Gremlin-1 在骨關(guān)節(jié)炎中的研究進(jìn)展

周 塏，杜秀藩，楊城闊，王廣積

（海南醫(yī)學(xué)院附屬海南醫(yī)院 海南省人民醫(yī)院 運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，海南 海口 570311）

骨關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，其特征是關(guān)節(jié)軟骨的破壞，包括軟骨細(xì)胞凋亡、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）降解、軟骨下?lián)p傷以及骨贅形成［1］，可引起關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定、疼痛、腫脹等癥狀，甚至還可導(dǎo)致殘疾，極度的影響人們的正常生活。目前OA的發(fā)病機(jī)制尚不明確，先前的研究發(fā)現(xiàn)OA 的形成是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，與關(guān)節(jié)軟骨退化、軟骨細(xì)胞衰老以及關(guān)節(jié)腔內(nèi)炎癥等諸多因素密切相關(guān)［2］，近些年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)表觀遺傳機(jī)制及基因異常表達(dá)影響著OA 的進(jìn)展［3］，其中Gremlin-1（Grem-1）基因在OA 中起著至關(guān)重要的作用，它可通過(guò)抑制BMP/Smad 信號(hào)通路以及介導(dǎo)Wnt/b-連環(huán)蛋白/NF-κB 信號(hào)通路從而導(dǎo)致了軟骨細(xì)胞損傷、破壞以及加重了滑膜炎癥。與此同時(shí)，Grem-1 還通過(guò)干預(yù)軟骨生成及軟骨內(nèi)骨化過(guò)程，從而進(jìn)一步加重OA進(jìn)程。因此，本文將研究了解Grem-1 與OA 的關(guān)系，探討其干擾骨形成過(guò)程，分析Grem-1 介導(dǎo)相關(guān)信號(hào)通路致使關(guān)節(jié)軟骨破壞與修復(fù)機(jī)制過(guò)程，并可能為OA 提供一個(gè)潛在的治療靶向因子。

1 Grem-1 概述

Grem-1 是一種高度保守的糖蛋白，分子量為27 kDa，屬于分泌性BMP 拮抗劑的Cerberus 和Dan亞家族［4］，主要是通過(guò)與BMP 上的胱氨酸鍵發(fā)生結(jié)合，從而抑制了BMP 與其相應(yīng)受體結(jié)合而發(fā)揮作用。Grem-1 位于染色體15q13-q15 上，可編碼近184 種氨基酸，并在多種組織中表達(dá)［5］。研究發(fā)現(xiàn)，Grem-1 參與了器官發(fā)育、組織分化以及骨形成分化等過(guò)程［6］，如今它已被證實(shí)與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)，如癌癥［7］、糖尿病［8］、骨關(guān)節(jié)炎［9］等等，其相關(guān)疾病的發(fā)生機(jī)制多與Grem-1 參與的BMP/ Smads通路和Wnt/b-連環(huán)蛋白通路以及NF-κB 信號(hào)通路相關(guān)。但目前對(duì)該基因的研究仍處于初步階段，還有許多所介導(dǎo)的機(jī)制或者分子尚未被研究，往后需要進(jìn)行挖掘相關(guān)分子與機(jī)制并驗(yàn)證以期能夠在此領(lǐng)域有突破性的進(jìn)展，對(duì)未來(lái)相關(guān)靶向因子的研發(fā)具有極大的作用。

2 Grem-1 表達(dá)水平與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）超家族的成員，參與骨形成以及骨和軟骨的修復(fù)過(guò)程［10］，而Grem-1 是一種BMP 拮抗劑，與BMP-2 和BMP-4 具有很高的結(jié)合能力［11］，通過(guò)可與其結(jié)合而介導(dǎo)OA 的發(fā)生過(guò)程，據(jù)報(bào)道，Grem-1 表達(dá)在早期骨關(guān)節(jié)炎軟骨中顯著升高，并隨著疾病進(jìn)展而增加［12］。值得注意的是，Grem-1 顯著抑制了人類MSC 代謝以及DNA 含量，并且還可降低成骨細(xì)胞基因的表達(dá)水平，從而抑制了成骨細(xì)胞的形成［13］。此外，Grem-1 基因還可促使軟骨的終末肥厚分化，致使OA 的形成［14］。以下將詳細(xì)介紹Grem-1 影響骨形成過(guò)程。

