miRNA与骨关节炎发生发展关系的研究进展

毛丹，韦纪英，吴明松

(1遵义医学院，贵州遵义563003；2遵义医学院附属口腔医院；3贵州省普通高等学校口腔疾病研究特色重点实验室)

骨关节炎(OA)是关节软骨发生纤维化、皲裂、溃疡及脱失的一类关节疾病，中老年患者多发，女性多于男性，人群发病率约4%，而在60岁以上的人群中，膝关节炎的发病率高达42.8%，其发病是多因素作用复杂缓慢的过程。越来越多研究表明非编码RNA在细胞调控网络中发挥巨大作用。微小RNA(miRNA)是一类单链非编码的小分子RNA，长18～24个碱基，绝大多数存在于基因间隔区，它通过抑制mRNA翻译或切割mRNA在转录后水平调控基因表达，最终通过影响细胞分裂、增殖、凋亡等，参与细胞发育、分化及干细胞功能、细胞侵袭和血管生成等。越来越多的证据表明miRNA与OA的发生有千丝万缕的联系。本文对miRNA与OA发生发展的关系作一综述。

1 OA的发病机制

OA是中老年人最为常见的慢性退行性骨关节疾病，其临床表现主要为关节的疼痛及压痛、关节僵硬、关节肿大、骨摩擦音及关节无力，伴功能障碍等，是一种复杂但不独立的疾病。其具体病因尚不清楚，多与遗传、炎症、创伤、年龄及肥胖等有关，其发生机制与miRNA、信号通路、细胞因子及金属蛋白酶等紧密相关。OA在病理上可概括为软骨退变和滑膜炎，软骨退变是OA发病的根本及其最先出现的症状，其中软骨细胞凋亡主要有线粒体凋亡、内质网应激相关性死亡和死亡受体凋亡，其病理发生发展还包括软骨下硬化及骨赘形成。此外，软骨细胞自噬在抑制软骨细胞凋亡启动过程中亦发挥关键的调控作用。

2 miRNA与OA发生发展的关系

近年来，已在人OA软骨细胞中发现了990种已知的miRNA和1 621种潜在miRNA。经白细胞介素1β(IL-1β)处理的OA软骨细胞中，利用微阵列技术分析了1 347个miRNA，发现有35个表达被抑制，1个过表达[1]。通过局部注射等多种途径向体内递送各种经过修饰的miRNA，能够改善关节炎的症状，其可通过调控软骨组织的降解、促进软骨细胞的凋亡从而参与OA的发生发展。目前发现，miRNA不仅参与软骨发育，包括生长板开发、成骨分化、成软骨分化及破骨细胞活动，也参与OA的发生进程，其特异性表达于软骨组织中，在关节软骨内平衡、软骨内骨化及关节炎发病机制中都发挥着重要作用。同时，miRNA与软骨细胞的凋亡、自噬及软骨代谢也密不可分。miRNA的作用靶点各异，通过调控其下游靶因子从而加速病程或延缓病程，在复杂的调控因子网络中，miRNA与细胞因子、各个细胞因子之间通过相互的协同及拮抗作用在OA的病理生理进程中扮演不同角色。Karlsen等[2]研究结果显示，miR-140在人OA体外模型中过表达时，可负调控约100种蛋白分子，同时正向调控90种蛋白分子，其中下调的分子包括IL-1β、IL-6、IL-8及核因子κB(NF-κB)等，聚集蛋白聚糖(ACAN)及参与硫酸软骨素生物合成、透明质酸的合成及NF-κB信号的相关分子表达均上调。最终，miR-140通过抑制关键炎症分子和刺激合成软骨的分子而起到预防OA的作用。Min等[3]在骨基质明胶作用下的大鼠模型中测试发现，miR-1-3p、miR-140-5p及miR-337-3p在不同软骨发育进程中表达水平不同，而在与OA相关的miRNA中，miR-9a-5p、miR-98-5p、miR-445-5p、miR-22-3p、miR-27-3p、miR-145-5p、miR-146a-5p及miR-455-3p在不同的时间点表达亦不相同。此外，mir-27、miR-146a、miR-140、miR-145均与软骨基质的产生及降解密切相关。

