沉默信息調節因子1對軟骨損傷修復機制的研究進展

陳奕孝 李國慶 劉 蘇 翁 鑒 朱元超 于 斐 曾 暉*

（1.遵義醫科大學研究生院，貴州 遵義，563000；2.北京大學深圳醫院骨關節科，廣東 深圳，518036；3.骨科生物材料國家地方聯合工程研究中心，廣東 深圳，518036）

關節軟骨（articular cartilage，AC）是覆蓋在關節表面的一種高度分化的結締組織，主要由軟骨細胞和細胞外基質（extracellular matrix，ECM）構成，能夠提供相對平滑的表面，降低關節之間的摩擦系數并減輕運動震蕩。但由于AC 缺乏神經、血管和淋巴管等組織，當外界的機械應力或內環境變化使AC 損傷后，其自我修復能力有限。隨著AC 損傷的進展，軟骨細胞出現肥大、凋亡和壞死等一系列病理生理變化，可伴有ECM 降解、軟骨剝脫，并逐步加重，損傷可累及軟骨下骨，出現關節疼痛等癥狀，導致終末期骨關節炎（osteoarthritis，OA）[1]。

目前，臨床對AC 損傷修復有多種治療方法，如微骨折術、骨軟骨移植術、骨軟骨細胞移植術和骨軟骨組織工程修復技術等。但因供體來源少、傳染性疾病和免疫原性等問題，自體、異體骨軟骨組織或細胞修復技術的實施受到了限制。因此，尋找治療軟骨損傷的新方法尤為重要。

沉默信息調節因子1（silencing information regulator 1，SIRT1）基因已被證實對軟骨細胞特定基因表達起正向調節作用，如促進OA 中Ⅱ型膠原（collagen type Ⅱ，Col Ⅱ）和蛋白聚糖（aggrecan，AGC）等細胞外基質合成。相反SIRT1 基因活性受抑制，軟骨基因表達受影響[2]。因此，本文就SIRT1基因調控軟骨損傷進程機制的最新研究進展進行綜述。

1 SIRT1 蛋白的結構和功能

Sirtuins（SIRT）是高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）+依賴性組蛋白脫乙酰酶家族或沉默信息調節因子2的家族成員。研究證實，哺乳動物中有7 種SIRT 蛋白，它們具有不同生物功能，表達位置也有差異。如SIRT1 和SIRT2存在于胞質和胞核中，SIRT3、SIRT4 和SIRT5 則在線粒體中表達，而SIRT6 和SIRT7 僅存在于胞核中，SIRT 蛋白可參與調節炎癥反應、氧化應激、能量代謝、細胞凋亡、衰老和DNA損傷等[3-4]。其中SIRT1 是Sirtuins 家族的主要參與者，與衰老相關疾病如OA、骨質疏松等關系密切。

SIRT1 基因被激活后可使腫瘤蛋白p53、活化B 細胞核因子κ 鏈增強子（NF-κB）和FoxOs 等因子去乙酰化，并影響細胞的存活、新陳代謝、應激等功能[5]。目前，軟骨相關疾病的研究也對SIRT1 基因調控著重關注。

2 SIRT1 基因在軟骨損傷中對軟骨細胞和軟骨組織的影響

SIRT1 蛋白在軟骨四層組織及滑膜組織中表達。在人和小鼠KOA 中均發現SIRT1 基因的表達下調。有研究表明，SIRT1 基因活性變化能影響軟骨特異性基因表達，如SIRT1基因過表達可促進COL Ⅱ mRNA 表達，而用SIRT1 基因抑制劑或將SIRT1 基因敲低時，軟骨基因表達下降[2，6]。體內實驗發現，過表達SIRT1 基因的小鼠中，軟骨組織SIRT1 基因的表達較肌肉組織高，SIRT1 基因過表達能抑制分解代謝因子MMP-13、ADAMTS-5 mRNA 表達，誘導ACAN、COL Ⅱ mRNA表達，最終因促進ECM 合成而緩解OA 進展[7]。在人膝OA標本中發現，軟骨磨損越嚴重SIRT1 基因表達越低[8]。而SIRT1 基因在嚴重退化的軟骨中幾乎不表達，在損傷較少的軟骨中卻明顯表達，表明SIRT1 基因表達與軟骨退變存在相關性[9]。SOX9 與多種軟骨基因表達有關，SIRT1 能夠靶向SOX9 增強子，促使SOX9 乙酰化增強并增加下游基因COL Ⅱ的轉錄活性。SIRT1 敲低后，軟骨ECM 發生降解，SIRT1 蛋白和軟骨特異性轉錄因子SOX9 的基因表達下調[10]。SIRT1 作為抗衰老基因，用白藜蘆醇刺激間充質干細胞（MSCs）后可通過其調控延遲衰老，增加軟骨分化潛能；通過水凝膠將其植入兔軟骨缺損模型后，軟骨標記物SOX9、AGC 和COL Ⅱ表達增加，軟骨肥大標志物X 型膠原減少，有效促進兔軟骨缺損修復[11]。綜上，SIRT1 基因在調控軟骨合成代謝、促進軟骨修復、抑制軟骨肥大和退化方面有重要意義。