2.1 Grem-1 介導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞代謝以及成骨分化過(guò)程

間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC），也稱為多能基質(zhì)細(xì)胞，對(duì)骨的形成和發(fā)育有重要作用［15］，作為成骨細(xì)胞的前體，間充質(zhì)干細(xì)胞在特定微環(huán)境中發(fā)生成骨分化，調(diào)節(jié)體內(nèi)骨代謝的穩(wěn)態(tài)過(guò)程［16］，先前研究表明，Grem-1 通過(guò)靶向BMP2 和BMP4 來(lái)抑制MSC 的成骨分化過(guò)程，其大致作用機(jī)制主要為Grem-1 通過(guò)抑制BMP/Smad 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)阻斷BMP 信號(hào)傳導(dǎo)與受體Ⅱ型（R-Ⅱ）和受體Ⅰ型（R-Ⅰ）結(jié)合，致使特定Smad 蛋白（R-Smads）的無(wú)法磷酸化，阻斷了R-Smads 與Smad 以及Smad4 形成復(fù)合物，導(dǎo)致相關(guān)復(fù)合物無(wú)法易位到細(xì)胞核中以指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄反應(yīng)［17］（圖1）。此外，Grem-1 還可通過(guò)BMP/Smad 通路介導(dǎo)相關(guān)途徑抑制了MSX2 和RUNX2 的表達(dá)，從而抑制了間充質(zhì)干細(xì)胞代謝以及成骨分化過(guò)程。因此，BMP/Smad 信號(hào)傳導(dǎo)以及MSX2、RUNX2 的表達(dá)在成骨細(xì)胞分化和骨形成中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)功能。目前已有許多研究證實(shí)Grem-1 干擾BMP/Smad 信號(hào)傳導(dǎo)的還可導(dǎo)致其他多種臨床疾病的發(fā)生。值得注意的是，已有研究相關(guān)分子通過(guò)抑制Grem-1 或調(diào)控MSC 代謝從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。主要是由于MSC 受各種RNA 修飾與控制［18］，而研究發(fā)現(xiàn)N-乙酰轉(zhuǎn)移酶 10 （NAT10）在關(guān)節(jié)軟骨 中 介 導(dǎo) 了RNA 乙 酰 轉(zhuǎn) 移 酶4mRNA 的C 修 飾［19］而調(diào)控MSC 代謝，此外，NAT10 還可抑制Grem-1的表達(dá)，調(diào)節(jié)smad1/5/9 信號(hào)通路以及MSC 的成骨能力［20］。最后，由于Grem-1 具有抑制成骨分化，拮抗BMP 轉(zhuǎn)錄作用，因此，未來(lái)對(duì)Grem-1 或BMP/Smad 信號(hào)分子以及MSC 成骨能力更深入研究并探討其相關(guān)因子在治療骨骼相關(guān)疾病方面具有巨大的潛力。

圖1 Gremlin-1 介導(dǎo)BMP/Smad 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制成骨細(xì)胞分化過(guò)程Fig 1 Gremlin-1 mediating BMP/SMAD signaling inhibits osteoblast differentiation

2.2 Grem-1 介導(dǎo)軟骨生成及軟骨內(nèi)骨化過(guò)程

軟骨生成與軟骨內(nèi)骨化是一種復(fù)雜的生物現(xiàn)象，涉及多種因素和細(xì)胞過(guò)程［21］。其中BMP 介導(dǎo)了這一過(guò)程的發(fā)生。相關(guān)研究表明，BMP 信號(hào)傳導(dǎo)在軟骨生成和軟骨內(nèi)骨形成的中起至關(guān)重要作用［22］。在軟骨生成的最早階段，BMP 信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞，并通過(guò)誘導(dǎo)Sox9 表達(dá)刺激軟骨細(xì)胞增殖。同時(shí)，還通過(guò)促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大來(lái)控制軟骨細(xì)胞分化過(guò)程，Grem-1 作為BMP 信號(hào)傳導(dǎo)的拮抗劑，主要是通過(guò)抑制BMP 信號(hào)傳導(dǎo)與Ⅰ型和Ⅱ型受體的形成異四聚體復(fù)合物，阻止了相關(guān)靶向基因表達(dá)的Smad 依賴性典型途徑和Smad 非規(guī)范 MAPK 途徑的激活［23］。從而抑制了軟骨生成及軟骨內(nèi)骨化過(guò)程。同時(shí)Grem-1 還可促使軟骨破壞損傷以及加重OA 的病程，值得注意的是，有研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)抑制BMP2 的表達(dá)可以減輕OA 中的軟骨變性以及軟骨下骨的破壞［24］。表明了通過(guò)減少Grem-1 與BMP2 的結(jié)合有助于OA 的緩解。然而據(jù)目前研究已知抑制Grem-1 基因有利于減少了OA 病理以及還可促使軟骨生成及軟骨內(nèi)骨化過(guò)程，未來(lái)為OA 預(yù)防和早期疾病治療提供了新的治療靶點(diǎn)。

