微RNA和信號通路在骨關節炎病理機制中的作用研究進展

智佳佳，杜朝政，王 越，王宇澤

(山西醫科大學第二醫院骨科，山西 太原 030001)

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是一種以關節軟骨進行性損傷為特征的慢性疾病。OA是全球范圍內引起疼痛和殘疾的主要原因之一，目前全球以膝關節OA患者最為常見，約有2.5億[1]。OA發病因素眾多，包括年齡、肥胖、外傷、遺傳等[2]。OA通常累及關節軟骨及其周圍組織，導致關節的腫脹、疼痛伴不同程度的運動功能障礙。早期OA以對癥治療為主，主要包括緩解癥狀、改善骨關節功能，但不良反應和并發癥較多，遠期治療效果不理想，最終需要進行關節置換手術[3]。因此，在OA發生、發展的早期進行有效干預尤為重要。

信號通路或相關途徑在OA病理中起重要作用，參與細胞增殖和凋亡、細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的合成和降解、炎癥反應和免疫反應等[4]。越來越多的證據表明，微RNA(microRNA,miRNA)在各種復雜的疾病中起著至關重要的作用[5]。近年來表觀遺傳學研究表明，miRNA通過調控關節軟骨細胞基因的表達參與OA的病理進展[6]。miRNAs可通過不同的信號通路參與OA的病理進展。本文就miRNA和信號通路在骨關節炎病理機制中的作用進行綜述，旨在為骨關節炎的研究和診療提供新的方向。

1 OA的病理表現

關節軟骨的退行性病變和炎癥是OA的主要病理表現，關節軟骨細胞的功能之一是產生和維持軟骨ECM，軟骨細胞的減少、軟骨ECM合成和降解的失衡是引起關節軟骨退變的主要原因[7]。ECM主要是由Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖組成，基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)的膠原酶可降解膠原蛋白，且MMPs和具有血小板反應蛋白基序的解整合素和金屬蛋白酶(a disintegrin and metalloprotease with thrombospondin motifs，ADAMTS)的蛋白水解酶可同時降解聚集蛋白多糖[8]。OA關節內的軟骨細胞和滑膜細胞可產生MMPs、ADAMTS等細胞因子和趨化因子等炎癥成分，這些炎癥成分可促進關節軟骨基質的破壞，加速OA的進展[7]。

2 miRNA與OA

2.1 miRNA的生物學特征及作用miRNA是內源性非編碼單鏈RNA，主要通過完全或部分結合靶基因信使RNA的3′-非翻譯區的互補序列抑制信使RNA的翻譯或剪切[9]。大多數miRNA位于細胞內，但部分miRNA存在于細胞外的ECM或各種生物體液中，被稱為循環miRNA或細胞外miRNA。細胞外miRNA可由細胞主動分泌，在細胞外環境中運輸，并被受體細胞吸收，最終調控靶基因并激活受體細胞中的信號轉導[10]。miRNA被認為是影響整個細胞內分子級聯反應中的轉錄修飾，如信號轉導[11]。研究顯示，miRNA的正常表達可調控生長發育的多個過程，包括細胞生長、分化、凋亡和ECM調控及止血、骨代謝和器官發育等；其異常表達涉很多種疾病，如心血管疾病、免疫性疾病、癌癥和OA等[12]。有研究報道，miR-34a、miRNA-103和miR-181a 等表達失調可誘發OA炎癥的發生、發展，如白細胞介素(interleukin，IL)或MMP-13介導的關節軟骨ECM降解[11]。目前，雖然有大量關于miRNAs 的研究報道，但其在許多疾病中的作用機制尚未完全了解。

2.2 miRNA在OA患者中的表達miRNA在OA中呈異常表達，參與OA的病理發展。BORGONIO等[13]在原發性OA患者血漿中380個獨立的miRNA中發現miR-16、miR-20b、miR-29c、miR-30b、miR-93、miR-126、miR-146a、miR-184、miR-186、miR-195、miR-345和miR885-5p呈過表達。MARTA等[14]檢測OA患者軟骨細胞中19種miRNA的表達，結果發現，miR-138-5p、miR-146a-5p、miR-335-5p和miR-9-5p表達顯著上調。WANG等[11]對OA軟骨細胞中8個獨立miRNA的表達進行meta分析，結果發現，miR-23b-3p、miR-27b-3p、miR-211-5p和miR-16-5p表達顯著上調，miR-25-3p和miR-149-5p表達顯著下調。

3 miRNA及其相關信號通路在OA病理生理中的作用

多種信號通路參與OA的病理發展，包括細胞凋亡、ECM降解、炎癥反應等。miRNA通過不同的信號通路調控OA的病理進展，如調控IL、MMPs和ADAMTS等相關因子的表達。ZHANG等[15]研究發現，miR-322、miR-503、miR-467a等通過核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)/絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)/Wnt通路等信號傳導途徑參與OA的病理進展。已知參與OA病理生理發生、發展的與miRNA相關的信號通路有NF-κB通路、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylin-ositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinases B,AKT)通路、MAPK通路、Wnt通路、Notch通路和p53通路等。

