NF-κB 信号通路在骨性关节炎软骨破坏中的研究进展*

2021-07-30郑晓慧袁普卫

中国疼痛医学杂志 2021年7期

郑晓慧董博袁普卫郑洁△

（1 陕西中医药大学，西安 712046，2 陕西中医药大学附属医院骨病科，咸阳 712000）

骨性关节炎(osteoarthritis, OA)是一类以关节软骨细胞外基质进行性破坏为特点，并伴有滑膜、软骨下骨及关节周围组织病变的复杂性关节疾病。随着人口老龄化进程的加快，OA 患病率不断升高。OA 引发的关节功能障碍不仅影响病人的生活质量而且是导致残疾的主要原因。因发病机制不明，治疗OA 的药物，如非甾体消炎镇痛药(NSAIDs)和氨基葡萄糖，仅限于缓解症状，无法阻止疾病的发展进程，手术通常是治疗膝关节OA 的最后手段。因此，界定导致OA 启动和进展的危险因素，有助于揭示该疾病的生物标志物和治疗靶点。

关节软骨主要由细胞外基质 (extracellular matrix, ECM) 和软骨细胞构成，软骨细胞作为关节软骨中仅有的一种细胞，在骨性关节炎的发病过程中起着重要作用。生理条件下，软骨细胞的合成和分解维持着细胞外基质的动态平衡，从而保持软骨的结构和功能完整性。病理环境下，炎症细胞因子、过度的机械应激或ECM 降解产物等因素激活的NF-κB转录因子可诱导分解基因转录，软骨细胞分解代谢压倒合成代谢，最终导致软骨退变，加速OA 进程。此外，NF-κB 转录因子作为致病因子在OA 中异常激活，还参与了软骨细胞存活和滑膜炎的相关活动[1,2]。NF-κB 上游调节因子、辅助因子和下游效应因子被认为是OA 治疗干预的潜在靶点[1]。近年来，国内外学者对NF-κB 信号通路以及相关调控机制进行了一系列的研究。本文对NF-κB 在OA 病理生理、关节软骨稳态维持以及在软骨分解代谢促进作用进行综述，为OA 软骨破坏的深入研究及临床治疗方法的确定提供新的研究思路。

一、NF-κB 的一般功能及调节

NF-κB 是一种诱导转录因子，在免疫反应、炎症反应、细胞分化以及正常细胞和恶性细胞的存活中起着重要作用，关节炎、癌症和自身免疫性疾病和肿瘤等多种病变均存在NF-κB 通路功能失调的现象。在哺乳动物中，NF-κB 由Rel 家族五个成员的同源和异源二聚体组成，包括NF-κB1 (p105/p50)、NF-κB2 (p100/p52)、Rela (p65)、RelB 和c-Rel。NF-κB信号系统由多达15 种不同的细胞类型和刺激特异性二聚体组合组成。在结构上，反式激活结构域在Rela、RelB 和c-Rel 中是有限的，因此p50 和p52之间的同源和异源二聚体不能作为转录激活剂。在NF-κB 二聚体中，p65/p50 异源二聚体是其原型，这种复合物存在于大多数细胞类型中，并作为一种有效的转录因子发挥作用。在未受刺激的细胞中，NF-κB 二聚体通过与抑制性IκB 蛋白的相互作用而保留在细胞质中。刺激后，IκB 被IκB 激酶 (IκBkinases, IKKs) 磷酸化，并被蛋白酶降解，使游离的NF-κB 复合物转移到细胞核，与NF-κB 反应物结合激活数百种免疫调节蛋白、促炎细胞因子、趋化因子、粘附分子和生长因子的表达。NF-κB 还诱导IκBα，通过负反馈机制抑制NF-κB。除了动态亚细胞易位外，NF-κB 活性还受到其翻译后修饰的调节，如磷酸化、乙酰化、甲基化和泛素化。IκB 家族的两个非经典成员B 细胞淋巴瘤3(Bcl-3)和IκBζ也参与调节NF-κB。与经典的IκB 蛋白不同的是，它们与细胞核中的p50 或p52 相关，并选择性调节NF-κB 依赖基因的表达[3]。

