微RNA和信号通路在骨关节炎病理机制中的作用研究进展

智佳佳，杜朝政，王 越，王宇泽

(山西医科大学第二医院骨科，山西 太原 030001)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种以关节软骨进行性损伤为特征的慢性疾病。OA是全球范围内引起疼痛和残疾的主要原因之一，目前全球以膝关节OA患者最为常见，约有2.5亿[1]。OA发病因素众多，包括年龄、肥胖、外伤、遗传等[2]。OA通常累及关节软骨及其周围组织，导致关节的肿胀、疼痛伴不同程度的运动功能障碍。早期OA以对症治疗为主，主要包括缓解症状、改善骨关节功能，但不良反应和并发症较多，远期治疗效果不理想，最终需要进行关节置换手术[3]。因此，在OA发生、发展的早期进行有效干预尤为重要。

信号通路或相关途径在OA病理中起重要作用，参与细胞增殖和凋亡、细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的合成和降解、炎症反应和免疫反应等[4]。越来越多的证据表明，微RNA(microRNA,miRNA)在各种复杂的疾病中起着至关重要的作用[5]。近年来表观遗传学研究表明，miRNA通过调控关节软骨细胞基因的表达参与OA的病理进展[6]。miRNAs可通过不同的信号通路参与OA的病理进展。本文就miRNA和信号通路在骨关节炎病理机制中的作用进行综述，旨在为骨关节炎的研究和诊疗提供新的方向。

1 OA的病理表现

关节软骨的退行性病变和炎症是OA的主要病理表现，关节软骨细胞的功能之一是产生和维持软骨ECM，软骨细胞的减少、软骨ECM合成和降解的失衡是引起关节软骨退变的主要原因[7]。ECM主要是由Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白多糖组成，基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)的胶原酶可降解胶原蛋白，且MMPs和具有血小板反应蛋白基序的解整合素和金属蛋白酶(a disintegrin and metalloprotease with thrombospondin motifs，ADAMTS)的蛋白水解酶可同时降解聚集蛋白多糖[8]。OA关节内的软骨细胞和滑膜细胞可产生MMPs、ADAMTS等细胞因子和趋化因子等炎症成分，这些炎症成分可促进关节软骨基质的破坏，加速OA的进展[7]。

2 miRNA与OA

2.1 miRNA的生物学特征及作用miRNA是内源性非编码单链RNA，主要通过完全或部分结合靶基因信使RNA的3′-非翻译区的互补序列抑制信使RNA的翻译或剪切[9]。大多数miRNA位于细胞内，但部分miRNA存在于细胞外的ECM或各种生物体液中，被称为循环miRNA或细胞外miRNA。细胞外miRNA可由细胞主动分泌，在细胞外环境中运输，并被受体细胞吸收，最终调控靶基因并激活受体细胞中的信号转导[10]。miRNA被认为是影响整个细胞内分子级联反应中的转录修饰，如信号转导[11]。研究显示，miRNA的正常表达可调控生长发育的多个过程，包括细胞生长、分化、凋亡和ECM调控及止血、骨代谢和器官发育等；其异常表达涉很多种疾病，如心血管疾病、免疫性疾病、癌症和OA等[12]。有研究报道，miR-34a、miRNA-103和miR-181a 等表达失调可诱发OA炎症的发生、发展，如白细胞介素(interleukin，IL)或MMP-13介导的关节软骨ECM降解[11]。目前，虽然有大量关于miRNAs 的研究报道，但其在许多疾病中的作用机制尚未完全了解。

2.2 miRNA在OA患者中的表达miRNA在OA中呈异常表达，参与OA的病理发展。BORGONIO等[13]在原发性OA患者血浆中380个独立的miRNA中发现miR-16、miR-20b、miR-29c、miR-30b、miR-93、miR-126、miR-146a、miR-184、miR-186、miR-195、miR-345和miR885-5p呈过表达。MARTA等[14]检测OA患者软骨细胞中19种miRNA的表达，结果发现，miR-138-5p、miR-146a-5p、miR-335-5p和miR-9-5p表达显著上调。WANG等[11]对OA软骨细胞中8个独立miRNA的表达进行meta分析，结果发现，miR-23b-3p、miR-27b-3p、miR-211-5p和miR-16-5p表达显著上调，miR-25-3p和miR-149-5p表达显著下调。

3 miRNA及其相关信号通路在OA病理生理中的作用

多种信号通路参与OA的病理发展，包括细胞凋亡、ECM降解、炎症反应等。miRNA通过不同的信号通路调控OA的病理进展，如调控IL、MMPs和ADAMTS等相关因子的表达。ZHANG等[15]研究发现，miR-322、miR-503、miR-467a等通过核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)/丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)/Wnt通路等信号传导途径参与OA的病理进展。已知参与OA病理生理发生、发展的与miRNA相关的信号通路有NF-κB通路、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylin-ositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinases B,AKT)通路、MAPK通路、Wnt通路、Notch通路和p53通路等。

