Sox9等因子在骨關節炎的發病機制與治療中的研究進展

韓雪來，李春亮，熊永斌，劉俊豪

(1.青海大學研究生院，青海 西寧 810000；2.青海省人民醫院骨科，青海 西寧 81000)

1 Sox9基因及其與軟骨的關系

1.1 Sox9基因的結構特點

為全面了解Sox9在骨性關節炎發生發展中的分子機制，對其生物學結構和功能進行系統的學習是非常重要的。結構特點：(1)人類的Sox9基因序列位于17q24.1～q25.1區域，即染色體17上的3-Mb區域。在不同的組織中，染色體17上的3-Mb區域被增強子以復雜的方式引導[2]；(2)Sox9基因包含一個SRY相關的HMG結構域，具有三個α螺旋，氨基酸相似性為50%[3]；(3)Sox9的DNA結合HMG結構域包含兩個核定位信號(NLS)序列和一個富含亮氨酸的核輸出信號(NES)序列[4-5]；(4)Sox9基因序列中的內含子一般比較少，Sox9 基因包含了3個外顯子和2個內顯子[6]。

1.2 Sox9因子在關節軟骨發育中的作用：

在哺乳動物中，關節軟骨主要通過軟骨內成骨形成，這是由幾個轉錄因子調節的結果。相關研究表明，性別決定區Y(SRY)-box9(Sox9)在軟骨發育的初始化階段起著重要作用，此外，人類Sox9基因的突變會導致軟骨發育不良，并使軟骨形成異常。Sox9已被鑒定為一種轉錄因子，可與Ⅱ型膠原α1鏈(Col2a1)基因中的關鍵順式元件結合Sox9刺激間充質細胞分化為軟骨細胞，并上調早期軟骨生成基因，包括Col2a1、Col11a2和aggrecan。在人類骨與軟骨發育的過程中，Sox9因子與DNA特定區域相結合，促進間充質細胞聚集，進而維持軟骨細胞的增殖，抑制其向肥大軟骨細胞的分化。

2 Sox9等因子在骨關節炎發病機制中的作用

2.1 骨關節炎的發病機制

骨關節炎的發病機制與基質金屬蛋白酶(MMP)、細胞因子、免疫反應、某些基因等多種因素相關；基質金屬蛋白酶(MMP)在細胞外基質的降解和重塑中發揮重要作用，其表達增加造成關節軟骨細胞外基質降解，誘導軟骨降解，造成膠原纖維變薄，而引起關節軟骨損傷的重要原因；細胞因子可誘導軟骨細胞產生MMP 、一氧化氮(NO)和前列腺素(PG)等物質，導致細胞合成與分解代謝失衡；OA相關表現提示滑膜炎癥的存在，滑膜組織中也存在巨噬細胞、T細胞、B細胞、自然殺傷細胞等免疫細胞；遺傳因素在OA病理過程中也發揮重要作用(如Sox9突變等)。骨關節炎的發病機制錯綜復雜，多種發病因素相互影響[8](圖1：骨關節炎發病網絡關系圖)。

圖1 骨關節炎的發病機制關系圖(NO:一氧化氮 PG：前列腺素)

相關研究表明，Sox9基因在軟骨發育的初始化階段起著重要作用，人類Sox9基因的突變會導致軟骨發育不良，進而會引起關節軟骨發生病變。骨關節炎的主要特征是關節軟骨細胞外基質(ECM)的降解和軟骨表型的喪失。在骨性關節炎患者中，Sox9的軟骨調控功能被致炎因子所抑制，從而減緩了病變軟骨的修復、抑制了其再生，這是關節炎遷延不愈的重要原因[9]。因此Sox9基因在關節軟骨形成、發育及病變等過程中起著十分重要的作用。

3 骨關節炎的基因治療

骨關節炎的基因治療主要是找出促進軟骨修復的過表達蛋白和相關因子，再通過基因轉染技術將相關基因導入種子細胞中，將一些存在缺陷的基因替換掉或進行矯正，從而達到治療的目的。基因工程的快速發展為OA治療的提供了更多新的治療方法與治療思路，同時也刷新了人類對基因治療疾病的新的認知。近年來，隨著基因工程及分子生物學、基礎醫學的進一步發展，多種目的基因已經被發現，其通過誘導等一系列過程來延緩或者預防骨關節炎的發生及發展過程。基因工程治療骨關節炎是建立在以種子細胞為基礎發展起來的新型治療方法，種子細胞主要包括間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stemcells，BMSCs)、誘 導 多 能 干 細 胞(induced pluripotent stem cell，iPS細胞)、脂肪干細胞、自體軟骨細胞等。由于脂肪干細胞、自體軟骨細胞自身的局限性，以下主要對間充質干細胞、誘導多能干細胞及其治療骨關節炎的相關因子進行分析。

骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stemcells，BMSCs)具有向骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞等分化的潛能，因此被眾多研究者認為是組織工程最理想的種子細胞[10-13]。其具有向軟骨細胞分化的潛力而修復損傷，通過qRT-PCR誘導表達Ⅱ型膠原、蛋白多糖和Sox9基因。骨髓間充質干細胞移植是提高關節軟骨再生能力的一個新的選擇[14-17]。卓群豪等[18]在兔膝關節內注射Sox9因子轉染骨髓間充質干細胞修復關節軟骨，結果顯示Sox9基因轉染小鼠骨髓間充質干細胞對小鼠膝關節炎病變軟骨具有修復作用。

誘導多能干細胞(induced pluripotentstem cell)：簡稱iPS細胞，由于其具有很強的增殖和分化潛能，目前是細胞工程、基因工程中治療骨關節炎中最具潛力的細胞之一。誘導多能干細胞通常經過一系列分化，軟骨細胞特異性基因和蛋白(Col2A1，GAG和Sox9)的表達量都明顯增加，這些特異性基因和蛋白可促進骨關節炎中軟骨的修復和再生。因此，誘導多能干細胞將成為未來治療骨關節炎、改善和修復關節軟骨的一種新型治療手段。

3.1 Sox9基因

Sox9基因是軟骨形成與發育過程中的一個主要的轉錄因子，通過特異性的方式調節一系列下游因子，從而參與軟骨的形成。Sox9既可以單獨參與軟骨形成過程，同時也可以與下游Sox轉錄因子Sox5和Sox6聯合產生軟骨Sox Trio。Sox9在骨關節炎患者的關節軟骨中減少。使用病毒和非病毒載體以及組織工程(支架)進行基因治療是軟骨再生的有效工具。將Sox9或軟骨生成Sox Trio傳遞到細胞中可對軟骨生成產生有效的治療作用，而組織工程可以促進這一過程。大量研究給予Sox9基因促進骨髓間充質細胞成軟骨分化治療骨關節炎奠定了理論和實驗基礎。

3.2 骨形態發生蛋白(BMP)

骨形態發生蛋白是轉化生長因子(TGF-β)超家族的成員之一，長期以來一直被認為具有多種不同的生物活性，包括調控細胞增殖、分化和凋亡的調節、遷移、胚胎發育和維持組織穩態，強骨/軟骨誘導分子[19-20]。BMP-2已被證明有刺激蛋白多糖的合成，促進軟骨內成骨的能力，并對軟骨細胞代謝合成代謝影產生影響[21]。BMP-2能夠提高軟骨細胞Ⅱ型膠原的過表達，其不僅可以誘導軟骨細胞凋亡，同時激發軟骨細胞增殖。另外，BMP-2還能夠促進TFG-β、Sox-9、ERCC-1蛋白及基因等因子過表達。

BMP在骨與軟骨的發育與成熟、骨質破壞及骨折愈合等骨質再生等一系列過程中產生重要的作用，BMP在此過程中作為誘導因子促進骨質生成，進而實現骨質的自我修復與再生。其中，內源性BMP-2的調節可以促進TFG-β、Sox-9、ERCC-1蛋白及基因表達量，進而促進軟骨細胞增殖、軟骨內成骨，因此BMP-2已經成為未來骨修復領域的一個新的靶點。

3.3 miRNA因子

近年發現，miRNA是能夠對基因表達產生影響的一種新調控子，miRNA有助于多能干細胞分化增殖以及自我更新[22]，并且對骨髓間充質干細胞分化以及器官形成都非常關鍵[23]。其中miRNA-30a是Sox9基因通過骨髓間充質干細胞(MSC)軟骨分化過程表達的 microRNA(miRNA)，miRNA-30a 在骨髓間充質干細胞軟骨分化過程中表達逐漸上升并通過Sox9完成其負調節作用，miRNA-30a作為調控 MSC 軟骨分化的潛在靶點，對于軟骨再生和軟骨發育相關疾病的應用和防治具有重要意義。通過干預 miRNA-30a 內源性的表達，減弱其抑制 Sox9 的效應，可為治療或預防某些軟骨發育相關疾病提供新的策略。育相關疾病提供新的策略。miR-30a作為調控 MSC 軟骨分化的潛在靶點，對于軟骨再生和軟骨發育相關疾病的應用和防治具有重要意義。骨發育相關疾病的應用和防治具有重要意義。

4 展望

綜上所述，隨著近年來老齡化社會的進展，骨關節炎的發病率逐年增加，嚴重威脅著老年人群的健康，因此，骨關節炎的相關治療重新被重視起來，新的治療方法也隨著基礎醫學、生物技術的快速發展而不斷涌現。近年來，隨著基因工程的不斷興起，治療骨關節炎的相關研究不斷深入，其中基因治療骨關節炎成為如今新的手段和方法，其中Sox9等轉錄因子治療骨關節炎的相關研究成為了其中的熱點，其在基礎實驗中逐漸走上成熟，未來也許會逐漸應用于臨床治療領域，但目前臨床中的應用還很少見，隨著分子生物學的發展以及對Sox9等轉錄因子的進一步研究，基因工程治療骨關節炎等軟骨損壞疾病的方法有望產生重大突破，并為臨床治療骨關節炎提供一個嶄新的途徑與方法。