转化生长因子-β信号转导通路与骨关节炎

张晋宁 杨天翔 张博文 程萌旗 陈德胜

我国已步入人口老龄化阶段，骨关节炎患者逐年增加，但目前对于骨关节炎发病机制研究仍处于探索阶段。近年研究显示，转化生长因子(TGF)-β信号转导通路在骨关节炎发生发展过程中发挥重要作用。TGF-β对软骨早期形成、细胞外基质产生与降解、骨赘形成、滑膜炎症改变有一定的调控作用[1]。本文就TGF-β在骨关节炎病变中的相关作用进行综述。

1 TGF-β信号转导通路组成和功能

TGF-β超家族是具有30多个成员的因子家族，主要包括 TGF-β、骨形态发生蛋白 (BMP)、活化素和抑制素等[2]。TGF-β超家族成员转导的信号通路通过影响细胞增殖、分化和迁移来调节组织生长与发育[3]。TGF-β超家族成员通过异质受体复合物发挥作用，该复合物由细胞表面的Ⅰ型和Ⅱ型受体组成，通过Smad复合物或丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联传递细胞内信号。TGF-β和BMP在成骨过程中具有不同的功能，包括间充质凝结、骨架形态发生、生长板发育和成骨细胞分化等[4]。 TGF-β和BMP信号转导通路相关人类基因突变可导致遗传发育性骨疾病发生。

1.1 TGF-β

人类TGF-β主要有3种结构类似的亚型，即TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3[5]。这3种亚型高度同源，但分别被不同基因所编码。起初，相关基因先形成前体TGF-β，随后进入高尔基体进一步加工修饰，最终生成成熟TGF-β[6]。一般情况下TGF-β活性受抑制，当机体出现离子强度变化及活性氧化物质(ROS)、整合素等物质形成，TGF-β信号分子激活并释放。此时，TGF-β被细胞膜表面相关受体识别并与之结合，将细胞外信号传导至细胞内，从而调控机体活动。

1.2 TGF-β受体

TGF-β受体(TβR)在人体组织内广泛分布。根据其表型可将TβR受体分为3种：TβRⅠ、TβRⅡ、TβRⅢ。TβRⅠ和TβRⅡ主要成分为糖蛋白，均为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体，具有激酶活性，可跨膜传递信号。TβRⅢ主要由蛋白多聚糖构成，没有激酶活性，但可以增强TβRⅠ和TβRⅡ亲和力，辅助信号转导。TβRⅠ又称激活素受体样酶(ALK)，有7种形式，分别为ALK1～7。在TGF-β信号转导通路中，TGF-β活化后先与由2个TβRⅠ和2个TβRⅡ组成的四聚体复合物结合。TβRⅡ具有持续激酶活性，可将TβRⅠ(ALK1、ALK5)磷酸化。此时ALK1、ALK5被激活并在细胞膜表面网络蛋白帮助下进入细胞质[7]。进入细胞质的受体复合物在ALK1或ALK5帮助下与Smad蛋白相结合，继续向细胞核内传递信息。由ALK传导的信号转导通路主要有2条，即ALK5-Smad2/3传导的TGF-β信号转导通路和ALK1-Smad1/5/8传导的BMP信号转导通路。机体根据组织内ALK1和ALK5受体数量和其之间的比值决定选择ALK5还是ALK1。生理情况下ALK5-Smad2/3与ALK1-Smad1/5/8处于平衡状态，以此来保证关节内的稳态。同时TGF-β诱导骨髓间充质干细胞(BMSC)向软骨细胞分化需ALK5和ALK1，TGF-β不仅直接诱导软骨形成，而且调节BMSC中的ALK5和ALK1受体信号传导[8]。

