Runx2在骨关节炎发生发展中的作用*

谌超，付桂仙，杨明晓，张帆

（昆明医科大学第一附属医院，云南昆明 650032）

骨关节炎（Osteoarthritis,OA）是一种以临床症状和关节组织变形为特征的慢性退行性关节疾病，主要损害关节软骨，导致关节周围疼痛、肿胀、僵硬[1]，是导致疼痛和身体残疾（畸形和活动范围受限）的第4 大原因[2]。随着生活方式的改变及人口的老龄化，预计OA 的患病率将逐渐增加。OA 显著降低了患者日常活动的能力，成为全球的一个主要医疗负担，其主要特点是关节软骨退化、骨质增生形成、软骨下硬化、滑膜炎症及最终的关节功能丧失[3]。除此之外，关节周围肌肉、神经、脂肪垫和黏液囊的变化也与OA 的发展相关[4]。目前研究[5-6]表明，OA 是一种涉及细胞和分子异常的关节退行性疾病，其发生机制目前尚不完全明确。然而，最近研究表明，Runx2 在人类OA 软骨和OA动物模型中表达升高，进一步的研究发现Runx2 的异常表达会出现关节软骨破坏及骨赘形成，从而导致关节软骨退化，且当Runx2 缺失后上述表征会减弱，表明Runx2 在OA 的发生发展中存在潜在作用[7-9]。本文就Runx2 在OA 发生发展中的作用进行综述。

1 Runx2结构和功能

Runt 相关的转录因子2（Runx2）是一种转录因子，属于Runx 基因家族，该家族具有DNA 结合域Runt，由Runx1、Runx2、Runx3 组成[10]，在各种组织生长发育的转录调节及其细胞增殖、凋亡、分化方面发挥关键作用[11]。作为骨骼生长发育的重要转录因子，Runx2 在软骨细胞、成骨细胞及多能间质细胞的增殖、成熟、分化中显著表达并发挥重要作用。首先，Runx2 在软骨细胞成熟过程中通过诱导软骨细胞中Ihh 的表达进一步调节软骨细胞的成熟和增殖及肢体的生长[12-13]，同时Runx2 还决定暂时性或永久性软骨的形成[14]。其次，Runx2 对成骨细胞的分化和骨祖细胞的增殖至关重要。一方面，Runx2 通过直接调控Fgfr2 和Fgfr3 的表达来诱导骨祖细胞的增殖[15]；另一方面，Runx2 在诱导骨祖细胞分化为软骨内骨的前成骨细胞中发挥重要作用，Runx2、Sp7 及典型Wnt 信号之间的相互调节作用与前骨细胞分化为不成熟的成骨细胞密切相关[12，16]。最后，Runx2 通过调控Hedgehog（Gli1、Ptch1、Ihh）、Fgf（Fgfr2、Fgfr3）、Wnt（Tcf7、Wnt10b）及Pthlh（Pth1r）信号通路基因的表达，诱导间质细胞增殖，并使其向成骨细胞系的细胞转化[15]。