3 Wnt/b-連環(huán)蛋白信號(hào)/NF-κB 信號(hào)通路在OA中的作用

在骨骼和關(guān)節(jié)病理學(xué)中，Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路已被證明影響骨骼、軟骨和滑膜組織的作用［25］，先前的研究表明，退行性或骨關(guān)節(jié)炎軟骨中β-連環(huán)蛋白表達(dá)水平升高，并可通過(guò)誘導(dǎo)了MMP和其他蛋白酶的快速基因表達(dá)，從而導(dǎo)致蛋白多糖基質(zhì)的降解［26］。此外，Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路的激活通過(guò)下調(diào)SIRT-1 促進(jìn)軟骨細(xì)胞衰老，加重OA的進(jìn)展［27］，但有研究顯示：Wnt 通路的激活可以誘導(dǎo)甚至加速受損關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)［28］。因此，可以推斷出適度的Wnt 活性對(duì)于軟骨的生理維持是必要的，而強(qiáng)烈抑制或激活Wnt 通路會(huì)促使相關(guān)疾病（如OA）的發(fā)生。而值得注意的是，NF-κB 信號(hào)通路與OA 也有極大的聯(lián)系，研究證實(shí)了NF-κB 信號(hào)通路激活后致使軟骨基質(zhì)重塑、軟骨細(xì)胞凋亡以及滑膜炎癥［29］，從而加重OA，以下將詳細(xì)介紹Grem-1 介導(dǎo)在以上兩條信號(hào)通路在OA 中的作用。

3.1 Grem-1 參與Wnt/b-連環(huán)蛋白信號(hào)通路在OA中的相互作用

目前已有許多研究證實(shí)了Wnt 通路不僅參與軟骨或軟骨下骨的病理生理過(guò)程，而且對(duì)整個(gè)關(guān)節(jié)起了復(fù)雜的作用［30］，其主要作用過(guò)程為Wnt 信號(hào)分子與其特定的細(xì)胞膜受體結(jié)合時(shí)，致使蛋白質(zhì)Frizzled（Fzd）和輔助受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP5 / 6）的激活，導(dǎo)致功能信號(hào)傳導(dǎo)。隨后Dvl的活化導(dǎo)致多蛋白復(fù)合物解離，導(dǎo)致GSK3β 失活。最后，細(xì)胞質(zhì)中積累的β-連環(huán)蛋白易位到細(xì)胞核，從而與LEF 和TCF 相互作用，引發(fā)靶基因的轉(zhuǎn)錄激活［31］，導(dǎo)致相關(guān)疾病（如OA）的發(fā)生。由此可見(jiàn)，Wnt 通路異常激活可對(duì)軟骨造成極大的損傷。然而，Grem-1 可通過(guò)未知的間接機(jī)制抑制WNT 信號(hào)傳導(dǎo)［32］，但抑制典型WNT 信號(hào)又可誘導(dǎo)Grem-1 的mRNA 表達(dá)，有趣的是，WNT 信號(hào)與BMP 信號(hào)之間也有相互影響作用，相關(guān)研究也證實(shí)了WNT 信號(hào)傳導(dǎo)的激活降低編碼BMP 拮抗劑（Grem-1）的基因的表達(dá)，并與BMP 信號(hào)傳導(dǎo)的上調(diào)有關(guān)。反過(guò)來(lái)，BMP 信號(hào)傳導(dǎo)的激活導(dǎo)致編碼WNT 拮抗劑（FRZB、DKK1）的基因表達(dá)增加，這與WNT 信號(hào)傳導(dǎo)減 少有關(guān)［33］（見(jiàn)圖2）。由此可見(jiàn)，Grem-1 與WNT 信號(hào)之間的關(guān)系是通過(guò)BMP 介導(dǎo)的，目前未有相關(guān)研究報(bào)道由Grem-1 與WNT 信號(hào)之間調(diào)控而影響OA，近年來(lái)，有一項(xiàng)研究表明，骨關(guān)節(jié)炎與軟骨中的Grem-1 與FRZB 和DKK1 基因表達(dá)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系［34］，表明了BMP 和WNT 信號(hào)在負(fù)反饋回路中起著連接調(diào)控作用，但具體過(guò)程仍是未知。綜上所述，在OA 中平衡BMP 與WNT 活性有利于維持關(guān)節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)作用，有助于OA 的緩解。

