低氧诱导因子2α可能作为治疗骨关节炎的一个新靶点

吴文彬 荣杰生

哈尔滨医科大学附属第二医院，黑龙江哈尔滨150081

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种关节软骨的慢性退行性疾病，好发于中老年人，女性明显多于男性，其主要病理改变为软骨基质降解，软骨周围骨质增生，骨赘形成［1］。OA被认为是造成世界范围内慢性残疾的主要公共健康问题，对社会经济具有较深的影响。截至目前，OA发病病因尚不明确，可能与创伤、性别、年龄、炎症以及某些代谢因子有关。近年来发现，低氧诱导因子2α(hypoxia-inducible factor 2α，HIF-2α)参与OA的发展，是软骨骨化过程的一个广泛调节因子。因此，本文主要阐述低氧诱导因子2α在OA中的调控机制，从而为将来治疗OA提供一个可能的新的治疗靶点。

1 低氧诱导因子概述

HIF属于转录因子家族，由α和β亚基构成。其中 α 亚基主要分为 HIF-1α、2α、3α，其中 HIF-1α和HIF-2α是与氧敏感有关的关键效应器;β亚基又被称为芳烃受体核转位因子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocation factor，ARNT)，属于碱性螺旋-环-螺旋(alkaline helix-ring-helix，bHLH) 转录因子超家族中新发现的 PAS(periodicity［per］/aryl aryl hydrocarbon receptor nuclear translocation factor［ARNT］/single-minded［Sim］)亚家族，该家族的成员以一个高度保守的毗邻于螺旋-环-螺旋化区域的碱性DNA结合序列为特征，是一类生物遗传传感器，在细胞内稳定表达［2］，不仅可以调节细胞中相关基因的表达和活性，促进正常细胞的生长发育和分化增殖，还参与细胞缺氧及特定环境刺激的应答，同时也是遗传和环境刺激的结合位点。在ARNT的氨基尾端含有保守度很高的bHLH序列，这一序列也存在于很多与DNA结合的其他转录因子中。这些转录因子主要以同源二聚体后者异源二聚体的形式存在。在人体内，ARNT是大部分bHLH-PAS蛋白共同的专性二聚化配偶体，其中就包括芳香烃受体、HIF-1α和2α，参与人体内许多重要的生物学过程。其中HIF-1α可能通过促进软骨细胞的生成及发育，维持软骨细胞的内在活性，使软骨细胞适应低氧环境，从而对关节软骨细胞起到保护作用［3］。而HIF-2α的分布和作用可能与HIF-1α刚好相反，HIF-2α也被称为内皮Per-Arnt-Sim结构域蛋白-1，是低氧条件下软骨分解代谢的重要调节因子［4］。一般分布在关节软骨的周边部分，对诱导软骨内骨化及关节骨赘的形成有密切的关系。

2 HIF-2α及其相关因子在OA中的调控机制

2.1 HIF-2α调节OA关节软骨中基质金属蛋白酶-13的表达

基质金属蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)属于基质金属蛋白酶家族的一种，在多种病理状态下降解I、II、III、V和XI型胶原纤维，尤其可以优先降解II型胶原纤维，而软骨基质的主要成分就是II型胶原纤维［5］。MMP-13在正常的软骨组织中很少表达，多表达于OA患者的关节软骨中。近年研究表明，MMP-13在OA患者的关节软骨中表达明显高于正常人。最近有研究表明，静水压力可以影响小鼠内皮细胞中HIF-2α的表达;培养的软骨细胞在0、5、10或50 MPa的流体静压下进行刺激，刺激后MMP-13表达增加［6］。静水压力可影响软骨退化，通过诱导HIF-2α的表达从而加强MMP-13的表达，进而导致软骨基质降解，软骨退变，进一步诱导 OA 的发生［7］。

