SIRT1 作为调控软骨细胞自噬潜在靶点治疗骨关节炎的研究进展

李佳璇 熊文碧

（1.四川大学华西口腔医学院，四川 成都 610041；2.四川大学华西基础医学与法医学院药理学教研室，四川 成都 610041）

骨关节炎（Ostarthritis，OA）是临床最常见的关节疾病，以关节软骨的变性、破坏及骨质增生为特征，具有一定的致残率。随着社会人口老龄化逐渐严重，退行性骨关节病给中老年人的健康带来了巨大的威胁。目前国内50岁以上老年人口总人群膝骨关节炎患病率为20.3%[1]。现在骨关节炎临床主要还是围绕着缓解病情的对症治疗，缺乏针对病因的很好的药物。

Sirtuin1（SIRT1）是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶。研究显示，SIRT1降低可能会导致骨质疏松症等疾病的发生[2]，表明SIRT1可能是骨稳态的调节因子。它参与细胞代谢、寿命调节等多种生物学过程，还可以通过其介导的信号通路和乙酰化促进软骨细胞自噬水平，增强软骨细胞对应激的抵抗力，延缓细胞衰老。本文对SIRT1通过调控自噬来保护软骨细胞以及SIRT1作为治疗骨关节炎等退行性疾病潜在靶点的研究进展做一综述。

1 自噬及其在软骨细胞代谢中的作用

自噬是生命活动中高度保守的过程，通过降解受损的细胞器和大分子、错误折叠或聚合的蛋白质提供生存物质、能量和维持细胞内环境稳态。在哺乳动物细胞中，自噬主要有三种类型：微自噬、宏观自噬和伴侣介导的自噬[3]，它们最终都是将细胞质材料递送到溶酶体中进行降解和循环[4]。此外，线粒体选择性自噬也是健康细胞的一项正常生理活动，通过受体介导机制对靶向损伤的线粒体进行降解。自噬可以延缓细胞衰老和死亡，也可以与细胞凋亡相互作用，或成为凋亡缺失时的替代机制[5]。自噬既是一种保护机制，在某些条件下（如纳米颗粒引发的自噬和金属蛋白酶诱导的无菌性松动引发的自噬[6]）又会成为毒性机制。

软骨内成骨是哺乳动物骨骼形成的主要方式，自噬在软骨细胞中的代谢作用可以分为以下几个方面。

第一，骨髓间充质干细胞分化为骨祖细胞，然后分化为软骨细胞，形成软骨原体，最后形成生长板。由于关节软骨细胞的旁分泌作用，并且生长板内存在小血管，所以软骨细胞的生长环境容易营养不良且缺氧[3]。为了避免软骨细胞过早凋亡，在生长过程中，细胞的自噬活性会变得活跃，以保护软骨细胞和正常软骨细胞的分化。

第二，自噬的激活对于维持低能量状态下软骨细胞的正常生存能力非常必要，自噬可以通过回收细胞中的营养物质产生腺苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP）。

第三，线粒体自噬活性的降低与溶酶体吞噬能力的减少相关，衰老细胞中不可降解的褐脂素会消耗大量溶酶体酶，最终衰老的线粒体和低效的溶酶体酶在细胞中大量堆积，加速软骨细胞的死亡。这可能是随着年龄的增长骨关节炎发病率升高的原因。自噬在出生后发育的生长板软骨细胞中被诱导，并调节II型胶原的分泌，而II型胶原是软骨细胞外基质的主要成分。软骨细胞中缺乏自噬相关基因（Autophagy-related gene，Atg）7的小鼠，会出现II型前胶原内质网储存和软骨细胞外基质中II型胶原纤维网络形成缺陷[7]。

另外，研究显示，MicroRNA-128a通过破坏Atg12抑制软骨细胞自噬从而加重膝关节骨关节炎[8]；miRNA-335-5p通过激活AMP活化的蛋白激酶（Adenosine 5‘-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK）促进雷帕霉素靶蛋白（Mammalian target of rapamycin，mTOR）通路，进而激活软骨细胞自噬，达到缓解软骨细胞炎症的目的[9]。