2 Runx2在不同关节组织中的作用

2.1 关节软骨细胞

2.1.1 Runx2在关节软骨细胞成熟中的作用关节软骨细胞是OA 发生发展的主要参与者，软骨细胞成熟是OA 发生发展的一个重要因素，而Runx2 在软骨细胞成熟中扮演着主要角色，其在软骨细胞中的过度表达会加速整个软骨细胞的成熟，从而导致关节损伤。软骨细胞的分化和成熟是按照静止期、增殖期、肥大前期、肥大期、终末肥大期的顺序连续进行的。Runx2 在静止期和增殖期软骨细胞中弱表达，而在肥大前期和终末肥大期的软骨细胞中表达上调[17]，所以Runx2 是肥大前期软骨细胞分化成熟为肥大期软骨细胞的必要条件[18]。与此同时，有学者[13]指出，Ihh 在调控软骨细胞的增殖和成熟过程起着重要作用，在肥大前期软骨细胞中，Runx2 通过诱导Ihh 的表达，从而增加增殖期软骨细胞的增殖，证明Runx2 诱导Ihh 的表达间接调控软骨细胞的增殖和成熟。然而，有研究[19]发现甲状腺旁腺激素样激素（Pthlh）可被Ihh 诱导，至少部分通过抑制Runx2 的表达从而抑制软骨细胞成熟，因此Runx2-Ihh-Pthlh 形成的负反馈环路在软骨细胞成熟调控过程中起重要作用。除此之外，在OA 的进展过程中，Runx2 的表达在关节软骨细胞肥大分化过程中显著上调[9，20]，其上调过程主要通过以下4 个途径介导[6]：①β-连环蛋白/淋巴增强子结合因子（LEF）/T 细胞因子（TCF）复合物通过Wnt 信号通路；②典型Wnt 信号，介导从Sox9 至Runx2 通路的转换；③成纤维细胞生长因子（FGF2）启动快速加速纤维肉瘤（Raf）-丝裂原活化蛋白（MEK1/2）-细胞外受体激酶（ERK1/2）级联反应；④HIF-2α 与β-连环蛋白和NF-κB 通路的通信。同时，软骨细胞特异性敲除Runx2 延缓了OA 的进展，而在OA 的实验性小鼠模型中，他莫昔芬诱导的Runx2 在关节软骨中的表达加速了OA 的进展[7]。因此，上述发现表明Runx2 在OA 关节软骨细胞成熟肥大分化过程中作为主转录因子发挥作用。

2.1.2 Runx2 调控软骨细胞基质降解酶的表达OA 的发生与细胞外基质（extracellular matrix, ECM）合成和分解之间的稳态失衡密不可分，由IL-1β 和TNF-α 刺激的基质金属蛋白酶（MMP）过度产生是ECM 稳态失衡的主要原因，而Runx2 作为一种直接调节关节软骨细胞中MMP 表达的主要转录介质[21]，可促使MMP 的表达上调，导致ECM 合成和分解之间的平衡失调，进一步促使OA 的发生。目前研究[22]反映由软骨细胞产生的MMP13 可靶向软骨进行降解，是ECM 降解的主要参与者，在OA 的发病机制和软骨的ECM 变性中起着重要作用。MMP13在ECM 破坏中具有双重作用，其不仅参与ECM 主要组成成分Ⅱ型胶原蛋白的降解，还介导了另一组成成分蛋白聚糖（一种蛋白多糖分子）的消化[22]。同时，MMP13 在正常和早期退化软骨中表达较低，但在晚期OA 标本中显著上调[23]，其表达是由Runx2 通过复杂的增强子排列介导的[24]。MMP13 作为Runx2 的下游靶点，Runx2 可通过与MMP13 启动子结合[25]，在体内直接调节MMP13 的表达和启动子活性，且通过实时荧光定量聚合酶链反应分析表明Runx2 mRNA 表达上调与体内MMP13 表达下调相关[26]，从而证明Runx2 与MMP13 的表达密不可分。研究[27]表明，循环张力可加速软骨内骨化，MMP13 在循环张力下表达上调，受Runx2/Cbfa1 通路的控制[28]。然而，在Runx2 KO 小鼠中，由于Runx2 的敲低导致MMP13 表达的显著降低，OA 的病理进展得到改善。因此，结合MMP13 是软骨细胞肥大的标志，故Runx2 是应激诱导MMP13 表达的关键介质。此外，Runx2 也可通过控制聚集蛋白聚糖酶（Adamts）的表达，进一步降解ECM 的组成成分蛋白聚糖来影响ECM 的完整性，从而参与OA 的发病机制及关节软骨破坏。研究[29]发现，Adamts5单基因缺失消除了OA 样软骨破坏，因此Adamts5也是导致OA 软骨降解的主要因素。然而，进一步研究[30]证明，Runx2 过度表达可使人软骨肉瘤细胞和原代牛软骨细胞中Adamts5 的表达增加。同时机械应力诱导Runx2 过表达会使Adamts5 的表达上调，而Runx2 siRNA 转染会导致机械诱导的Adamts5 表达显著下调，因此Runx2 可控制Adamts5 表达，进一步参与OA 的发生发展[31]。除此之外，研究发现Runx2 单倍体不足和软骨细胞特异性Runx2 缺失均被证明在创伤性膝关节损伤后具有软骨保护作用，且这两种模型中MMP13 和Adamts5 的表达和整体软骨退变均降低[8]。Runx2 通过直接调控上述两种细胞外基质降解酶的表达，分别消化胶原蛋白或聚集蛋白聚糖，从而促进OA 过程中的关节软骨降解，导致关节软骨ECM 的完整性受损，在OA 进展过程中扮演重要角色。

