明，OA的发展伴随着软骨细胞生物钟的紊乱，软骨细胞生物钟运行机制中，最经典的模式为2个连锁的转录/翻译环路，包括4种生物钟基因，其中对生物钟起激活作用的有BMAL1和CLOCK基因，对生物钟起抑制作用的有PER和CRY基因。在OA患者的软骨细胞中可见BMAL1基因表达下调，这为OA发病机制提供了新的理论基础。

目前，研究多集中在软骨细胞生物钟的组成及运行机制探索上，但对于该机制的上游通路研究较少。目前所涉及的通路主要有PI3K/AKT/mTOR和PI3K/PTEN/mTOR通路，PI3K/AKT/mTOR通路激活可以降低BMAL1蛋白的表达量，PI3K/PTEN/mTOR通路中，PTEN减少可以导致BMAL1蛋白的减少。但两者具体起效机制并不详尽，这也可以作为以后的研究方向。同时除这2条通路之外，是否还有其他的通路，也是未来可以研究的内容。

基于软骨细胞生物钟紊乱这一发病机制，为OA的治疗提供了新的思路，即改变软骨细胞生物钟调节OA。西药治疗方面，目前尚无疗效确切、作用靶点直接在软骨细胞生物钟信号通路的药物。在中药治疗方面，目前也无确切改善软骨细胞生物钟的药物，但是从中药的治病机制来看，很多中药是靠维持身体的动态平衡起效，如补肾中药通过补肾维持身体“生、长、状、老、矣”的过程。但维持动态平衡和生物钟本身是否具有相关性，依旧是值得探讨的问题。在以后的研究中，哪些药物可以通过调节软骨细胞生物钟来调控OA，可以作为未来探索与研究的方向。

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收稿日期：2018-08-11；修回日期：2018-10-12