3.1 miRNA与NF-κB通路NF-κB是控制软骨正常发育和参与病理改变的重要分子。NF-κB通路中存在2条激活途径:(1)经典途径。该途径可调控自身抗体、炎症细胞因子和血管生成因子等的表达；抑制经典途径可阻断生长激素或胰岛素样生长因子信号传导，抑制细胞增殖和骨成型蛋白2的表达，从而促进细胞凋亡。(2)替代途径。该途径在生理条件下参与软骨细胞的生成，在病理条件下参与OA的发展[16]。基于此2条途径，异常的NF-κB活化可引起关节软骨细胞生长停滞状态的丧失，并伴有促软骨降解介质的产生[17]。

部分miRNA可通过调控NF-κB信号通路活化参与OA的发生发展。有研究表明，在OA软骨组织中miR-34a和miR-181a过表达，抑制miR-34a和miR-181a表达可显著抑制p50NF-κB通路的激活，进而降低软骨细胞凋亡率和氧化应激的能力[18]。DING等[19]研究表明，在OA模型小鼠的关节软骨组织和脂多糖诱导的软骨细胞中，miR-93的表达显著降低，导致Toll样受体4/NF-κB信号通路失活，从而降低细胞活力，促进细胞凋亡和炎症反应。ZHANG等[20]研究显示，在OA小鼠软骨细胞中SRY相关蛋白9和NF-κB表达降低，miR-384-5p表达增高；抑制miR-384-5p表达可使SRY相关蛋白9表达上调，通过NF-κB信号通路促进软骨细胞增殖和抑制凋亡。有研究报道，miR-92a-3p在OA软骨细胞中的表达显著低于正常软骨组织中，miR-92a-3p转染的软骨细胞中ADAMTS-4/5的表达明显被抑制，并使含有人ADAMTS-4/5 mRNA的 3′-非翻译区的报告基因构建体的活性增加，从而抑制ECM的降解，在IL-1诱导软骨细胞中NF-κB过表达，导致miR-92a-3p表达下调[21]。WEI等[22]研究发现，在OA软骨组织中miR-138表达显著降低，miR-138低表达促进了人OA软骨细胞和软骨形成SW1353细胞中p65、环氧合酶2和IL-6的表达，使NF-κB通路的活性增加，加速了软骨组织的破坏。

3.2 miRNA与Wnt通路Wnt信号通路调节组织生长、发育的关键生物过程，参与疾病的发生、发展，特别是在关节和骨骼疾病。关节软骨中Wnt信号传导途径的过度激活与OA的发生和严重程度显著相关[23]。一些miRNA通过Wnt信号通路参与OA的病理发展。HU等[24]研究表明，miR-320c在OA软骨细胞和软骨形成人脂肪干细胞后期表达降低，而β-连环蛋白表达升高；在miR-320c转染的OA软骨细胞中，过表达miR-320c通过Wnt通路靶向β-连环蛋白RNA的3′-非翻译区来抑制β-连环蛋白的表达，导致MMP3、MMP13和ADAMTS-4的表达降低，从而抑制OA软骨细胞的变性。有研究表明，miR-410是间充质干细胞软骨分化的关键调节因子，在OA软骨细胞中表达下调；OA患者软骨细胞中的Wnt3a水平与OA严重程度相关，且与miR-410水平呈负相关；异常表达的miR-410直接促进Wnt信号通路Wnt3a的表达，使Ⅱ型胶原、SRY相关蛋白9、聚集蛋白多糖和透明质酸合酶2的miRNA和蛋白质水平降低，促进OA的病理发展[25]。MAO等[26]研究表明，在OA软骨细胞中miR-92a-3p表达下调，miR-92a-3p表达下调可促进Wnt5a的表达，抑制SRY相关蛋白9及聚集蛋白多糖的表达，进而抑制软骨分化和ECM的合成。XU等[27]研究报道，在OA小鼠软骨细胞中miR-138表达下调，NIMA相关激酶2和β-连环蛋白表达上调。用miR-138模拟物和小干扰RNA-NIMA相关激酶2处理的软骨细胞中，NIMA相关激酶2、β-连环蛋白、MMP-13、B细胞淋巴瘤-2-相关X蛋白和p53的表达降低，聚集蛋白聚糖和B细胞淋巴瘤-2的表达升高，促进了软骨细胞增殖，抑制了细胞凋亡；这说明miR-138的过表达诱导了细胞存活并通过NIMA相关激酶2抑制了OA软骨细胞的WNT/β-连环蛋白信号传导。