2.1 SIRT1 基因對軟骨細胞炎癥反應的調節

軟骨周圍的炎性環境影響軟骨修復，滑膜細胞或巨噬細胞等產生炎性介質或促炎因子可加劇軟骨損傷。SIRT1 蛋白對軟骨細胞短期內暴露于炎癥因子時具有保護作用，并促進軟骨細胞存活及特異性基因表達[12]。促炎因子IL-1β 和TNF-α 能刺激炎癥因子和軟骨降解因子的表達。軟骨細胞中抑制SIRT1 基因也會上調IL-1β 和TNF-α 而促分解代謝[13]。過表達SIRT1 基因時，炎癥因子PGE2 與COX2 及分解代謝因子MMP1、MMP3、MMP13 基因的表達受抑制[14]。有研究證實，小鼠過表達SIRT1 基因后，OA 癥狀減輕，軟骨破壞減少，COL Ⅱ表達增加，MMP3、MMP13、IL-1β、ADAMTS5 蛋白表達減少，而且該小鼠膝關節軟骨細胞受IL-1β 刺激后，COL Ⅱ與AGC 基因表達也升高，而MMP3、MMP13、ADAMTS5基因表達受抑制[7]。炎癥反應的激活涉及許多信號通路的級聯反應，NF-κB 被認為是參與炎癥反應的重要信號通路，在OA 中起重要作用。白藜蘆醇激活SIRT1 基因后，可抑制NF-κB 核轉位和p65 乙酰化，并下調NF-κB/COX2/MMPs通路活性，發揮抗感染作用的同時保護軟骨[14]。小鼠腹腔注射SIRT1 基因激活劑SRT1720，可使軟骨細胞中p65 乙酰化減少，軟骨降解酶表達下降，減緩小鼠OA 進展[15]。因此，SIRT1 基因能在炎性軟骨細胞中發揮抗炎作用，并通過調節NF-κB 等通路的活性來維持軟骨穩態，減少軟骨損傷。

2.2 SIRT1 基因對軟骨細胞氧化應激損傷的調節

軟骨細胞內保持著相對平衡的氧化應激狀態。來自外界的異常機械應力和軟骨退變等因素可影響軟骨穩態，導致線粒體功能障礙后誘導活性氧（reactive oxygen speies，ROS）產生，對軟骨細胞造成氧化損傷[16]。SIRT1 基因及其酶的活性對于軟骨的穩態和發育至關重要，其在防止氧化應激和抗凋亡方面具有重要作用。SIRT1 基因活性增強可通過抑制氧化應激和內質網應激來抑制軟骨細胞凋亡和軟骨退化[17]。SIRT1 蛋白可通過調節內質網應激的PERK-eIF2a-CHOP 軸促進生長板軟骨形成并抑制軟骨細胞凋亡[18]。生物體內也存在抗氧化劑，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）等酶類，并在氧化應激下發揮抗氧化、降解ROS 及分解過氧化物產生保護作用[19]。而這些酶類在OA 軟骨細胞中表達減少后，會加劇小鼠軟骨退變[16]。胡桃苷能夠下調脂多糖誘導的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）Oxidase 4 分泌，并促進SOD 表達，減少ROS產生，當敲除SIRT1 基因后，上述作用消失[20]。因此，SIRT1基因可通過清除自由基和氧化應激來抑制內質網應激，成為治療OA 的有效靶點。綜上，SIRT1 基因能夠緩解氧化應激損傷，從而對軟骨細胞起到保護作用。

3 SIRT1 基因通過不同信號通路對軟骨損傷的影響

軟骨組織損傷修復有多種因素參與，SIRT1 基因可通過調控軟骨細胞功能影響其過程。軟骨細胞增殖分化除受到轉錄調控因子影響外，也受到信號通路如Wnt、TGF-β、Notch和FGF 等的影響。

3.1 SIRT1 基因調控Nocth 信號通路對軟骨損傷的影響

Notch 信號通路是一種涉及四種跨膜Notch 受體的細胞通路，對軟骨生長發育具有調節作用。此外，Notch 信號通路調節軟骨分化的核心是Notch 胞內結構域（Notch intracellular domain，NICD），其激活后上調Hes 和Hey 并抑制軟骨分化[21]。SIRT1 基因能使Notch 信號的胞內結構域去乙酰化，并使其靶向蛋白酶體降解[22]。

