软骨寡聚基质蛋白与疾病关系的研究进展

金炼驰，赖永洁

软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrix protein，COMP）属于血栓反应蛋白（Thrombospondins，TSPs）家族，又称血栓反应蛋白5（TSP−5），是构成细胞外基质（extracelluar matrix，ECM）的一种重要蛋白。Mörgelin等［1］于1992年首次将其从Swarm大鼠软骨肉瘤中分离并鉴定，其主要存在于软骨、骨、皮肤、关节滑膜、肌腱和韧带组织中［2］，可由软骨细胞、肌腱细胞、肌成纤维细胞、心肌细胞、血管平滑肌细胞、血小板等多种细胞分泌产生［3］。COMP作为构成细胞周围微环境的重要蛋白，通过与其他ECM分子以及细胞内外多种信号分子的相互作用，在骨关节系统发育以及维持多种结缔组织结构稳态等方面发挥重要生理作用；而其表达异常则与关节炎，动脉粥样硬化、扩张型心肌病等心血管疾病，肝、肺、皮肤等组织纤维化，以及肝癌、结肠癌、乳腺癌等恶性肿瘤的发生与发展密切相关［2−4］。近年来，随着对COMP在各种疾病进程中作用的深入研究，人们对其功能的多面性也有了更为充分的认识。本文就COMP的基本结构、功能以及在疾病中发挥的作用进行综述，以期为相关疾病的诊治提供新的线索和思路。

1 COMP的主要结构与生理功能

COMP是一种多结构域糖蛋白，通过二硫键将5个分子质量为100 ku左右的亚基连接在一起，形成分子质量约524 ku的五聚体。单体形式包含1个氨基端复合螺旋结构域（N−terminal domain，NTD）、4个类表皮生长因子样重复基序（epidermal growth factor−like repeats，EGF−like）、8个Ⅲ型钙调蛋白重复基序（typeⅢcalmodulin−like repeats，TypeⅢ）和1个球状羧基末端（globular C−terminal domain，CTD）结构域［5］（图1）。NTD的中空复合螺旋结构可结合并容纳多种疏水分子，如维生素D3、维甲酸等［6］，细胞分泌产生的COMP进入体液循环后可携带维生素D3等信号分子至软骨组织，进而促进软骨细胞的增殖、肥大，并以软骨内成骨的方式促进新骨形成［7］；同时NTD作为五聚体聚合结构域，通过二硫键与相邻亚基连接，使5个单体呈现花束状的排列［5］。EGF−like结构域可与多种金属蛋白酶，如基质金属蛋白酶（MMP）−13、含血小板结合蛋白基序的去整合 素 样 金 属 蛋 白 酶（a disintegrin−like and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS）−4、ADAMTS−7、ADAMTS−12等结合，介导COMP蛋白的降解，参与调节组织中ECM合成与分解代谢之间的动态平衡［5］。TypeⅢ结构域含有13个钙离子结合位点，而适宜的钙离子浓度对COMP蛋白的折叠与正确构象至关重要［5］。CTD借助COMP的特殊花束排列方式可与Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、型胶原、纤维连接蛋白、蛋白多糖、matrillin−1、matrillin−3、matrillin−4等大量ECM成分结合［8−9］，为多种ECM的组装提供了更大空间，而由它们形成的巨大网络有机体则为组织提供了良好的物理支撑，提高了组织对机械应力的耐受性，同时CTD可通过与细胞表面黏附分子，如整合素α5β1、α7β1、αVβ3、CD47等胞外基质受体结合，传递信号并参与细胞生长调控［9］。此外，该区域还可与某些生长因子、细胞因子等结合促进后者发挥功能，如与转化生长因子（transforming growth factor，TGF）−β和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）−2、BMP−4等结合参与相应下游信号通路的调控，对细胞增殖、分化等产生影响［10］。而最近研究发现，COMP是一种天然的凝血酶抑制剂和内源性抗凝剂，储存在血小板α颗粒中，在血小板活化后其被释放出来，通过结合凝血酶来抑制血小板的聚集、活化和收缩以及纤维蛋白原裂解，从而延缓凝血过程［11］。