2 骨关节炎的成因与现阶段的治疗

成骨细胞和破骨细胞是构成骨内稳态的两种主要细胞类型。成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收之间的失衡已被证明是骨溶解、骨质疏松、骨关节炎、类风湿关节炎等骨代谢紊乱疾病发病的直接原因。例如，骨关节炎患者的成骨细胞中存在骨保护素（Osteoprotegerin，OPG）和核因子κB 受体活化因子配体（Receptor activator of nuclear factor-atorligand，RANKL）的异常表达，导致骨重塑异常和矿化减少。基因表达的改变参与了成骨细胞功能、骨重塑和矿化的失调，导致OA的发展[10]。OA的主要症状包括疼痛、短暂的晨僵和关节活动的捻痛，这些症状会导致不稳定甚至身体残疾。在OA的早期阶段，软骨细胞外基质破坏使细胞暴露于跨区基质成分，再通过细胞表面受体（包括整合素和盘蛋白域受体）解除对软骨细胞功能的控制。随着疾病的发展，蛋白多糖逐渐枯竭，胶原网络被侵蚀，病情走向了不可逆的阶段[11]。还有证据表明软骨细胞死亡增加，部分原因是自噬下降所致[12]。

OA的大部分治疗还是围绕着缓解疼痛和延缓病情发展进行，目前还没有改善疾病本身进程的药物。口服非甾体抗炎药是治疗OA最常见的口服药物。它们有较大毒副作用，大多会引起胃肠道和心血管并发症。美国风湿病学会和欧洲风湿病联盟建议[13]对于病程较长和/或无法治疗的疼痛或残疾患者进行手术治疗，手术选择包括灌洗/清创术、矫正截骨术和关节成形术关节置换术。中国 2012年约20万患者行膝关节置换术[14]。

3 SIRT1信号通路通过调控自噬保护成骨相关细胞

Caramés等[15]发现人类骨关节炎模型、衰老模型和手术诱导的小鼠骨关节炎模型的关节软骨中自噬关键调节因子丝/苏氨酸激酶（Unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1）、Beclin1和微管相关蛋白轻链3（Microtubule- associatedprotein light chain3，LC3）表达会减少和损失且伴随着细胞凋亡的增加，这暗示了自噬可能在调节成骨细胞和破骨细胞的增殖、分化和功能。SIRT1信号通路和线粒体自噬的联系首次被Hwang s组发现[16]。异常的自噬可能会打破骨代谢的平衡，导致骨代谢紊乱。骨髓间充质干细胞的自噬可以提高其伤口愈合能力和免疫抑制特性[17]。

3.1 SIRT1在自噬过程中的作用

自噬过程包括诱导自噬、自噬小体形成、小泡融合、自噬小体分解。多种因素参与调控细胞自噬，如磨损颗粒、低氧条件、饥饿条件，甚至微重力条件[4]。ATG蛋白在自噬体的形成和运输中起关键作用。在ATG蛋白中，Atg1、Atg6、Atg8（哺乳动物中分别为ULK1、beclin-1和LC3）和Atg5是自噬途径的四个主要调节因子[3]。有研究表明SIRT1可能通过Atg5、Atg7和Atg8等相关基因促进自噬[5]，一些信号通路，包括PINK1（PTEN induced putative kinase 1）/Parkin通路、SIRT1介导的通路、丝裂原激活蛋白激酶8（Recombinant Mitogen Activated Protein Kinase 8，MAPK8）/Forkhead Box O3（FOXO3）通路、Beclin-1（BECN1）通路、Sequestosome 1（p62/SQSTM1）通路、mTOR通路和Ras/PKA（protein kinase A system, PKA）信号通路（mTOR通路和Ras/PKA通路对自噬有负调控作用[3]），另外一些纳米颗粒也可能会影响细胞的自噬[18]。这些通路在成骨和破骨细胞中形成了一个复杂而紧密连接的调控网络来介导自噬。但就目前的研究来看，PINK1/Parkin和SIRT1信号通路是研究最广泛的自噬调控因子，因为它们在调控自噬中起着至关重要的作用。