1.3 Smad蛋白

当TGF-β信号传入细胞质后，若想继续向细胞核传递需Smad蛋白。根据Smad蛋白功能可将Smad蛋白分为3类：受体调节型Smad(R-Samds)，包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8；通用型Smad(Co-Smad)，包括Smad4；抑制性Smad(I-Smads)，包括Smad6、Smad7[9]。不同的R-Smad蛋白与不同的ALK受体结合，以此产生不同作用，从而调控细胞生理活动。ALK5与R-Smad蛋白中的Smad2、Smad3结合。ALK1则与Smad1、Smad5、Smad8结合。最终它们都会与Co-Smad蛋白结合，在2种Smad蛋白的共同帮助下将信号传导到细胞核内。随后，细胞核内的相关DNA序列及调控蛋白会与Smad蛋白N端和C端的结构域相结合，最终激活不同基因组，以此来调控细胞在体内不同情况下的生长发育[10]。I-Smads则会阻碍R-Smad蛋白与Co-Smad蛋白或受体相结合，从而负向调控TGF-β信号转导通路的传导与表达。miR-455-3p可促进软骨细胞中的TGF-β/Smad信号，通过直接抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(PAK)2来抑制软骨退化。这些结果表明，miR-455-3p和PAK2分别是治疗骨关节炎的新颖潜在治疗剂和靶点[11]。BMSC转变为软骨细胞的过程中Smad3较Smad4更为重要[12]，Smad3敲低和过表达都会对软骨形成起到抑制作用，而Smad4敲低则会完全阻止软骨形成，且软骨诱导似乎依赖于Smad3与Smad4的微妙平衡[6]。TGF-β诱导Smad3和Smad1/5/9蛋白水平取决于辅助因子Smad4水平。

2 TGF-β与软骨细胞

2.1 TGF-β对软骨细胞生长的调控

在软骨细胞形成早期阶段，相关转录因子Sox表达明显增加，Sox可有效刺激软骨细胞生成，增强细胞外基质主要成分Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖沉积[13]。在Smad依赖的信号转导中，磷酸化R-Smad(Smad1、Smad5、Smad8)与Smad4复合物一起转运到细胞核并招募辅助因子和Runx2来调节成骨基因表达。I-Smad通过阻止R-Smad磷酸化、招募E3泛素连接酶(Smurf1)、促进R-Smad或受体降解和抑制R-Smad/Co-Smad复合物核易位来负调控Smad信号。研究显示，BMP可与高度亲和的Ⅰ型受体结合，激活MAPK信号转导通路，参与骨修复过程[14-15]。随着年龄增加，ALK5表达下降速度快于ALK1，从而使ALK1/ALK5比例上升，导致软骨细胞肥大[16]。研究发现，在培养的骨关节炎患者软骨细胞中TGF-β2可减少胶原分解和软骨分化[17]，其作用可能是通过增加前列腺素E2来实现[18]。然而，TGF-β还会抑制成骨细胞成熟、矿化和向骨细胞转变。随着年龄增长，TGF-β-ALK5-Smad2/3信号向TGF-ALK1-Smad1/5/8信号转换可导致骨赘形成和骨关节炎发病。在骨关节炎患者中，由于各种因素的作用，关节内骨微环境遭到破坏，TGF-β可趋化间充质干细胞向关节聚集，并促使其分化为骨样小岛，最终引起软骨下钙化加重，加速关节软骨退变[19]。

2.2 TGF-β对关节软骨细胞分化的调节

TGF-β对关节软骨细胞分化的调节由具体情况决定，通常对于未分化和分化早期软骨细胞，TGF-β对其分化起到诱导作用，使其快速分化成软骨细胞，从而使得关节软骨细胞外基质的量得到保证，以利于关节活动。而对于分化终末期关节软骨细胞，TGF-β对其分化起抑制作用，同时会诱导某些降解酶抑制因子合成，维持软骨细胞表型，以此来保证关节软骨稳定与功能[20]。关节软骨晚期会出现明显的细胞肥大和细胞外基质重建。晚期出现的肥大标志物有成骨转录因子Runx2、Ⅹ型胶原、基质金属蛋白酶(MMP)-13等。研究发现，Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖生成与ALK5-Smad2/3信号转导通路密切相关，可对软骨终末分化起到一定的抑制作用，维持关节软骨正常状态[21]。而ALK1介导的经Smad1/5/8的BMP信号转导通路则可促进软骨细胞终末分化，使软骨细胞肥大。BMP对关节软骨的作用主要为促进关节软骨新陈代谢，对老化关节软骨细胞进行降解，同时也会刺激软骨生成，以维持软骨最佳状态[22]。

3 TGF-β对细胞外基质的影响

软骨细胞和细胞外基质是关节软骨主要组成成分[23]。正常情况下，细胞外基质含量一直保持在较为稳定的状态，这为关节提供了良好的工作环境。但研究发现，骨关节炎患者在早期阶段就会出现细胞外基质丢失增加及骨吸收增强。当关节软骨持续处于磨损、压力过大、代谢异常等情况下，机体自身修复不能代偿软骨破坏与损耗就会发生骨关节炎。细胞外基质降解与MMP-13密不可分，且在骨关节炎患者关节中MMP-13明显增加，这会对关节软骨产生巨大破坏。但在正常生理情况下，机体存在组织金属蛋白酶抑制剂，其可有效预防细胞外基质降解，从而保证关节软骨稳定性。TGF-β可增强软骨基质合成代谢能力，调控细胞外基质降解[24]。在骨关节炎早期，TGF-β升高在一定程度上可加快关节软骨新陈代谢，以此来保护关节，如果关节软骨长期处于高磨损状态，且微环境受到破坏，会加速骨关节炎形成[25]。