激活NF-κB 是由两种不同的信号通路介导的，即经典通路和非经典通路（见图1）[4]。这些途径主要由促炎症信号或因子激活。经典通路涉及由p65、c-Rel 和p50 亚基组成的NF-κB 二聚体，需要IKK复合物 (IKKα/β/γ)。由于IκB依赖的负反馈机制，该途径是快速作用并且可逆的。相反，非经典途径主要通过IKKα 激活p52 和RelB。与经典通路相比，非经典通路中NF-κB 的激活更慢、更持久。

图1 经典通路和非经典通路[4]

二、NF-κB 信号在OA 软骨细胞分解代谢的作用

生理情况下，关节软骨细胞的合成代谢与分解代谢处于相对平衡状态。OA 环境下，软骨细胞分解代谢加快，导致软骨细胞外基质完整性被破坏[5]。OA 炎性过程及机械负荷均可激活NF-κB 通路，加速软骨细胞分解代谢。在培养的软骨细胞中，用NF-κB 抑制剂治疗可降低白细胞介素1β (IL-1β) 诱导的分解代谢基因的表达。在动物模型中，通过IA注射特异性siRNA 技术敲除NF-κB p65，可减轻损伤诱导膝OA 软骨病变[6]。因此，了解NF-κB 开启软骨分解代谢途径的机制，可以为OA 软骨破坏提供新的思路。

1. NF-κB 对基质降解酶的异常调控加速软骨细胞分解代谢

NF-κB 可直接或间接诱导软骨细胞外基质降解酶和其他OA 相关因子的表达，并协调其他软骨分解途径加速OA 软骨破坏。NF-κB 通过位于基质金属蛋白酶1 (matrix metalloproteinases-1, MMP-1)、MMP9 和软骨寡聚基质蛋白 (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTS)5 基因启动子中的NF-κB 反应因子诱导以上软骨基质降解酶的基因表达，并促进OA 主要促炎和破坏性介质的表达，包括环氧合酶2 (cyclooxygenase 2,COX2)、前列腺素E2 (prostaglandin E2, PGE2) 和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)。NF-κB 还能够上调其他转录因子，如缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor, HIF)-2α、ETS 结构域蛋白1 (ETS domain-containing protein-1, ELK1)和E74 样因子3 (E74-likefactor 3, ELF3)，进而通过调节炎性过程及分解代谢加速OA 软骨退变。活化的HIF-2α 通过与位于促软骨分解代谢基因启动子中的HIF-2α 结合阈结合来促进软骨基质降解酶的表达[7]。CCAAT/增强子结合蛋白β (CCAAT/enhancer-binding protein-β, C/EBPβ) 是HIF-2α 的靶基因，通过直接诱导MMP13 的表达而加重OA 的进展[8]。在碱性成纤维细胞生长因子 (basic fifibroblast growth factor, bFGF) 处理的软骨细胞中，ELK1 直接增加MMP13 的表达[9]。ELF3 既是NF-κB 的下游靶点和辅助因子，也是NF-κB 信号的激活因子，可驱动COX2、iNOS 和MMP13 等的基因表达，促进软骨基质降解[10]。这些研究表明，NF-κB 可参与多种基因表达程序，通过多层信号网络促进软骨基质降解酶、促炎细胞因子及炎症介质的高表达，加快OA 软骨退变进程。

2. NF-κB 调节因子的异常表达加速软骨细胞分解代谢

软骨细胞中存在多种可激活或抑制NF-κB 活性的调节基因。生理情况下，可激活NF-κB 的基因与抑制NF-κB 活性的基因处于动态平衡，共同维持软骨内稳态。OA 环境下，NF-κB 活化因子较NF-κB抑制因子的表达明显上调。

（1）通过直接作用调节NF-κB 活性的因子：最近发现IκBζ 可能是代替OA 中NF-κB 发挥抑制作用的治疗靶点。IκBζ 作为非经典的IκB 家庭成员，由NF-κB 诱发，而且又是NF-κB 在免疫细胞中的转录辅激活物。在软骨细胞中，IκBζ 过度表达与NF-κB p65、p50 和p52 亚基形成复合物响应IL-1β并增强NF-κB依赖性转录反应和分解基因的表达[2]。因此，IκBζ 似乎是NF-κB 激活OA 软骨细胞基因转录过程所必需的。