因此，作为ECM的一员，COMP一方面通过协助构建巨大的网络结构为细胞以及组织提供必要的物理支撑；另一方面又可作为信号分子，通过与细胞表面黏附分子、生长因子以及细胞因子等结合，参与细胞行为调控。COMP发挥正常的生理功能对于维护组织结构的稳态至关重要，而其一旦出现异常表达，对组织稳态产生的不利影响则与众多疾病的发生发展密切相关。

2 COMP与各种疾病的关系

2.1 COMP与关节炎关节炎是临床多发疾病，其引起的关节疼痛与活动受限会严重影响患者的生活质量，其中以骨关节炎（osteoarthritis，OA）和类风湿关节炎（rheumatoid Arthritis，RA）最为常见。两者虽具有不同的病理特征，但都涉及关节软骨的破坏，临床上两者以影像学以及相应症状等作为诊断标准，但由于关节炎早期表现并不显著，因此寻找敏感度及特异度高的关节软骨代谢标志物对关节炎的早期诊断及干预具有重要临床意义。

COMP作为软骨细胞分泌的ECM，与Ⅱ型胶原以及蛋白多糖等其他ECM成分相互作用，稳定关节软骨结构。已有大量临床研究显示，OA早期关节软骨中多种可降解ECM成分的蛋白酶表达水平升高，如降解Ⅱ型胶原的MMP−13，降解蛋白多糖的ADAMTS−4、ADAMTS−5等［12］，而COMP的主要降解蛋白酶，如ADAMTS−4、ADAMTS−7、ADAMTS−12、MMP−1、MMP−9、MMP−19、MMP−20等表达上调，导致COMP降解加剧，可进一步破坏软骨ECM结构的稳定性，导致其他ECM丢失，加速OA的进展［12−14］。最近的几项OA相关的临床研究显示，与正常对照组相比，OA组关节腔滑液或血清中的COMP水平明显升高，且其水平的高低与影像学改变以及OA的病情严重指标Kellgren−Lawrence评分呈正相关，COMP被视为OA的早期诊断血清学标志物；研究还发现正常人群血清中COMP水平差异较大，不同的研究对血清中COMP临界值的确定差异显著；另外，由于COMP来源广泛，其他组织分泌的COMP会干扰对结果的解读，以至结果不能真实反映病情的实际程度，因此COMP不能单独作为准确评估软骨破坏程度的特异性指标［14−16］。

Fig.1 Schematic diagram of the subunit of COMP图1 COMP亚基结构模式图

RA患者关节软骨中多种ECM降解酶，如MMP−1、MMP−9、MMP−13、ADAMTS−1、ADAMTS−4、ADAMTS−5等水平也显著升高［17］。血清中COMP水平与关节软骨破坏程度以及患者关节活动度评价指标DAS28呈正相关［18−20］。与OA类似，COMP在RA的诊断与病情评估中也存在敏感度及特异度低的问题，因此COMP能否作为临床上可以广泛使用的关节炎分子标志物尚待进一步验证。

RA患者血清以及关节滑膜液中可检测到较高水平的COMP−补体C3b复合物，提示COMP可能参与了补体激活。COMP可经旁路途径激活人体补体系统，并可结合C1q和甘露聚糖结合凝集素（mannan−binding lectin，MBL），从而抑制补体激活的经典及凝集素途径；COMP的降解片段释放至关节腔，可能激活滑膜液中的补体，进一步加重关节软骨的破坏；而在OA患者血清中未能检测到COMP−C3b复合物，提示COMP在2种关节炎中产生的降解片段可能不尽相同，而与补体的结合可能需要某些特定的氨基酸序列或抗原表位才能实现［21］。Smith等［22］采用质谱法对OA软骨中的COMP降解片段进行了分析，发现COMP经降解暴露出了某些全长蛋白不具备的新抗原表位，未来若能对关节炎中COMP降解片段新抗原表位进行全面解析，将有助于COMP作为关节炎分子标志物的应用与开发。