2.1 在OA发生发展中起破坏性调控作用的miRNA 关节软骨破坏的重要病理表现是软骨细胞外基质(ECM)的减少，其中，聚蛋白多糖丢失是关节炎的主要病理表现之一，聚蛋白多糖可被基质金属蛋白酶(MMP)和解整链蛋白金属蛋白酶(ADAMTS)降解，最终导致代谢紊乱失衡。部分miRNA正是通过调控细胞因子的表达而参与OA的软骨破坏。miR-101抑制剂可起到减缓软骨组织降解，起到稳定软骨细胞表型的作用。在OA及IL-1β诱导的软骨细胞炎症模型中发现，miR-449a呈高表达，MMP-13表达增强并伴随有Ⅱ型胶原蛋白(Col2a1)和去乙酰化酶1(SIRT1)表达减少，而沉默的miR-449a可通过调控其靶基因SIRT1来抑制MMP-13、ADAMTS表达，同时上调Col2a1及SIRT1表达，从而起到保护性调控的作用[4]。关节炎中的miR-381很有可能受到转录因子Sox9调节而呈高表达状态，同时其可通过抑制Col2a1表达及诱导MMP-13的产生而参与软骨基质的吸收过程[5]。有研究发现，过表达的miR-23a-3p、miR-16-5P可抑制Col2a1和ACAN的表达，而其抑制剂有着相反的作用，由此推测，磷酸化S213(Smad3)可作为其靶标受其负调控来促进OA的病程。此外，miR-16-5P还可降低MMP的表达[6,7]。miR-145可调控Smad3及其下游靶基因的表达，IL-1β诱导的ECM降解，由此推测，miR-145可能通过靶向作用Smad3而加快ECM的破坏。另外，下调miR-145的表达还可抑制软骨细胞的凋亡[8,9]。在人OA关节软骨中发现，miR-30b的表达上调与ETS相关基因(ERG)表达下降密不可分，通过转染miR-30b的模拟物检测到miR-30b可抑制其靶点ERG的作用，参与OA发病进程，同时还可抑制COL2a及ACAN的表达[10]。另外，过度的机械应力能直接破坏细胞外基质，同时促使软骨分解代谢。其原因是miR-365可在循环压力及IL-1β刺激的关节软骨模型中受NF-kB信号通路的调控而呈高表达状态，而高表达的miR-365可通过直接调控组蛋白去乙酰化酶4增加IL-1β诱导的基质降解酶中MMP-13及COL10的表达[11]。

此外，在OA软骨细胞的体外模型中发现，miR-634可通过靶向作用PIK3R1基因来调节PI3K/Akt/S6及PI3K/Akt/mTOR/S6信号通路，最终抑制软骨细胞生存及基质合成[12]。miR-155能抑制软骨细胞的自噬，并在OA的自噬缺陷中发挥重要调控作用[13]。miR-125b-5-p可通过负调控与苦苣菜黄网病毒1的表达来促进滑膜细胞凋亡[14]。卷曲同源物3(FZD3)、FZD5蓬乱蛋白3、糖原合酶激酶3结合蛋白、酪蛋白激酶Ⅱ都可作为miR-29家族的调控基因参与OA病程[15]。