转录因子TCF4 是Wnt 信号通路的下游效应因子。软骨细胞中TCF4 的过度表达与NF-κB p65 直接结合诱导MMPs 的表达并加速NF-κB 的激活，从而与NF-κB 的内源性抑制剂IκBα 竞争[8]。RNA结合蛋白SAM68 可调节多种细胞类型的NF-κB 活性，在肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor, TNF)-α处理的软骨细胞中，SAM68 可介导激活NF-κB和分解基因的表达[11]。导入α 家族的成员核转运蛋白α2 (KPNA2) 可调节p65 核易位，在IL-1α 处理的软骨细胞中，KPNA2 促进p65 核转运而加速软骨细胞的分解代谢[12]。因此，了解干扰NF-κB信号的因子可以为OA 治疗提供新方向。

（2）在OA 条件下激活NF-κB 的因子：研究表明OA 关节滑膜液和关节软骨中的分泌蛋白或多肽异常积累，分泌蛋白可作为生物标志物发挥靶向作用。过度的机械负荷已被证明会激活NF-κB 和促进OA 的发展，而生理负荷能防止软骨丢失，并抑制NF-κB 在多个方面的激活，包括抑制转化生长因子β 激活激酶1 (TAK1)和IKKβ。虽然小鼠膝关节gremlin-1 水平的增加导致了OA 样表型，但软骨细胞gremlin-1 的失活可抑制创伤后和自发性OA[13]。因此，过度机械负荷激活的RAC1-ROS-NF-κB 途径诱导gremlin-1，使分泌的gremlin-1 进一步激活NF-κB 依赖性软骨细胞分解代谢并抑制骨形成蛋白(bone morphogenetic proteins, BMPs) 依赖性代谢。

传统的炎性细胞因子（如IL-1β 和TNF-α）治疗软骨细胞已被广泛用于制备体外OA 模型。而NF-κB 靶基因IL-6 在OA 进展中也有致病作用。最近，IL-36α 作为IL-1 细胞因子亚家族的成员，因在炎症关节中高度表达而被认为是一种有效的OA 诱导因子。研究发现OA 软骨中IL-36α 与正常软骨相比有明显上调，并表明在软骨细胞中IL-36α 的分解作用是通过激活NF-κB 信号。TGF-β-IL-36α 轴被认为是OA 病理中的一个关键信号通路[14]。在正常关节中，TGF-β 信号在软骨细胞中起保护作用。研究发现关节损伤使TGF-β2 型受体 (TGFBR2) 失活而触发IL-36α 的感应，导致NF-κB 和丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 依赖的MMP13 激活，并最终导致OA 软骨破坏[14]。染色质蛋白高迁移率组盒1(HMGB1) 具有核因子和细胞外因子的功能，能调节IL-1β 诱导激活NF-κB 和软骨细胞分解代谢基因的表达[15]。这些研究确定了NF-κB 发挥抑制作用的潜在信号通路和靶点。

（3）在OA 条件下抑制NF-κB 的因子：当NF-κB受到维持软骨稳态的因子抑制时，OA 的发展会减慢。这些降低软骨细胞分解代谢中NF-κB 活性的抑制因子包括Yes 相关蛋白1 关键效应基因 (YAP1)、皮质抑素(CST)、胰岛素样生长因子II (IGF-II)、丝氨酸蛋白酶抑制剂E2 (SERPINE2)、低密度脂蛋白受体相关蛋白1 (LRP1) 和细胞因子信号-1 抑制因子(SOCS1)。YAP1 作为OA 中NF-κB 活性的重要负调节因子。机制上，炎性细胞因子诱导激活海马信号并依赖TAK1 降解YAP1，导致IKKα/β-NF-κB 级联激活，而通过软骨特异性敲除YAP1 可增强软骨细胞分解代谢来扩大实验OA。此外，在海马信号通路中，作为YAP1 上游抑制激酶的MST1/2 的下调减轻了OA 的发展。CST 可通过与TNF 受体直接结合而阻滞TNF-α 功能并抑制软骨细胞中NF-κB的激活。自发和手术诱导的OA 模型的研究表明，CST 缺乏导致OA 样表型加速，而外源性CST 则减弱体内OA 的发展。OA 软骨中IGF-II 的表达明显下调[16]。在小鼠膝关节或软骨细胞中过度表达IGF-II可降低IL-1β 诱导的NF-κB 激活或实验性OA 进展。对SERPINE2、LRP1 和SOC1 的研究仅限于体外软骨细胞，但这些蛋白对炎症细胞因子诱导激活NF-κB 激活和分解因子在软骨细胞中的表达有负调控作用。这些抑制因子可能有助于克服OA 软骨破坏中NF-κB激活。