2.1.3 OA 中Runx2 和miRNA 的相互调节从分子层面来看，近年来，随着对microRNA（miRNA）研究的深入，其在人类退行性OA 疾病中越来越多的作用被发现。据报道，miRNA 通过调节OA 关节软骨中Runx2 的表达，进一步参与OA 的发生发展。在软骨细胞增殖成熟分化过程中，机械敏感性miR-365 通过靶向组蛋白脱乙酰酶4（HDAC4），从而减轻其对Runx2 的抑制来促进软骨细胞的成熟，miR-365 表达的异常升高与人类原发性和外伤性OA 相关[32-33]；而miR-204 以Runx2 依赖机制降低了软骨细胞增殖，改善了啮齿动物模型中的OA 样表型[34]，同时miR-204/miR-211 双KO 小鼠表现出严重的、时间依赖性的OA 征象[35]；miR-186 通过调节关节软骨细胞P2X7 表达和P2X7 介导的组织蛋白酶-K/Runx2/Adamts5 信号轴来调节OA 的发病机制,延缓OA 进展[36]。此外，Runx2 的miRNA 调节常常以间接方式发挥作用，miR-145 通过减轻软骨主调节剂SOX9 介导的Runx2 抑制，间接调控Runx2，从而诱导Runx2 mRNA 水平的过表达[37]。上述研究证明Runx2 和miRNA 的相互作用在OA 进展中扮演重要角色，miRNA 可作为未来OA 治疗的潜在靶标，目前Runx2 和miRNA 的相互作用是OA 发生发展的一个关注领域，但应加强转基因动物或基因疗法的体内研究，从而促进对miRNA-Runx2 在OA 发病机制中作用的深入理解。越来越多的证据支持Runx2 通过对软骨细胞成熟肥大的调控、基质降解酶的直接调节、Runx2 与miRNA 相互调节作用及介导必要OA 信号通路，从而在调节OA 关节软骨细胞中发挥重要作用。

2.2 滑膜细胞

滑膜由滑膜成纤维细胞和巨噬细胞组成，可分泌滑液润滑和滋养关节，是关节的主要组成成分之一。滑膜炎是导致OA 致病机制的关键因素，与趋化因子和细胞因子密切相关，是OA 进展的主要标志[38]，同时滑膜成纤维细胞的衰老被认为是OA 发生发展的原因之一[39]。研究发现，成纤维细胞生长因子2（FGF-2）存在于滑液中，通过控制软骨细胞分化维持软骨稳态，与OA 软骨退变的严重程度高度相关[40]。研究[41]发现，人类OA 中FGF-2 通过MEK/ERK 信号通路激活Runx2，并上调MMP13的表达，相应地，MEK/ERK 通路的抑制阻碍了FGF-2 对Runx2 的激活，用FGF-2 处理增加了Runx2 磷酸化，说明FGF-2 对于OA 软骨退变的调控是通过Runx2 介导的。除此之外，ZENG 等[42]研究表明，来源于OA 滑膜成纤维细胞的外泌体PCGEM1 通过上调Runx2 和隔离miR-142-5p，从而促进IL-1β 诱导软骨细胞凋亡和ECM 降解。同时，PÉREZ-GARCÍA 等[43]首次报道了2 个参与软骨细胞代谢和OA 病理学的Wnt/β-连环蛋白和ERK-Runx2信号通路，通过介导OA 滑膜成纤维细胞衍生的Adamts-7 和-12 也参与了软骨ECM 降解，为OA 的致病机制提供了新的见解。WANG 等[44]研究表明，来自滑膜间质干细胞（SMSCs）过量表达miR-155-5p的外泌体（SMSC-155-5p-Exos）通过靶向Runx2 促进软骨细胞的增殖、迁移及ECM 分泌并抑制细胞凋亡，从而减少OA 相关损伤，促进软骨再生及预防OA 的发生。然而，Runx2 的过表达可部分逆转上述SMSC-155-5p-Exos 在OA 软骨细胞中的影响。