2.2 在OA发生发展中起保护性调控作用的miRNA 部分miRNA促进骨关节炎发生发展的同时，也有部分miRNA担任着保护性调控的角色，二者共同参与骨关节炎的损伤及修复。有研究报道，与正常软骨细胞比较，OA软骨细胞中的miR-125b呈低表达，而通过转染miR-125b前体到软骨细胞后发现，高表达的miR-125b可控制IL-1β诱导引起的ADAMTS-4上调，而当ADAMTS-4 3′UTR上miR-125b结合位点发生突变时，miR-125的负调控作用将不复存在，这充分说明ADAMTS-4可能作为miR-125的关键因子参与OA发病进程[16]。Park等[17]发现，OA软骨细胞中的miR-558表达明显偏低，而通过转染成熟的miR-558到软骨细胞中可检测到过表达的miR-558能直接抑制环氧化酶2(COX-2)的活性及降低IL-1β作用下上调的COX-2，而低表达的miR-558作用相反，表明COX-2在OA发病中很可能是一种保护因子。过表达的miR-558还可抑制IL-1β作用下活化的NF-κB、MMP-1及MMP-13的表达，从而发挥保护性调控作用。OA软骨细胞中的miR-199a*可抑制COX-2的活性及IL-1β诱导下C0X-2的表达，而当活化的p38-MAPK信号通路抑制MiR-199a*时，COX-2的表达又被上调。同时，经抑制剂处理的miR-101-3也可增加COX-2的表达，但其上调对COX-2蛋白的表达尚未发现有意义。深入研究后发现，COX-2 mRNA的3′UTR包含了miR-199a*和miR-101_3的“种子”序列，这暗示着miR-199 a *和miR-101_3可能通过直接靶向作用于COX-2而发挥作用[18]。在IL-1β诱导下的小鼠软骨细胞中，miR-320被证实能通过抑制MMP-13的表达参与鼠软骨细胞的形成及IL-1β作用下的软骨分解代谢，其可受活化的NF-κB及丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路调控而表达下调[19]。miR-210的表达上调与低氧诱导因子表达下调息息相关，其可显著增加Ⅰ型胶原蛋白的表达，同时还可负调控COL10A1及MMP-13表达，促进OA软骨细胞增殖，并诱导细胞增殖核抗原蛋白表达[20]。研究证实，OA软骨细胞中的miR-222的表达受到明显抑制，而过表达miR-222可通过负调控HDAC-4来抑制MMP-13的表达，最终抑制软骨细胞凋亡[21]。此外，在OA发病进程中，miR-142-3p可通过抑制高迁移率族蛋白1介导的NF-κB信号通路，抑制软骨细胞凋亡及促炎细胞因子的生成，最后减缓OA的进程[22]。吴寒松等[23]通过向大鼠OA软骨细胞中转染miR-25的模拟物及抑制剂发现，过表达miR-25可抑制软骨细胞的凋亡，而在使用抗miR-25物质处理后则作用相反，充分说明miR-25在软骨细胞凋亡过程中的保护性调控作用。在IL-1β作用下的软骨细胞中，EGCG可通过上调miR-199a-3p的表达来抑制COX-2的表达及前列腺素E2的产生，从而抑制炎症反应[24]。过表达的has-miR-148a可增加COL2A1的表达，同时减少COL10A1、MMP13及ADAMTS-5的表达，最终促进软骨的形成及抑制其退化[25]。研究报道，TNF-α在OA患者中的表达与miR-130a表达呈高度负相关，miR-130a功能丧失导致的TNF-α表达上调将会促进软骨细胞的炎症过程，同时引起IL-6、IL-8及单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)表达上调[26]。王维山等[27]通过检测33例OA患者和28例正常关节滑膜中miR-27a及miR-140的表达，发现在OA患者滑膜组织中二者的表达显著低于正常者，其中尿激酶型纤溶酶原激活物及MMP-3高于正常组。

目前，OA相关miRNA的研究仍处于初级阶段，同一miRNA在不同研究中可发挥着截然不同的作用，如miR-181通过作用于PTEN基因表达，可上调半胱氨酸蛋白酶3、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶、MMP-2及MMP-9的表达，来抑制细胞增殖及促进OA软骨细胞凋亡；亦有研究发现，miR-181可促进软骨细胞的形成[28,29]。因miRNA在软骨发育及疾病发生发展过程中具有明显的特异性表达，又结合其组织特异性及时序性的特点，因此，探索miRNA与OA的相关性及其调控机制，对进一步完善和改进OA的诊断和筛查方法、寻找合适的生物学标志物具有重要意义。miRNA的调控机制十分复杂，同一miRNA可能在同一疾病的不同阶段表达各异，所以仍需要更多的研究进一步阐明其作用机制。