三、NF-κB 相关表观遗传变化在OA 软骨破坏中的作用

OA 的发病及进程受到多种表观遗传机制的调控，包括DNA 甲基化、组蛋白修饰和微小RNA(miRNA)[17]。软骨细胞基因的表达影响OA 发生和发展，很多软骨细胞基因受NF-κB 信号的调控，这里主要介绍与NF-κB 相关的组蛋白去乙酰化酶(HDACs)、微小RNA (miRNA)在OA 的作用。

HDACs 由两大家族构成，分别为经典的HDAC 家族和NAD+依赖SIRT2 家族。HDACs 影响NF-κB 活性和分解代谢基因在软骨细胞中的表达。通过抑制经典的锌依赖的组蛋白去乙酰化酶（I类和II 类）或NAD+依赖的去乙酰化酶（III 类）后，观察到对OA 病理的变化。III 类HDACs，包括SIRT1-7，共有一个共同的催化核心结构域。其中，SIRT1 和SIRT6 可通过直接去乙酰化NF-κB p65 亚基在赖氨酸310 (SIRT1) 或组蛋白H3 在NF-κB 靶基因启动子 (SIRT6) 的去乙酰化来抑制NF-κB p65 活性[18]。在关节中，使用SIRT1 激活剂或SIRT6 过度表达，可抑制促炎细胞因子诱导的软骨细胞分解代谢基因的表达来减轻实验性OA 进展，而SIRT1的软骨特异性敲除加速了OA 的发展，表明SIRT1和SIRT6 在维持软骨完整性方面起重要作用。相反，经典的组蛋白去乙酰化酶（I 类和II 类）促进OA 的发展。用泛HDAC 抑制剂如HDAC1-10 或HDAC-6 特异性抑制剂 (ACY-1215) 可抑制软骨细胞中NF-κB 的激活和IL-1β 刺激的分解基因的表达[17]。另一种泛HDAC 抑制剂TSA 可减轻实验性OA 进展。这些研究表明，HDACs 对软骨细胞的基因表达具有重要调控作用。

与正常关节软骨相比，OA软骨细胞多种miRNA的表达发生显著变化，表现为表达上调或表达受抑。受NF-κB 信号正调控的miRNA 包括miR-27b、miR-140、miR-146a、miR-204 和miR-365，而受NF-κB 负调控的miRNA 有miR-26a-5p、miR-92a-3p、miR-320和miR-558。这说明NF-κB 信号在OA 中miRNA起到重要作用。MIR-365 在OA 病人膝关节中表达增加，并通过靶向HDAC4 促进分解因子的表达。由NF-κB 响应衰老信号刺激诱导的miR-204 通过靶向多组分的蛋白多糖生物合成途径促进OA 软骨破坏，而抑制miR-204 可改善实验性OA。研究发现，许多类型的miRNA 可通过抑制NF-κB 信号通路的基质降解酶或分子来抑制软骨细胞分解代谢。如MMP13 受miR-27b、miR-140 的影响表达上调和miR-320 的影响表达受抑[19]。而miR-92a-3p 抑制ADAMTS4/5 在软骨细胞的表达[20]。MiR-138 和miR-9 直接抑制NF-κB 亚基p65 或p105/50[2,21]。MiR-558 和miR-26-5p 的下调分别诱导NF-κB 下游COX2 和iNOS 的表达[22,23]。MIR-146a 可通过靶向来自椎间盘的软骨细胞和髓核细胞中的TRAF6 来降低分解因子的表达，还可通过靶向Smad4 或增加细胞凋亡来破坏TGF-β 信号，从而促进OA 的发病[24]。最近发现miR-146a 在OA 中起保护作用，因此miR-146a 基因敲除或抑制剂的IA 治疗都能减轻内侧半月板失稳术 (DMM) 引起的软骨病变来维持膝关节稳态[25]。