从分子水平上来看，HUANG 等[45]发现miR-204和miR-211 两种同源microRNA，其通过维持关节稳态以抑制OA 的发病机制，且特异性敲除间质祖细胞（MPCs）中miR-204/-211 会导致Runx2 在多类型关节细胞中的累积，从而引起全关节退化变性。具体而言，miR-204/-211 的功能丧失会上调关节软骨细胞和滑膜细胞中的基质降解蛋白酶的表达，从而刺激关节软骨的破坏[45]。此外，miR-204/-211敲除以Runx2 依赖的方式增强神经生长因子（NGF）的表达，从而过度激活Akt 信号和MPCs 增殖，成为多种非软骨性OA 疾病的基础，包括滑膜增生、骨赘生长及软骨下硬化，重要的是，Runx2 缺失很大程度上可缓解miR-204/-211 缺失诱发的OA[45]。上述研究证实了Runx2 在滑膜细胞导致OA 的发生发展过程中扮演着至关重要的角色。

2.3 软骨下骨细胞

近年来，软骨下骨因其在关节损伤中的重要作用而受到越来越多的关注。软骨下骨的组成或机械性能的改变似乎介导了OA 的发生发展，例如软骨下骨硬化降低了软骨下骨的减震能力，并增加了关节软骨交联的剪切诱导的拉伸失效风险，同时软骨下骨也被证明是炎症介质的潜在来源，这些炎症介质与更深层的关节软骨降解退化有关[46]。研究[47]表明，软骨下骨结构改变是OA 发生的主要原因，其结构紊乱是OA 的标志，包括硬化改变、囊性病变及骨赘形成，软骨下骨的异常重塑在OA 的病理中起着重要作用。在OA 的发生发展过程中，软骨下骨会发生不同的病理变化，早期发生软骨下骨磨损，晚期则表现为软骨下骨硬化[48]。为了进一步研究Runx2 在软骨下骨细胞中的特定作用，LIAO 等[49]通过复制Runx2 cKO 小鼠模型发现，Runx2 缺失阻断了软骨细胞易位到软骨下骨区域，并抑制软骨细胞转分化为祖细胞。相比之下，对照组小鼠组织学分析显示软骨下骨中存在广泛的软骨细胞，表明Runx2 在软骨下骨重塑中起着关键作用。

2.4 半月板

半月板作为一种纤维软骨结构，对膝关节内结构起着机械保护作用[50]。研究表明膝关节退化变性往往始于半月板损伤[51]。由于内侧半月板是无血管的，因此传统医学上认为内侧半月板损伤变性后无法再生[52]。有学者[53]通过OA 患者的内侧半月板无血管部分进行外植体培养，发现了一组具有迁移性、多向性和多功能性的细胞,被称为半月板祖细胞（MPC），且MPC 似乎被Runx2 调节。进一步的研究发现病变半月板标本中Runx2 水平升高，而转化生长因子β（TGF-β）水平降低，同时MPC 的软骨生成潜力受TGF-β 信号传导的控制，该信号通过诱导SOX9 增加和Runx2 减少,从而增强MPC 的软骨形成潜力。SCHMINKE 等[54]通过抑制OA 小鼠模型内侧半月板中的Runx2，证明了Runx2 是半月板OA 疾病发生的重要因素。这些研究表明Runx2 有助于损伤半月板的再生，是半月板中OA 进展的主要调节因子。

3 总结与展望

Runx2 是骨骼生长发育的重要转录因子，其正常表达是骨骼发生过程中膜内成骨和软骨内成骨的先决条件，在关节组织正常生长发育过程中必不可少，其在组织和分子层面与不同的OA 关节组织（关节软骨、半月板、滑膜细胞及软骨下骨）都存在相互作用。同时Runx2 还可调节细胞外基质降解酶的表达，在OA 的进展过程中促进软骨降解。虽然目前关于Runx2 在OA 发生发展中的作用机制尚未完全阐明，但目前的研究表明Runx2 在OA 发生机制的调控作用和治疗潜力巨大，随着研究的逐渐深入，基于Runx2 的分子靶向治疗有望成为OA相关疾病治疗的新策略。