3.1 miRNA與NF-κB通路NF-κB是控制軟骨正常發育和參與病理改變的重要分子。NF-κB通路中存在2條激活途徑:(1)經典途徑。該途徑可調控自身抗體、炎癥細胞因子和血管生成因子等的表達；抑制經典途徑可阻斷生長激素或胰島素樣生長因子信號傳導，抑制細胞增殖和骨成型蛋白2的表達，從而促進細胞凋亡。(2)替代途徑。該途徑在生理條件下參與軟骨細胞的生成，在病理條件下參與OA的發展[16]?；诖?條途徑，異常的NF-κB活化可引起關節軟骨細胞生長停滯狀態的喪失，并伴有促軟骨降解介質的產生[17]。

部分miRNA可通過調控NF-κB信號通路活化參與OA的發生發展。有研究表明，在OA軟骨組織中miR-34a和miR-181a過表達，抑制miR-34a和miR-181a表達可顯著抑制p50NF-κB通路的激活，進而降低軟骨細胞凋亡率和氧化應激的能力[18]。DING等[19]研究表明，在OA模型小鼠的關節軟骨組織和脂多糖誘導的軟骨細胞中，miR-93的表達顯著降低，導致Toll樣受體4/NF-κB信號通路失活，從而降低細胞活力，促進細胞凋亡和炎癥反應。ZHANG等[20]研究顯示，在OA小鼠軟骨細胞中SRY相關蛋白9和NF-κB表達降低，miR-384-5p表達增高；抑制miR-384-5p表達可使SRY相關蛋白9表達上調，通過NF-κB信號通路促進軟骨細胞增殖和抑制凋亡。有研究報道，miR-92a-3p在OA軟骨細胞中的表達顯著低于正常軟骨組織中，miR-92a-3p轉染的軟骨細胞中ADAMTS-4/5的表達明顯被抑制，并使含有人ADAMTS-4/5 mRNA的 3′-非翻譯區的報告基因構建體的活性增加，從而抑制ECM的降解，在IL-1誘導軟骨細胞中NF-κB過表達，導致miR-92a-3p表達下調[21]。WEI等[22]研究發現，在OA軟骨組織中miR-138表達顯著降低，miR-138低表達促進了人OA軟骨細胞和軟骨形成SW1353細胞中p65、環氧合酶2和IL-6的表達，使NF-κB通路的活性增加，加速了軟骨組織的破壞。

3.2 miRNA與Wnt通路Wnt信號通路調節組織生長、發育的關鍵生物過程，參與疾病的發生、發展，特別是在關節和骨骼疾病。關節軟骨中Wnt信號傳導途徑的過度激活與OA的發生和嚴重程度顯著相關[23]。一些miRNA通過Wnt信號通路參與OA的病理發展。HU等[24]研究表明，miR-320c在OA軟骨細胞和軟骨形成人脂肪干細胞后期表達降低，而β-連環蛋白表達升高；在miR-320c轉染的OA軟骨細胞中，過表達miR-320c通過Wnt通路靶向β-連環蛋白RNA的3′-非翻譯區來抑制β-連環蛋白的表達，導致MMP3、MMP13和ADAMTS-4的表達降低，從而抑制OA軟骨細胞的變性。有研究表明，miR-410是間充質干細胞軟骨分化的關鍵調節因子，在OA軟骨細胞中表達下調；OA患者軟骨細胞中的Wnt3a水平與OA嚴重程度相關，且與miR-410水平呈負相關；異常表達的miR-410直接促進Wnt信號通路Wnt3a的表達，使Ⅱ型膠原、SRY相關蛋白9、聚集蛋白多糖和透明質酸合酶2的miRNA和蛋白質水平降低，促進OA的病理發展[25]。MAO等[26]研究表明，在OA軟骨細胞中miR-92a-3p表達下調，miR-92a-3p表達下調可促進Wnt5a的表達，抑制SRY相關蛋白9及聚集蛋白多糖的表達，進而抑制軟骨分化和ECM的合成。XU等[27]研究報道，在OA小鼠軟骨細胞中miR-138表達下調，NIMA相關激酶2和β-連環蛋白表達上調。用miR-138模擬物和小干擾RNA-NIMA相關激酶2處理的軟骨細胞中，NIMA相關激酶2、β-連環蛋白、MMP-13、B細胞淋巴瘤-2-相關X蛋白和p53的表達降低，聚集蛋白聚糖和B細胞淋巴瘤-2的表達升高，促進了軟骨細胞增殖，抑制了細胞凋亡；這說明miR-138的過表達誘導了細胞存活并通過NIMA相關激酶2抑制了OA軟骨細胞的WNT/β-連環蛋白信號傳導。