2.2 COMP与心血管疾病动脉粥样硬化是临床常见的心血管疾病，其涉及的病理过程较为复杂，其中血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）的异常增殖与分化是非常关键的一环。正常VSMCs多处于低分裂静息状态，且同时表达有多种具有收缩功能的蛋白，如平滑肌肌动蛋白（α−smooth muscle actin，α−SMA）、钙调蛋白等，称为收缩表型；而VSMCs在某些因素，如生长因子、剪切应力等作用下，则转化为合成表型，此时细胞收缩蛋白产生减少，ECM分泌增加，并由血管中膜向内膜下迁移、增殖加快，内膜增生导致血管重构，促进了血管硬化以及粥样斑块的形成。目前研究已证实VSMCs可分泌产生COMP，并作为ECM与胶原纤维、蛋白多糖等成分交联以构成稳定的血管壁结构，同时它还参与了VSMCs的增殖与分化，其异常表达对促进血管硬化疾病的进展产生了重要作用［23−24］。VSMCs中COMP表达下调后，VSMCs转变为合成表型，并向血管内膜下迁移；反之，过表达COMP可显著抑制由血小板源性生长因子−BB诱导的表型转换并抑制血管内膜增生［25］。COMP表达下调还可影响线粒体的氧化磷酸化，而线粒体能量生成障碍可引发VSMCs表型转换。进一步研究发现，COMP通过与prohibitin蛋白的相互作用，参与维持线粒体平衡稳态，并有助于保持VSMCs的收缩表型［26］。因此，COMP通过多种途径参与维持VSMCs的收缩表型，从而对防止血管硬化起到一定保护作用。

此外，有研究显示钙化血管中VSMCs的ADAMTS−7表达水平升高，COMP的降解加剧，而下调ADAMTS−7表达后，COMP降解减少且能有效抑制VSMCs钙化趋势，提示COMP在血管硬化进程中可能发挥了一定的保护作用［27］。Wang等［28］研究发现，与野生型小鼠相比，COMP基因敲除小鼠的VSMCs衰老较快，血管壁呈现更为显著的功能退化特征，而过表达COMP后可延缓VSMCs细胞衰老，提示COMP参与调节了VSMCs的细胞衰老状态，而延缓VSMCs衰老则有利于抑制血管硬化的进程。另外，COMP通过与BMP−2的直接结合抑制后者诱导的VSMCs成骨化，这对进一步抑制血管钙化具有积极意义［29］。而在粥样斑块的巨噬细胞中，COMP与细胞表面整合素分子β3的结合则抑制了巨噬细胞向成骨化方向的转变，这对抑制粥样斑块的钙化以及维持斑块的稳定性具有重要意义［30］。Ma等［31］在对胚胎干细胞的研究中发现，COMP可以作为Notch−1的配体，而与后者结合后激活下游信号，驱动胚胎干细胞向平滑肌细胞系的分化，此发现为血管再生的应用研究提供了一个新思路。血流动力学改变导致的血管内皮细胞活化是动脉粥样硬化的一个重要诱因，血管内皮细胞中虽未能检测到COMP，但它可作为ECM与内皮细胞表面的整合素α5结合，并有效抑制由血流动力学改变所引起的内皮细胞活化，这为血管硬化治疗药物的研发提供了一个新候选分子［32］。慢性低氧状态显著抑制肺动脉平滑肌 细 胞（pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMCs）中的COMP表达水平，COMP下调可抑制BMP−2下游信号通路的激活，进而导致PASMCs由收缩表型向合成表型的转换，有利于肺动脉高压的形成，PASMCs培养体系中加入外源性的COMP蛋白后，则可通过激活BMP−2/BMPR2通路明显逆转低氧所诱导PASMCs表型转换，进而抑制肺动脉血管壁重构［33−34］。综上，COMP对血管中多种细胞发挥了多方面调节作用，在血管硬化以及肺动脉高压等心血管疾病进程中起保护作用，虽然目前其在人类心血管疾病中的临床意义尚待进一步揭示，但以上发现为心血管疾病的研究与防治提供了一个新靶点。扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）以心肌收缩能力下降、心室扩大为主要病理特征。心肌细胞与ECM有序紧密的结合对维持心脏正常收缩能力具有重要作用。COMP可由心肌细胞及心肌成纤维细胞分泌产生，参与构成心肌的ECM。研究显示，终末阶段的DCM患者心室中COMP表达量较正常者明显减少，COMP基因敲除小鼠在3～5月龄时可自发出现心室扩大，此时心肌细胞表面整合素β1以及细胞连接蛋白connexin−43水平均下降，心肌ECM降解加剧，心肌细胞凋亡增加［35］。Yang等［36］证实COMP通过与整合素β1的结合可激活后者下游信号通路，而COMP的功能缺失则导致后者的泛素化降解加剧，继而抑制了其下游信号通路，对心肌的正常组织结构与功能产生影响，但在人体内，COMP与DCM之间的联系尚待进一步探讨。