2.2 HIF-2α调控血管内皮生长因子从而诱导OA的发生

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是新生血管形成的最关键的细胞因子，是目前发现功能最强大的内皮细胞有丝分裂原。VEGF通过促进血管生成及增加血管通透性的作用，促进滑膜细胞增生、血管新生，从而促进OA及滑膜炎［8］。其机制可能是通过促进血管生成，从而为滑膜细胞的增生提供更多的营养，为其向关节腔中心的侵蚀提供动力;滑膜细胞增生分泌一些细胞因子，促进滑膜炎的同时也促进新生血管的形成，如此恶性循环，进一步加重 OA的进展［9］。另外，VEGF还可以通过抑制关节软骨细胞II型胶原和蛋白聚糖的表达，加速软骨细胞及软骨基质的降解，从而促进OA的发生发展。近年来，有学者研究发现OA患者关节软骨细胞中HIF-2α的表达较正常软骨中明显增多，HIF-2α主要表达在软骨周边钙化层高分化的肥大软骨细胞，诱导软骨凋亡，上调VEGF的表达，导致软骨基质降解，促进新生成熟的血管形成并侵入［10］。另外，有学者通过 PCR和 Western blot进行定量膝OA软骨细胞中HIF-2α与VEGF的表达发现，在 OA软骨中，HIF-2α的表达水平与VEGF在mRNA和蛋白水平中的表达呈显著正相关［11］。HIF-2α和VEGF协同促进OA的发展，同时HIF-2α可以上调VEGF的表达，表明这两个因素可以单独作为确定疾病严重程度的检测指标［12-14］。

2.3 HIF-2α直接上调烟酰胺磷酸核糖转移酶的表达促进OA的进展

烟酰胺磷酸核糖转移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase，NAMPT)是烟酰胺嘌呤二核苷酸(nicotinamide guanidine dinucleotide，NAD+)补救合成途径中的限速酶，具有类炎症因子作用，在多种炎症刺激时可抑制中性粒细胞的凋亡［15］。NAMPT在人体内的存在形式主要有两种，分别为细胞内和细胞外NAMPT。eNAMPT(细胞外NAMPT)除了参与调控NAD+的生物合成，还与其类细胞因子作用有关［16］。关节软骨中eNAMPT的水平高低与OA的发病机制密切相关。eNAMPT在人类关节软骨中通过抑制蛋白多糖的合成和增加金属蛋白酶的表达加速OA的进展。另外，白细胞介素1β在软骨细胞中促进NAMPT的表达来抑制II型胶原蛋白的合成。Little等［17］发现NAMPT是骨关节炎患者中HIF-2α的直接靶基因。NAMPT在关节软骨细胞中通过直接上调基质金属蛋白酶3、12、13的表达，从而激活HIF-2α下游分解代谢因子的活性［18-19］。有研究表明HIF-2α与NAMPT-NAD+-SIRT轴呈相互作用关系，即HIF-2α促进NAMPT的表达，进而激活NAD+以及SIRT家族;相反，NAD+/SIRT的激活又反过来促进HIF-2α蛋白的稳定性及提高其转录活 性［20-21］。这 也 表 明 了 HIF-2α 与 NAMPTNAD+-SIRT轴的相互调节机制可能是骨关节炎的发病机制之一［22-23］。因此，NAMPT是 HIF-2α 所介导的OA软骨破坏的重要分解调控因子之一。

