Runx2、β-catenin 在骨科退行性疾病中的研究进展

余雷 王德伟

腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation, LDH)是一种常见的慢性腰椎退行性疾病, 其典型症状表现为腰背痛, 伴有下肢麻木、放射痛。主要的病理改变为受累节段椎间盘发生退变。而骨关节炎(osteoarthritis,OA)作为另一种常见的骨科退行性疾病, 临床上主要表现为负重关节部位疼痛及关节运动功能障碍。其病理基础为关节软骨的退变, 伴有软骨下骨发生硬化以及骨赘形成。随着人口老龄化的加重和人们日常生活方式的改变, LDH 和OA 的发病率日益增多, 其严重影响人们的生活质量及日常行动能力。大量研究表明,Runx2、β-catenin 作为Wnt/β-catenin 信号通路中诱导椎间盘退变(intervertebral disc degeneration, IDD)和关节软骨退变的重要调节因子, 可参与调控骨科退行性疾病的发病。因此, 了解Runx2 和β-catenin 在骨科退行性疾病中的作用机制尤为重要, 其有助于干预疾病的发生和指导临床治疗。

1 椎间盘与关节软骨的生理结构

椎间盘由位于内层的髓核(NP)、外周包绕纤维环以及上下软骨终板构成。其作为一种类软骨结构, 虽然椎间盘的外部形态与关节软骨有着很大差异, 但两者的内在结构却有着诸多相似性［1］。首先, 髓核与关节软骨的细胞外基质(ECM)组成相似, 均由Ⅱ型胶原及其聚合体构成。其次, 椎间盘与关节软骨作为无血供组织, 营养物质的供应都主要依靠扩散作用来实现。从细胞表型上可以发现, NP 内的脊索细胞与软骨细胞样细胞互相共存, 后者类似于关节软骨中的软骨细胞［2］。此外, NP 与关节软骨细胞群的表达谱具有高度同源性, 据推测, 两者的细胞类型可能来源于一个共同的细胞表达谱［3］。

2 IDD 与关节软骨退变的病理改变

IDD 是一个复杂且多因素综合作用的结果, 与基因、机械应激、细胞衰老和营养改变等有关［4］。其退变特征在于椎间盘ECM 中的Ⅱ型胶原及蛋白聚糖含量下降, 导致与水的结合能力降低, 椎间盘内含水量减少。同时, 伴有NP 细胞数量明显减少。有研究发现［5］, IDD 患者的椎间盘内出现NP 细胞衰老加速的现象, 这些细胞没有分裂及增殖的功能, 且产生ECM的能力也降低, 这从本质上改变了椎间盘的内在结构。椎间盘作为特殊的类软骨组织, 衰老和退变将导致NP内脊索细胞凋亡增加, 促使脊索细胞逐步被软骨细胞样细胞所替代［6］。关节软骨退变作为OA 的病理基础,主要表现为软骨细胞衰老及凋亡增加、软骨ECM 合成与分解代谢失衡［7］。有研究表明［8］, 伴随关节退变程度不断加剧, 关节软骨细胞衰老加速, 软骨ECM 降解增加, 关节软骨结构发生不可逆性破坏, 最终导致OA发生。

3 Runx 基因家族的功能与作用

Runx 属于小转录因子家族, 包含三个成员, 分别为Runx1、Runx2 和Runx3, 因其具有一个共同的runt结构域, 均位于N 端, 故命名为Runx［9］。Runx 各自具有不同的功能。Runx1 有刺激造血的功能, 可调节造血细胞的正常发育, Runx1 基因缺失可引起造血功能缺陷［10］；Runx2 可调节成骨细胞分化、诱导软骨细胞肥大,Runx2 基因缺失可导致骨形成缺陷［11］；Runx3 可促进神经生长和胃肠道发育, Runx3 基因缺失可导致胃肠和神经系统疾病发生［12,13］。此外, 在所有Runx 家族成员中, 只有Runx2 具有诱导IDD 的功能。有研究表明［14］,Runx2 基因具有一段由谷氨酰胺-丙氨酸残基组成的独特QA 结构域, 该结构域区别于Runx1 和Runx3, 能显著增强成骨活性, 并可诱导软骨退变, 故只有Runx2基因表达的小鼠才会出现异位骨化和IDD。