Sirtuins是NAD+依赖性的去乙酰化酶，具有调节特定赖氨酸残基上的组蛋白乙酰化，促进其翻译后修饰，导致染色质沉默和转录抑制的作用[19]。并且Sirtuins参与了多种生物学过程，包括细胞代谢、基因组稳定性和寿命调节[20]。SIRT1是研究最多的Sirtuin，它驻留在细胞核中，调节核小体组蛋白乙酰化和几个转录因子的活性。Pradeep等[21]研究了软骨细胞中与衰老有关的SIRT1机制和自噬作用的相关性。结果显示，SIRT1水平在正常老年人和OA患者的软骨中较年轻人群明显下降，沉默软骨细胞中SIRT1会导致软骨细胞标志物表达下降，而SIRT1的激活会增加软骨细胞的自动成像和软骨形成。同时他们通过流式细胞仪和评估LC3-GFP强度的方法，发现自噬关键相关基因（ulk1、beclin1和lc3）的基因和蛋白表达与SIRT1的分子调控和药理改变一致。进一步发现，SIRT1介导的乙酰化是调节自噬体形成的重要翻译后修饰[6]，SIRT1的激活通过关键的自噬蛋白（Beclin1、ATG5、ATG7以及LC3）上的赖氨酸残基去乙酰化而增加了软骨细胞的自噬。FoxO3和p53通路被认为是SIRT1介导的自噬降解中最重要的两个通路，SIRT1和FoxO3在DNA损伤和应激反应中形成复合物，SIRT1使FoxO3和SIRT1依赖性的p53，p15，p16[19]通路去乙酰化以增强细胞对应激的抵抗力[6]，延缓细胞的衰老，避免细胞凋亡。因此SIRT1在软骨细胞中能够通过维持自噬来保证软骨完整性，可以作为药物靶点来预防OA。

3.2 SIRT1对成骨相关细胞的双向调节作用

SIRT1水平的增高有利于骨代谢。第一，SIRT1水平与软骨细胞内参与凋亡过程的关键蛋白酶的活性成反比关系。第二，SIRT1能激活软骨细胞自噬。另外，SIRT1还可以通过诱导自噬保护成骨细胞免受氟毒性[5]。最近有报道称，自噬蛋白的翻译后修饰可显著控制过自噬活性[21]。

此外，研究发现过表达SIRT1激活自噬的程度可能决定了细胞增殖的程度。当SIRT1通路被药物激活[6]或过表达时，则可能会抑制细胞增殖[22]。

4 SIRT1 激活剂的研究

目前已知SIRT1激活剂有白藜芦醇和烟酰胺等。研究表明，白藜芦醇通过增强SIRT1表达，通过PI3K/Akt/mTOR信号通路改善线粒体自噬。SIRT1和TOR水平是连接代谢、自噬、DNA损伤、蛋白质稳态和热休克反应的应激反应网络的中心枢纽。白藜芦醇可能通过以上通路，保护骨质疏松大鼠成骨细胞[23]。烟酰胺则通过增加NAD/NADH比率诱发SIRT1介导的自噬[24]。最近有研究显示红景天的主要成分红景天苷，通过激活SIRT1发挥抗氧化作用，抑制炎症和角化细胞的增生和血管生成，可用于银屑病的治疗[25]。此外，通过建立神经根撕脱伤大鼠模型发现，治疗效果最好的一种药物是NeuroHeal，它可以通过激活SIRT1发挥神经保护作用，促进抗炎和功能运动能力的恢复[26]。

5 总结与展望

SIRT1介导的FoxOs通路可以延缓神经退行性疾病[27]、代谢综合征、骨骼肌功能损伤[28]和心血管疾病[29]的发展。线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭和细胞间通讯改变等因素会导致骨质疏松和骨关节炎等疾病[30]，这也与衰老细胞自噬能力下降的理论相吻合，所以干预SIRT1介导的通路是有可能成为治疗OA等退行性疾病的靶点，虽然目前还没有临床使用的相关药物，但随着研究的深入，相信未来有望出现以SIRT1作为靶点的药物，为OA等退行性疾病患者带来新的治疗药物。