3.3 miRNA與 PI3K/AKT通路PI3K/AKT通路通過調控下游分子表達參與疾病的發生、發展，如激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白、p21和S6等[28]。PI3K/AKT信號通路對維持關節組織的正常代謝至關重要，其可通過降解軟骨導致軟骨下骨功能障礙和滑膜炎癥等[29]。有研究顯示，將miRNA-103轉染到原代大鼠軟骨細胞中會降低鞘氨醇激酶1的表達，誘導軟骨細胞凋亡、抑制細胞增殖，阻礙刮擦試驗傷口的閉合。此外，在過表達miR-103的軟骨細胞中總AKT和p-AKT的表達顯著降低，鞘氨醇激酶1表達上調可增加PI3K和p-AKT的表達[30]。CAI等[31]研究表明，miR-27a在OA軟骨細胞和用IL-1處理過的軟骨細胞中呈過表達，miR-27a抑制劑轉染的軟骨細胞中PI3K的表達顯著增加，抑制了OA軟骨細胞凋亡和自噬。TAO等[32]研究發現，在OA患者軟骨中miR-34a呈過表達，調控PI3K/AKT途徑。將軟骨細胞中的miR-34a基因沉默，可使細胞增殖和增殖相關蛋白的表達增加，細胞凋亡率和凋亡相關蛋白表達降低。有研究發現，中重度OA患者軟骨細胞中miR-218-5p表達顯著上調，導致PIK3C2A及其下游靶蛋白(如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白和S6等)表達減少，從而抑制基質的合成，誘導細胞凋亡[33]。ZHAO等[34]研究顯示，miR-495在OA患者軟骨組織中過表達，導致軟骨細胞中AKT1、p-S6和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白表達降低，誘導細胞凋亡；miR-495過表達可促進ECM降解相關酶ADAMTS-5、MMP-1和MMP-13的表達。

3.4 miRNA與MAPK通路MAPK包括p38、細胞外信號調節激酶和c-Jun氨端激酶。MAPK是參與MMPs表達及調控細胞凋亡、增殖和分化的關鍵信號分子[35]。有研究發現，miRNA-24在OA大鼠軟骨細胞中表達下調，在OA大鼠軟骨中注射miRNA-24 抑制劑可促進原癌基因、細胞外信號調節激酶和c-Jun氨端激酶表達，導致細胞過度凋亡，表明上調miRNA-24的表達可降低原癌基因蛋白基因表達，抑制MAPK通路和細胞凋亡，延緩OA的病理過程[36]。WU等[37]研究表明，miR-200b-3p在OA大鼠軟骨細胞中表達下調，DNA甲基轉移酶3α和MMPs表達顯著上調，Ⅱ型膠原表達下調，通過激活MAPK/細胞外信號調節激酶途徑導致細胞活力減弱和細胞凋亡率增加。XIANG等[38]研究發現，miR-142-5p 在OA患者軟骨組織中表達下調，在用miR-142-5p模擬物處理的原代人OA軟骨細胞中，趨化因子受體4的表達與miR-142-5p的表達呈負相關；過表達的miR-142-5p可靶向趨化因子受體4，使MAPK通路失活，從而抑制細胞凋亡、炎癥反應和基質分解代謝。

3.5 miRNA與其他信號通路除了上述幾種信號傳導通路外，在OA的病理中還有許多表達異常的miRNA與其他信號傳導通路密切相關，如Fas/FasL通路、p53通路、Notch通路等。有研究顯示，在OA大鼠軟骨細胞中miR-98表達上調，敲除miR-98基因可調節Fas/FasL通路使B細胞淋巴瘤-2表達增加，進而導致細胞凋亡率降低和ECM的降解減慢[39]。ZHANG等[40]研究發現，在OA大鼠軟骨細胞和脂多糖誘導的軟骨細胞中miR-363-3p過表達，抑制miR-363-3p表達可促進p53通路中核內呼吸因子1的表達，使體內IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子α表達降低，進而抑制軟骨細胞損傷和凋亡。YU等[41]研究發現，miR-9在OA大鼠軟骨細胞中表達下調，過表達miR-9使Notch和B細胞淋巴瘤-2-相關X蛋白表達下調，促進軟骨細胞的分化和再生，緩解OA的發展。ZOU等[42]研究顯示，miR-375在OA軟骨細胞中過表達，抑制miR-375的表達可使Janus激酶2表達上調，增強細胞對抗氧化應激的能力、維持ECM代謝的動態均衡。

4 總結與展望

目前OA早期的治療主要是通過改善關節內的炎癥反應來緩解臨床癥狀，但卻無法阻斷OA的病理發展。不同的miRNA及其靶標可通過不同的信號通路調控基因表達、軟骨細胞凋亡和增殖、軟骨基質的代謝和炎癥反應等，影響OA的病理發展。但目前對miRNA與信號通路的研究還不完善，其在OA病理機制中的作用還有待繼續深入研究。