3.1 Runx2 参与骨与软骨代谢 Runx2 是一种调节成骨细胞成熟及软骨细胞分化的主要转录因子, 在骨与软骨代谢过程中起到重要的调控作用［15］。Runx2 可刺激成骨, 在成骨细胞中Runx2 基因表达下调, 骨形成将受到抑制, 骨量相应减少。而Runx2 基因表达上调可促进成骨细胞的分泌和成熟［16］。同时, Runx2 也可参与调节破骨细胞的活性, 研究显示［17］, Runx2 基因缺失可抑制破骨细胞的形成以及破骨活性。此外, Runx2还是调节软骨细胞分化的转录因子。有研究发现［14］,在生理条件下的小鼠胚胎发育过程中, Runx2 是唯一在椎间盘内正常表达的家族成员。该研究阐明, Runx2基因在软骨细胞分化等生理条件中的特异性和独特作用。

3.2 Runx2 在骨科退行性疾病中的作用 Runx2 作为诱导软骨细胞肥大的重要调节因子, 可促进OA 的发展。研究显示, 在OA 患者关节软骨细胞中Runx2 的表达明显升高, 可刺激关节软骨细胞代偿性肥大［18］。Runx2 在诱导软骨细胞肥大的同时, 肥大软骨细胞可能会释放某些因子促进软骨钙化, 钙化的软骨组织在进一步的刺激下发生骨化, 继而加速关节软骨的退变［19］。近年来, 有研究发现, Runx2 基因敲除后可以减缓实验小鼠模型中OA 的疾病进展［20］。因此, 在临床治疗中, 有望从基因靶点的治疗角度出发, 干预关节软骨细胞中Runx2 的表达, 以期延缓OA 的疾病进展。Runx2 与软骨营养不良犬的椎间盘衰老进程有关［21］。研究表明, Runx2 的高表达可促使NP 内脊索细胞凋亡增加, 并逐渐向软骨细胞样细胞转化, 随着年龄的增长这种现象表现愈明显［22］。胡舟扬等［23］研究发现, 退变的终板软骨细胞内可见Runx2 显著表达, 且随着退变程度的增加, Runx2 的表达量随之升高。该研究结果提示, Runx2 在终板软骨中的高表达与其退变程度呈正相关, 因而认为Runx2 可以作为评估IDD程度的重要分子标志。Runx2 诱导IDD 和软骨细胞分化的能力可归因于其独特的表达模式。Sato 等［14］建立退变小鼠模型显示Runx2 表达可诱导IDD, 主要是通过Runx2 基因特定QA 结构域增强肥大软骨细胞分化的结果。此外, Sato 等［14］研究还发现, IDD 患者的肥大软骨细胞中可见Runx2 的高表达, 因此推测, Runx2可能通过诱导软骨细胞肥大参与IDD 的发展。该研究阐明, Runx2 基因在IDD 等病理条件中的特异性和独特作用。因此, 通过抑制椎间盘内Runx2 的表达活性,有望减缓椎间盘的衰老与退变。

4 Wnt/β-catenin 信号通路

Wnt/β-catenin 信号通路由Wnt 蛋白配体、细胞膜受体以及细胞内信号分子构成。β-catenin 作为该信号通路中主要的细胞内信号分子, 研究发现［24］, 当细胞外Wnt 蛋白配体缺失时, 细胞质内的β-catenin由糖原合成激酶3β(GSK3β)介导而发生磷酸化, 后经泛素途径降解, 从而抑制Wnt/β-catenin 信号通路活性。然而, 当细胞外Wnt 蛋白配体存在时, 该信号通路得到激活。Wnt 蛋白配体与细胞膜中的受体蛋白结合, 从而抑制GSK3β 介导的磷酸化反应, 并保持β-catenin 的稳定性, 稳定的β-catenin 逐渐向细胞核发生转移, 继而激活细胞核内T 细胞因子(TCF)与淋巴细胞增强因子(LEF), 进而诱导成骨相关基因的表达。

4.1 β-catenin 在骨科退行性疾病中的作用 Wnt/β-catenin 信号通路的激活可导致软骨细胞分解代谢加速。在体外培养关节软骨细胞, 同时激活Wnt/β-catenin 信号通路的研究中发现关节软骨ECM 分解明显增加［25］。研究表明, 当Wnt/β-catenin 信号通路激活, 软骨代谢呈现负平衡, 关节软骨退变加速, 同时软骨下骨成骨增加, 继而促使软骨下骨发生硬化［26］。在β-catenin 高表达的小鼠OA 模型中也同样可以见到软骨退变加速, 软骨下骨的骨密度增加的现象［27］。