2.3 COMP与组织纤维化人体多种组织和器官在慢性炎症或损伤的持续刺激下，活化的成纤维细胞以及由前者分化产生的肌成纤维细胞分泌产生过量的Ⅰ型胶原及其他ECM，引发纤维化，最终可致器官功能受损［37］。COMP在组织纤维化进程中发挥重要作用。系统性硬化症（又称为硬皮病）、瘢痕等疾病均包含皮肤纤维化的病理过程，纤维化的皮肤组织中COMP水平较正常皮肤明显升高，病变部位的成纤维细胞分泌产生COMP并同时合成大量Ⅰ型胶原［2，37］，过表达COMP的皮肤成纤维细胞的胞外胶原沉积也相应增多［35］，而下调细胞中COMP的表达水平则可显著降低Ⅰ型胶原的沉积［2］，提示COMP对皮肤中胶原合成具有重要的调节作用。作为皮肤中重要的非胶原ECM成分，在胞内，COMP作为胶原蛋白的载体，帮助胶原蛋白组装及分泌出胞；在胞外，COMP可与型等胶原蛋白结合，协助构建稳定且有序的ECM网络结构，而COMP表达水平异常升高则促进了胶原沉积以及纤维化进程［38］。

此外，特发性肺纤维化患者病变部位的COMP表达水平也显著升高，且血清COMP表达水平的升高与患者肺活量指标的下降密切相关［39］。在药物诱导的肝脏纤维化动物模型中，COMP敲除小鼠肝脏中Ⅰ型胶原沉积较野生型小鼠显著减少，其肝脏纤维化程度明显较低；而进一步研究发现COMP可通过细胞表面CD36受体结合并激活MEK1/2−pERK1/2通路，诱导Ⅰ型胶原纤维沉积，参与细胞外基质重塑，促进肝纤维化［40］。这些发现也进一步揭示COMP可促进纤维化进程。

目前普遍认为TGF−β1是驱动纤维化的关键细胞因子［41］，多数纤维化组织中TGF−β1的表达水平明显升高。在TGF−β1的作用下，肺泡上皮细胞中COMP的mRNA及蛋白表达水平均显著升高，TGF−β1可通过Smad2/3磷酸化路径激活COMP的表达［39］。Sargent等［42］采用基因芯片的方法对硬皮病患者皮肤成纤维细胞进行分析，发现COMP是TGF−β1的应答基因之一，COMP可能作为TGF−β1的下游蛋白发挥促纤维化作用。将正常人肺成纤维细胞的COMP基因表达沉默后，TGF−β1的靶基因PAI1转录水平下调，同时TGF−β1诱导的细胞增殖也显著减少［39］，COMP水平降低抑制了TGF−β1的活性，但未影响TGF−β1的表达水平。最新研究结果证实，COMP与TGF−β1直接结合形成复合体，可显著增强TGF−β1的生物学活性及其下游基因的应答水平［43］，因此两者之间可能存在反馈调节通路，对纤维化的发生与发展起到促进作用。