4 调节TGF-β配体与TβR

在细胞各个层级的信号转导过程中，机体通过调节TGF-β配体合成及TβR与TGF-β配体结合等来调控TGF-β信号转导通路[16]。TβRⅢ本身并不具备信息转导能力，其通过辅助TGF-β配体与TβR结合，增强TβR与TGF-β配体结合的能力来达到增强TGF-β信号的作用[26]。游离型TβRⅢ与TGF-β出现竞争性抑制，导致部分TGF-β不能向下传递信号，最终减弱TGF-β生物效应[27]。此外，一些膜受体结合蛋白如TGF-β受体相互作用蛋白(TRIP)-1、FK506结合蛋白(FKBP)12、肿瘤坏死因子受体相关蛋白(TRAP)-1、SARA蛋白等也参与TGF-β信号转导通路的调控[28]。在关节软骨形成过程中，TβRⅡ会抑制关节软骨细胞肥大和终末分化[29]。研究发现，敲除小鼠软骨细胞中TβRⅡ后，关节软骨组织内 Runx2、MMP-13表达上调，小鼠逐渐出现骨关节炎反应，表明TβRⅡ对于关节软骨具有一定的保护作用[30]。

5 TGF-β与核内蛋白相互作用

在TGF-β进入细胞质后，需继续向细胞核内传递信息，此时就会与R-Smad蛋白结合，并与Co-Smad蛋白形成聚体复合物进入核内，转入核内的复合物再与已和DNA结合的辅助因子(抑制子或激活子)结合，最终决定靶基因转录活性[31]。其中抑制子有锌指增强子结合蛋白(ZEB)、Evi-1蛋白、Ski/SnoN蛋白、Smad核内相关蛋白(SNIP)1等，激活子有信号转导与转录激活因子(STAT)3、转录因子E3(TFE3)等，这些蛋白几乎都通过直接或间接与Smad蛋白结合，影响复合物或DNA结合位点，发挥生物学作用[32]。I-Smad蛋白可抑制R-Smad蛋白与TGF-β结合，从而对软骨产生调控。

6 TGF-β信号转导通路对骨关节炎炎症的调控

大多数中晚期骨关节炎患者关节中都会有一定的滑膜炎或滑膜纤维化，这些病理变化与TGF-β也有一定的关系。在一些骨关节炎患者关节中成纤维样滑膜细胞的量较正常人较高[33]。研究表明，在骨关节炎病变过程中，免疫系统及滑膜炎症对于疾病进展有重要作用[34]。关节滑膜炎症会直接引起患者关节疼痛。研究发现，将TGF-β注射到小鼠关节内，与对照组相比，实验组小鼠很快出现关节肿痛；经观察实验组小鼠关节内不久就会出现炎性细胞与免疫细胞，并会有单核巨噬细胞浸润[35]；短期内大量白细胞聚集及炎性因子含量上升，会严重损伤关节尤其是软骨[36]。有学者阻断骨关节炎动物模型TGF-β信号转导通路，结果这些关节炎性反应明显减轻[37]。

7 结语

TGF-β及其受体在滑膜、骨、软骨中都有分布，但TGF-β对骨关节炎患者关节与正常关节所起到的作用不同[38]。在正常关节中，TGF-β会促进软骨细胞增殖并抑制软骨细胞肥大与成熟，对关节有良好的保护作用。但骨关节炎患者中，TGF-β促使Runx2、MMP-13生成，导致关节软骨退化，且TGF-β诱导软骨下骨成骨，促进骨细胞成熟。在骨关节炎中后期，TGF-β对软骨下骨进行重塑，其与骨硬化、骨赘形成有关。TGF-β还可通过诱发滑膜细胞产生炎症因子，这进一步导致关节软骨退变。TGF-β和BMP信号在胚胎骨骼发育和出生后骨稳态中都有重要作用。TGF-β信号转导通路和BMP信号转导通路由多个因素控制，包括泛素-蛋白酶体系统、表观遗传因素和微RNA。

TGF-β信号转导通路对于关节软骨维持与稳态息息相关，是治疗骨关节炎的潜在靶点，深入研究TGF-β与软骨、滑膜、炎症因子之间的关系可为将来治疗骨关节炎提供新的思路与方法。