Notch 信號通路能抑制SOX9、COL Ⅱ和AGC 表達，從而抑制軟骨細胞增殖分化，這可能是由于Notch 通路中NICD/Rbpj 與SOX9 的上游啟動子結合對SOX9 進行靶向抑制造成的[23]。而在SIRT1 基因缺陷的細胞中，Notch 信號通路激活并誘導微血管減少及纖維化增加[24]。成人關節軟骨中Notch 信號通路持續激活可誘導早期嚴重OA 樣病理改變，并抑制軟骨形成，促進軟骨降解和纖維化，但是生理條件下Notch 通路短暫表達卻有利于ECM 合成[25]。相關研究表明，乙酰化狀態下NICD 胞內結構域比較穩定，Notch 信號通路持續表達，而體內SIRT1 基因能夠使Notch 信號通路因子去乙酰化并抑制其表達[26]。還有研究表明，細胞內的SIRT1 蛋白可對Notch 信號通路產生負調節，并認為NICD 的可逆性乙酰化是調節Notch 信號通路的關鍵分子機制[27]。總之，Notch 信號通路影響軟骨穩態，對軟骨分解代謝平衡具有調節作用。此外，SIRT1 基因對Notch 信號通路相關因子存在著去乙酰化作用，未來需進一步闡明機制，有助于從另一方面了解軟骨損傷修復。

3.2 SIRT1 基因調控BMP 信號通路對軟骨損傷的影響

骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）屬于TGF-β 超家族成員，在生長發育中對骨軟骨具有調節作用。目前BMP 的研究主要集中在BMP2/3/4/6/7/9 等蛋白，其中BMP2 和BMP4 蛋白誘導成骨細胞與軟骨細胞向骨和軟骨方向分化。

有研究發現，OA 患者中BMP2 和BMP4 蛋白表達降低，將含有BMP4 轉導的ADSCs 通過CaAIg 水凝膠載入豬軟骨缺損后，能促進透明軟骨再生來修復軟骨缺損[28]。BMP9 不僅能刺激軟骨祖細胞的軟骨形成，還能刺激AGC 和COL Ⅱ基因表達，認為其對軟骨形成是一種誘導因子[29]。過表達SIRT1 基因后發現BMP2 誘導的干細胞能夠顯著增加軟骨分化相關因子SOX9、COL Ⅱ和AGC 蛋白表達[30]。在膝OA 小鼠中使用獨活寄生湯含藥血清促進了SIRT1 和BMP7 蛋白和基因的表達，穩定膝OA 軟骨細胞合成和分解代謝，對軟骨細胞具有再生作用[31]。綜上，BMP 信號通路對軟骨形成具有不同的誘導作用，而SIRT1 基因與BMP 信號通路之間存在的聯系可能具有協同作用，最終促進軟骨形成。

3.3 SIRT1 基因調控Wnt/β-catenin 信號通路對軟骨損傷的影響

Wnt 信號通路能夠對軟骨細胞、成骨細胞以及滑膜細胞分化產生影響，從而調節軟骨穩態、炎癥反應和OA 的發生發展。Wnt 信號通路可通過經典Wnt 通路（β-catenin 依賴途徑）和非經典Wnt 通路發揮調節作用，其中Wnt/β-catenin是Wnt 信號的主要通路。研究證實，SIRT1 基因對軟骨有保護作用，抑制組蛋白甲基轉移酶DOT1L 會導致SIRT1 蛋白表達紊亂，使得Wnt 信號通路上調后誘導小鼠OA 發生[5]。用LiCl 處理或β-catenin 轉染軟骨細胞后發現Wnt/β-catenin信號通路激活的同時下調了SIRT1 基因表達，促進軟骨細胞中衰老因子p53 表達和乙酰化[32]。Wnt/β-catenin 信號通路過度激活可能加重軟骨破壞的程度和軟骨下骨重塑過程。Wnt/β-catenin 信號能提高MMP13 的轉錄活性，促進軟骨分解代謝，加快OA 進展，不過HIF-α 能阻止Wnt 信號通路對MMP13 的轉錄并抑制軟骨降解[33]。而白藜蘆醇處理OA 軟骨細胞后可增加SIRT1 的表達，同時減少軟骨細胞凋亡，抑制MMP1、MMP3、MMP13、Wnt3a、Wnt5a、Wnt7a 和β-catenin的表達，因此認為SIRT1 可能通過Wnt/β-catenin 信號通路調節OA 軟骨細胞相關的凋亡和細胞外基質降解[34]。因此，SIRT1基因可通過激活經典的Wnt 信號通路抑制軟骨分化和降解。

4 小結與展望

AC 在關節中起承載負荷、緩沖震蕩的作用，但急性創傷或長期勞損致使軟骨受到不同刺激，加重軟骨負擔，出現軟骨缺損、軟骨破壞，使軟骨使用壽命減少，而軟骨修復能力有限，再生修復困難。軟骨損傷是由于各種因素打破軟骨合成和分解代謝平衡造成的，軟骨細胞增殖代謝受到SOX9、AGC、COL Ⅱ等因子和Notch、BMP 等信號通路的影響，并且SIRT1基因與這些因子及通路關系密切。目前臨床治療軟骨損傷的方法較多，但效果不佳，因此，需加強研究SIRT1 基因通過相關因子或信號通路影響促進軟骨損傷修復的機制，希望通過本綜述為未來研究軟骨損傷修復提供新的思路和靶點。