3.3 miRNA与 PI3K/AKT通路PI3K/AKT通路通过调控下游分子表达参与疾病的发生、发展，如激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白、p21和S6等[28]。PI3K/AKT信号通路对维持关节组织的正常代谢至关重要，其可通过降解软骨导致软骨下骨功能障碍和滑膜炎症等[29]。有研究显示，将miRNA-103转染到原代大鼠软骨细胞中会降低鞘氨醇激酶1的表达，诱导软骨细胞凋亡、抑制细胞增殖，阻碍刮擦试验伤口的闭合。此外，在过表达miR-103的软骨细胞中总AKT和p-AKT的表达显著降低，鞘氨醇激酶1表达上调可增加PI3K和p-AKT的表达[30]。CAI等[31]研究表明，miR-27a在OA软骨细胞和用IL-1处理过的软骨细胞中呈过表达，miR-27a抑制剂转染的软骨细胞中PI3K的表达显著增加，抑制了OA软骨细胞凋亡和自噬。TAO等[32]研究发现，在OA患者软骨中miR-34a呈过表达，调控PI3K/AKT途径。将软骨细胞中的miR-34a基因沉默，可使细胞增殖和增殖相关蛋白的表达增加，细胞凋亡率和凋亡相关蛋白表达降低。有研究发现，中重度OA患者软骨细胞中miR-218-5p表达显著上调，导致PIK3C2A及其下游靶蛋白(如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和S6等)表达减少，从而抑制基质的合成，诱导细胞凋亡[33]。ZHAO等[34]研究显示，miR-495在OA患者软骨组织中过表达，导致软骨细胞中AKT1、p-S6和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白表达降低，诱导细胞凋亡；miR-495过表达可促进ECM降解相关酶ADAMTS-5、MMP-1和MMP-13的表达。

3.4 miRNA与MAPK通路MAPK包括p38、细胞外信号调节激酶和c-Jun氨端激酶。MAPK是参与MMPs表达及调控细胞凋亡、增殖和分化的关键信号分子[35]。有研究发现，miRNA-24在OA大鼠软骨细胞中表达下调，在OA大鼠软骨中注射miRNA-24 抑制剂可促进原癌基因、细胞外信号调节激酶和c-Jun氨端激酶表达，导致细胞过度凋亡，表明上调miRNA-24的表达可降低原癌基因蛋白基因表达，抑制MAPK通路和细胞凋亡，延缓OA的病理过程[36]。WU等[37]研究表明，miR-200b-3p在OA大鼠软骨细胞中表达下调，DNA甲基转移酶3α和MMPs表达显著上调，Ⅱ型胶原表达下调，通过激活MAPK/细胞外信号调节激酶途径导致细胞活力减弱和细胞凋亡率增加。XIANG等[38]研究发现，miR-142-5p 在OA患者软骨组织中表达下调，在用miR-142-5p模拟物处理的原代人OA软骨细胞中，趋化因子受体4的表达与miR-142-5p的表达呈负相关；过表达的miR-142-5p可靶向趋化因子受体4，使MAPK通路失活，从而抑制细胞凋亡、炎症反应和基质分解代谢。

3.5 miRNA与其他信号通路除了上述几种信号传导通路外，在OA的病理中还有许多表达异常的miRNA与其他信号传导通路密切相关，如Fas/FasL通路、p53通路、Notch通路等。有研究显示，在OA大鼠软骨细胞中miR-98表达上调，敲除miR-98基因可调节Fas/FasL通路使B细胞淋巴瘤-2表达增加，进而导致细胞凋亡率降低和ECM的降解减慢[39]。ZHANG等[40]研究发现，在OA大鼠软骨细胞和脂多糖诱导的软骨细胞中miR-363-3p过表达，抑制miR-363-3p表达可促进p53通路中核内呼吸因子1的表达，使体内IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子α表达降低，进而抑制软骨细胞损伤和凋亡。YU等[41]研究发现，miR-9在OA大鼠软骨细胞中表达下调，过表达miR-9使Notch和B细胞淋巴瘤-2-相关X蛋白表达下调，促进软骨细胞的分化和再生，缓解OA的发展。ZOU等[42]研究显示，miR-375在OA软骨细胞中过表达，抑制miR-375的表达可使Janus激酶2表达上调，增强细胞对抗氧化应激的能力、维持ECM代谢的动态均衡。

4 总结与展望

目前OA早期的治疗主要是通过改善关节内的炎症反应来缓解临床症状，但却无法阻断OA的病理发展。不同的miRNA及其靶标可通过不同的信号通路调控基因表达、软骨细胞凋亡和增殖、软骨基质的代谢和炎症反应等，影响OA的病理发展。但目前对miRNA与信号通路的研究还不完善，其在OA病理机制中的作用还有待继续深入研究。