Zachou等［44−45］对慢性病毒性肝炎患者血清学研究发现，COMP表达水平与临床常用的肝脏纤维化程度指标具有良好的一致性，COMP可作为评价肝纤维化的敏感血清学指标。另一项有关丙型肝炎患者血清的前瞻性研究显示，治疗后的患者，在其肝脏纤维化指标明显好转且功能恢复良好的情况下，COMP表达水平并未出现下降趋势［46］。因此，COMP可否作为评价肝纤维化的可靠血清学指标尚存争论。

2.4 COMP与癌症肿瘤细胞周围的微环境由基质细胞、ECM成分和免疫细胞等组成，其与肿瘤细胞相互作用所构成的复杂网络对肿瘤的发生与发展尤为重要。COMP作为ECM也参与了恶性肿瘤的形成。Englund等［47］在部分乳腺癌组织中发现COMP呈高表达，COMP通过上调癌细胞MMP−9水平和增加癌细胞周围ECM降解促进乳腺癌细胞的侵袭与转移，同时通过减弱细胞内质网应激水平降低癌细胞的凋亡发生率。另一项研究显示，COMP可分别与乳腺癌细胞表面的Notch3受体以及Notch3的配体Jagged1结合，参与介导后两者之间的相互作用，增强Notch3信号通路的激活水平，从而促进乳腺癌中肿瘤干细胞的形成［48］。一项针对前列腺癌的研究发现，COMP在前列腺癌细胞中高表达，其可通过抑制内质网钙离子外流减少癌细胞凋亡［49］。上述研究提示COMP参与了癌细胞的代谢调节，通过增强癌细胞无氧糖酵解途径获取能量以适应肿瘤周围的低氧环境，从而促进癌细胞增殖与肿瘤生长。

上 皮−间 质 转 化（epithelial−mesenchymal transition，EMT）过程与癌细胞的侵袭及迁移密切相关，肝癌中高表达的COMP通过与细胞表面CD36受体结合激活ERK和AKT信号通路，促进了EMT进程以及MMP−2与MMP−9的表达，这些途径对肝癌细胞的侵袭及迁移起显著促进作用［50］。而在某些高度恶性的结直肠癌中，高表达的COMP通过与肌动蛋白结合蛋白Transgelin的相互作用参与细胞骨架的重塑，有效加快EMT进程，继而进一步促进癌细胞的侵袭及迁移［51］。

综上可知，癌组织中COMP既可作为ECM与细胞表面蛋白作用参与癌症的致病过程，又可通过多种细胞内途径对癌细胞的增殖与转移过程发挥调节作用。此外，在乳腺癌、肝癌、前列腺癌、直肠癌等患者血清样本中发现COMP表达水平明显升高，且其水平与患者预后具有一定相关性［50，52−54］。COMP有望成为恶性肿瘤诊治和预后评估的新型分子标志物之一。

3 结语

尽管COMP最初是从软骨细胞中分离得到，但随着研究领域的不断拓展却发现其参与构成了多种组织，并通过其不同结构域与其他ECM成分、降解ECM酶、细胞黏附分子、生长因子等相互作用发挥多种功能，在维持组织ECM结构的稳定、增加结缔组织的机械强度、抗凝血等方面具有重要生理学作用，而其表达异常可在骨关节与心血管系统疾病、组织纤维化、癌症等疾病进程中发挥不同作用，提示COMP具有一定的组织特异性。随着研究的深入将进一步揭示COMP功能的多面性与复杂性，研究COMP在疾病进程中的具体作用机制将为临床上多种疾病的诊治开辟一个新的方向。COMP在骨关节炎、类风湿关节炎中一直被认定为一个辅助诊断、病情监测、疗效及预后评价的分子标志物，同时有望成为评估纤维化疾病以及部分癌症病情的新型标志物。现有商品化的COMP血清学检测试剂盒为其临床应用带来较大便利，但考虑到个体之间多种因素对其水平的影响，如何将其转化为真正可用于指导临床的评价指标仍需要更深入的探讨，相信对COMP在不同领域的研究将有助于进一步扩大其应用范围并提升其临床应用价值。