2.4 骨桥蛋白抑制HIF-2α的表达延缓OA的发生

有研究表明，骨桥蛋白(osteopontin，OPN)抑制OA软骨细胞中HIF-2α mRNA的表达［24］。骨桥蛋白在骨组织中含量丰富，可能由许多不同的细胞类型包括软骨细胞和滑膜细胞分泌。OPN在人类软骨细胞中表达上调。与正常软骨相比，从人OA软骨分离的OPN mRNA水平增加。此外，OPN在血浆、滑膜液和关节软骨中的表达水平与进行性关节损伤有关，并且可能是用于确定膝OA疾病严重程度和进展的有用生物标志物［25-26］。OPN与多种细胞表面受体相互作用，包括整联蛋白和CD44，CD44受体参与OA的发生和发展，关节软骨中存在的CD44与进行性膝关节 OA关节损伤有关［27］。在Altur等［28］进行的人类OA软骨样品研究中，发现OPN在OA软骨中的表达增加，与正常软骨相比，OPN mRNA表达显著上调，并在离体条件下向骨并在OA软骨添加重组OPN抑制了一氧化氮和前列腺素E2的产生。这表明OPN在OA软骨中过度表达，并可能作为软骨炎性介质的内源性抑制剂。有研究还发现OPN缺陷导致诱导MMP-13的增加［29］。OPN能够抑制膝OA患者软骨细胞中HIF-2α的mRNA表达水平，HIF-2α mRNA表达随OPN的上调而降低，随OPN的下调而表达增加［30］。由于HIF-2α是OA软骨破坏的分解代谢因子，因此，OPN水平升高导致HIF-2α下调可能是受影响的软骨细胞返回到稳态的一种机制。用抗CD44阻断mAb预处理软骨细胞抑制了OPN对HIF-2α mRNA表达的抑制作用，结果提示OPN对软骨细胞HIF-2α的抑制作用是通过CD44与OPN相互作用介导的［29］。因此，OPN可能通过抑制骨关节炎软骨细胞HIF-2α基因的表达，从而发挥骨OA保护作用。

2.5 微小RNA-365抑制HIF-2α的表达

微小 RNA-365(microRNA-365，miR-365)是一种长度为22个左右核苷酸的非编码单链小RNA，主要参与转录后基因表达的调控，在细胞的生长发育以及各种疾病的发生发展过程中起到非常重要的作用。而miR-365属于miRNAs中的重要一员，在OA的发生发展中参与一定的作用。与正常软骨相比，人OA软骨的miR-365水平显著降低，使用编码人HIF-2α mRNA的3’非翻译区(untranslated area，UTR)荧光酶报告基因测定法，显示miR-365过度表达显著抑制了IL-1β诱导的人关节软骨细胞中HIF-2α的表达［31］。荧光酶测定证实，miR-365直接与HIF-2α mRNA的3’UTR相互作用。miRNA的下调导致HIF-2α和MMP-13以及其他多种分解代谢因子(包括 COX2、iNOX和 MMP-3等)的表达增加［32］。这些结果表明miR-365通过在转录后水平调节HIF-2α并通过交叉调节MAPK-NF-kB信号传导来减轻IL-1β诱导的分解代谢［33］。有研究已经证明OA关节软骨细胞中miR-365水平明显受到抑制［31］。miR-365在关节软骨细胞的单层和3D培养物中抑制IL-1β介导的分解代谢反应，同时调控HIF-2α表达，表明miR-365是OA的保护因子，其通过HIF-2α在OA的形成中发挥作用。

2.6 HIF-2α增强脂肪酸合成酶介导的软骨细胞凋亡

脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，Fas)是肿瘤坏死因子家庭的一员，可以直接介导软骨细胞凋亡，通过与配体FasL结合触发细胞凋亡信号［34］。有研究已经证实Fas在OA软骨细胞中的表达明显高于正常软骨细胞，Fas在损伤软骨细胞中的表达也高于正常软骨细胞［35］。HIF-2α与Fas的转录活性密切相关，HIF-2α通过直接上调Fas基因的表达，并且激活下游信号，激发由抗Fas抗体介导的细胞凋亡，显著地增强由Fas所介导的细胞凋亡，进而加速了OA患者软骨细胞的破坏［36］。HIF-2α通过直接或间接上调Fas和下游凋亡信号的放大来增加软骨细胞凋亡。

3 展望

OA最重要的特征就是软骨的退变及软骨基质的降解，由于软骨缺乏神经分布及血管供应，一旦成熟的软骨损伤很难通过自身修复来愈合。目前，对OA的早期治疗主要以抗炎镇痛为主，其优点是起效快，可迅速缓解疼痛症状，且长期口服非甾体类抗炎药会产生胃黏膜损伤等一系列并发症，且不能阻止OA的进一步发展［37］。HIF-2α可能作为OA疾病进展中的调控中心，可通过抑制HIF-2α的表达，从而降低各种分解代谢因子的水平，来缓解关节软骨的降解，从而延缓OA的进一步发展，为OA的治疗提供了一个新的思路。