圖2 BMP 與Wnt 信號(hào)相互作用過(guò)程Fig 2 BMP and Wnt signal interaction process

3.2 Grem-1 介 導(dǎo)NF-κ B 信 號(hào) 通 路 在OA 中 的作用

核因子-κB（NF-κB）是一種參與各種生物過(guò)程的多功能轉(zhuǎn)錄因子，在各種因素刺激下，將激活NF-κB 分子，從而觸發(fā)一系列基因的表達(dá)，誘導(dǎo)關(guān)節(jié)的破壞，導(dǎo)致OA 的進(jìn)程［35］。值得注意的是，NF-κB 信號(hào)的調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)械負(fù)載有一定的響應(yīng)，正常生理負(fù)荷對(duì)軟骨是具有保護(hù)作用，而過(guò)度負(fù)載可能會(huì)通過(guò)相關(guān)信號(hào)通路介導(dǎo)OA 的形成。同時(shí)相關(guān)研究 也 證 實(shí) 了 過(guò) 度 機(jī) 械 載 荷 可 激 活 的RAC1-ROS-NF-κB 通 路，而Grem-1 在 過(guò) 度 機(jī) 械 載荷激活Rac1-ROS-NF-κB 軸后發(fā)生大量轉(zhuǎn)錄［36］，值得注意的是，Grem-1 又可進(jìn)一步激活NF-κB 誘導(dǎo)分解代謝酶產(chǎn)生，如Mmp13 和Adamts5，從而導(dǎo)致了 軟 骨 發(fā) 生 破 壞［37］，此 外，Grem-1 也 能 夠 抑 制BMP/Smad 通路而加重了OA 進(jìn)程（見(jiàn)圖3），因此，中和體內(nèi)Grem-1 或者致使相關(guān)途徑抗體遺傳缺失對(duì)OA 的預(yù)防與緩解有巨大的作用，同時(shí)，靶向NF-κB 信號(hào)傳導(dǎo)分子也可作為OA 新的潛在治療選擇，并可降低機(jī)械載荷引起潛在的OA 風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 過(guò)度機(jī)械載荷激活Rac1-ROS-NF-κB 軸致使Gremlin-1 轉(zhuǎn)錄影響OA 過(guò)程Fig 3 Excessive mechanical loading activates the Rac1-ROS-NF-κB axis causing Gremlin-1 transcription to affect the OA process

4 討論

Grem-1 在OA 發(fā)展的過(guò)程具有極大的作用，但Grem-1 在骨與關(guān)節(jié)領(lǐng)域研究相對(duì)較少，許多機(jī)制尚未明確。然而，相關(guān)研究證實(shí)的是 Grem-1 可以促使關(guān)節(jié)軟骨的損傷以及破壞，據(jù)了解，Grem-1 在正常的軟骨中也處于一個(gè)高度集中表達(dá)的狀態(tài)，也有研究證實(shí)其在正常人中維持軟骨末端肥厚分化以防止OA 形成具有極大的意義［38］，因此，是否會(huì)在OA 的加重過(guò)程中通過(guò)某種機(jī)制促使Grem-1 高表達(dá)從而負(fù)反饋調(diào)節(jié)OA 呢？此外，Grem-1 還參與了MSC 的代謝以及成骨分化過(guò)程，并通過(guò)抑制其分化，致使OA 的進(jìn)一步惡化。而值得注意的是，軟骨形成和軟骨內(nèi)骨化是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，涉及許多不同類型的刺激和抑制情況出現(xiàn)，而由Grem-1 參與的BMP/Smad 信號(hào)傳導(dǎo)在此領(lǐng)域也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但仍有許多有待進(jìn)一步了解。同時(shí)，Grem-1 還參與Wnt/b-連環(huán)蛋白以及NF-κB 信號(hào)途徑，這兩條途徑也是十分復(fù)雜的，由Grem-1 介導(dǎo)的信號(hào)機(jī)制過(guò)程還有許多需要研究探討的空間，未來(lái)對(duì)研發(fā)相關(guān)分子以及蛋白有重要的作用，并且可能成為治療OA 的新方向，最后，由于Grem-1 在OA的病理過(guò)程中具有較強(qiáng)的調(diào)控作用，將來(lái)有望成為OA 早期診斷標(biāo)志物以及治療的靶點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了 Grem-1 如何影響人類骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展，進(jìn)一步揭示了Grem-1 介導(dǎo)BMP/Smad 通路干擾了MSC 代謝和成骨分化具體過(guò)程，并闡明了Grem-1 參與相關(guān)信號(hào)通路在OA 發(fā)病過(guò)程中的作用，其中信號(hào)通路是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，而信號(hào)分子的下游信號(hào)激活可引發(fā)OA 效應(yīng)。因此，Grem-1 的表達(dá)影響骨性關(guān)節(jié)發(fā)生發(fā)展，通過(guò)深入對(duì)其研究同時(shí)也為臨床治療指明新方向。

作者貢獻(xiàn)度說(shuō)明：

周塏：主要進(jìn)行文獻(xiàn)查找，翻閱，記錄，寫(xiě)作等工作。王廣積：文章整體把控，文章內(nèi)容審校。杜秀藩、楊城闊：課題組成員，提供所在領(lǐng)域文獻(xiàn)和相關(guān)領(lǐng)域修改意見(jiàn)。

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。