Wnt/β-catenin 信号通路可调控OA 的疾病进展。研究显示, 当Wnt/β-catenin 信号通路激活, 在OA 患者的关节软骨细胞中β-catenin 的表达显著上调, 其诱导基质金属蛋白酶(MMPs)和蛋白聚糖酶(aggrecanases)的表达活性增高, 进而引起关节软骨ECM 的破坏［28］。同样, 有研究表明, 关节软骨细胞中β-catenin 的积累增加与关节软骨ECM 中蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的表达减少有关［29］。Tian 等［30］研究发现, 在OA 患者的关节软骨中β-catenin 的表达量与退变程度呈正相关, 因而认为β-catenin 表达水平增高可能是OA 骨过度形成和软骨退变的共同致病机制。因此, 抑制Wnt/β-catenin 信号通路的活性有望改善软骨代谢功能, 延缓关节软骨退变进程。

Wnt/β-catenin 信号通路激活可抑制椎间盘内NP细胞增殖, 并诱导NP 细胞衰老［31］。Hiyama 等［32］研究表明, NP 细胞内β-catenin 的积累增加与椎间盘衰老有关, 当延长Wnt/β-catenin 信号通路激活时间可显著诱导细胞凋亡增加, 从而降低NP 细胞的存活率。近年来, 有研究发现［33］, 通过抑制Wnt/β-catenin 信号通路的激活可抑制NP 细胞凋亡及椎间盘ECM 降解,以此改善椎间盘功能。

β-catenin 的表达可促进IDD 发展。研究显示,当Wnt/β-catenin 信号通路激活, β-catenin 的mRNA及蛋白在椎间盘中表达明显升高［34］。姜海娜［35］研究表明, β-catenin 的表达量与IDD 的程度呈正相关。因而认为, 在Wnt/β-catenin 信号通路中椎间盘内β-catenin 的累积, 可诱导IDD。近年来, 尹东飞［36］研究发现, 在压力低氧环境中, 抑制Wnt/β-catenin信号通路的激活可促进椎间盘ECM 合成, 同时伴随纤维环细胞活性增加及纤维环向成骨分化, 进而加固纤维环结构, 限制NP 进一步突出。因此, 通过抑制β-catenin 的表达活性, 有望改善IDD 的进展。

4.2 Runx2、β-catenin 协同参与骨科退行性疾病Runx2 基因作为Wnt/β-catenin 信号通路的下游重要靶基因, 可与β-catenin 协同参与骨科退行性疾病。研究显示, Wnt/β-catenin 信号通路可通过介导Runx2基因的表达以此调节骨科退行性疾病中的骨代谢［37］。Runx2 基因启动子序列中含有一个特定的位点, 称之为TCF 作用元件, 当Wnt/β-catenin 信号通路激活,β-catenin 可通过与该位点进行结合, 从而启动并增强Runx2 基因的表达［38］。

有研究表明, 当Wnt/β-catenin 信号通路激活,β-catenin 在关节软骨细胞中的积累增加, 可通过增强Runx2 的表达活性, 进而促进关节软骨细胞肥大和OA的进展［39］。此外, NP 细胞内β-catenin 的表达上调与Runx2 的蛋白表达增加密切相关。Iwata 等［40］研究发现, 伴随IDD 的进展, 软骨营养不良犬的NP 细胞中Runx2 和β-catenin 表达明显升高。该研究阐明, 当Wnt/β-catenin 信号通路激活, β-catenin 表达升高可促使Runx2 显著表达, 继而协同参与IDD。

5 展望

Runx2 可通过诱导软骨细胞肥大, 参与OA 及LDH 等骨科退行性疾病的发病。当Wnt/β-catenin 信号通路激活, 在椎间盘和关节软骨细胞中β-catenin 和Runx2 的蛋白表达水平升高。β-catenin 可通过增强Runx2 的表达活性, 导致ECM 分解代谢增加, 进而加速关节软骨退变及IDD。因此, 通过抑制Wnt/β-catenin信号通路的激活, 可以作为治疗骨科退行性疾病的新思路和新方法。而单一或双重阻断β-catenin、Runx2的表达活性, 有望成为治疗OA 和LDH 的重要分子靶点, 在未来的临床应用和治疗中还有待进一步研究。