Wnt5a基因在骨關(guān)節(jié)炎中作用機制的研究進展

褚云峰 于紅燕 楊琪 彭艷斌 陳仲 于斐,3*

1.北京大學(xué)深圳醫(yī)院，廣東 深圳 518036 2.濱州市濱城區(qū)市立醫(yī)院，山東 濱州 256600 3.骨科生物材料國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 深圳 518036

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是由衰老、肥胖、創(chuàng)傷等因素導(dǎo)致的慢性關(guān)節(jié)疾患，以關(guān)節(jié)軟骨的退變和關(guān)節(jié)周圍繼發(fā)骨質(zhì)增生為特點，多累及負重大、活動多的關(guān)節(jié)。該病50歲以上人群好發(fā)，60歲以上70 %人群、80歲以上90 %人群都有OA的影像學(xué)表現(xiàn)，本病晚期造成關(guān)節(jié)畸形，嚴重者致殘，給患者及社會帶來了沉重負擔(dān)。在OA發(fā)病機制不明確的情況下，骨科醫(yī)生只能通過早期的非甾體抗炎藥等保守治療及晚期的關(guān)節(jié)置換術(shù)緩解患者的癥狀，因此對OA的研究迫在眉睫。近年研究顯示，基因如無翅型MMTV整合位點家族成員5A(winglesstype MMTV integration site family member 5A,Wnt5a)[1]、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(SRBBPs)[2]、沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRT1)[3]等，均在OA的發(fā)病及治療中起重要作用，這也為OA相關(guān)研究提供了基因靶點[4-5]。

Wnt5a基因在干細胞分化、細胞增殖、胚胎發(fā)育、炎癥反應(yīng)等領(lǐng)域較重要[6-7]，其可在經(jīng)典及非經(jīng)典Wnt通路作用下調(diào)控機體衰老、肥胖、創(chuàng)傷等進程從而影響OA的進程。本文就Wnt5a基因在OA中的作用及可能機制作一綜述，為相關(guān)研究提供理論支撐。

1 Wnt5a基因介紹

Wnt通路是在1973年由Sharma等發(fā)現(xiàn)的無翅基因(wingless)與1982年Nusse等發(fā)現(xiàn)的int-1基因基礎(chǔ)上命名的重要通路，最初被認為參與果蠅體節(jié)極性形成，后證實其功能與胚胎發(fā)育過程中的蛻變及人類肢體形成相關(guān)，已發(fā)現(xiàn)的Wnt通路有兩個，根據(jù)其是否依賴β-連環(huán)蛋白(β-catenin)分為依賴β-catenin(Wnt/β-catenin)和非依賴β-catenin(Wnt/Ca2+和Wnt/Planar polarity等)通路，也就是經(jīng)典Wnt通路和非經(jīng)典Wnt通路。在Wnt因子中，Wnt1、2、3、3a、8、8b等主要作用于經(jīng)典Wnt通路，而Wnt4、5a、5b、6、7a、11等主要作用于非經(jīng)典Wnt通路。

Wnt5a基因?qū)儆诜墙?jīng)典Wnt通路，最初由Thomas Jefferson大學(xué)的Clark教授于1993年報道。小鼠Wnt5a編碼基因位于14號染色體，而人Wnt5a編碼基因位于3號染色體(3p12-p21)。Wnt5a蛋白可以與細胞跨膜受體結(jié)合，將信號傳遞至胞內(nèi)引起一系列級聯(lián)反應(yīng)，影響細胞形態(tài)、分化、運動、極性及凋亡等。越來越多的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，Wnt5a基因在OA的進程中起重要作用[8]，而且與其所在的經(jīng)典及非經(jīng)典Wnt通路密切相關(guān)。

2 Wnt5a基因?qū)A的影響

OA是一種多因素引起的慢性退行性疾病，Wnt5a基因與引起OA的各種因素關(guān)系密切，該基因除了能夠自身影響OA進展的同時，也可以通過調(diào)控衰老[9]、代謝所致肥胖[2]、創(chuàng)傷[10]等過程，參與OA的病程。

2.1 Wnt5a基因調(diào)控衰老對OA的影響

隨年齡增長，機體逐漸老化，各器官功能都出現(xiàn)退變。在OA相關(guān)研究中，我們課題組[9]發(fā)現(xiàn)，使用慢病毒敲減小鼠軟骨細胞系A(chǔ)TDC5中的衰老基因SIRT1后，Wnt5a基因下調(diào)，雖然Wnt5a mRNA和蛋白的表達量降低不具有統(tǒng)計學(xué)意義，但也出現(xiàn)了與Wnt5a基因一致的下調(diào)趨勢，此過程中ATDC5細胞的成軟骨細胞增殖和分化受抑制，凋亡加速，這也證實了Wnt5a基因可以影響衰老進而參與OA。Liu等[11]使用10 μmol/L的白藜蘆醇刺激老年患者OA軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)細胞凋亡率降低，衰老相關(guān)的Bcl-2、Bax表達降低，Wnt3a、5a、7a及β-catenin的表達受抑制，認為SIRT1可能通過Wnt通路調(diào)節(jié)白藜蘆醇處理后OA軟骨細胞凋亡及細胞外基質(zhì)降解。桂先革等[12]將重度老年OA患者的巨噬細胞、間充質(zhì)干細胞(MSCs)共培養(yǎng)，用腺相關(guān)病毒上調(diào)細胞中Wnt5a基因表達，從而刺激了老年OA MSCs的增殖及成軟骨細胞分化和軟骨基質(zhì)合成，證實Wnt5a基因過表達能夠通過巨噬細胞調(diào)控的炎癥反應(yīng)促進軟骨穩(wěn)態(tài)維持及MSCs成軟骨分化。馬欣楠[13]也通過對比原發(fā)性膝OA患者與正常人膝軟骨標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)無論輕、中、重度OA，標(biāo)本中Wnt3a、5a均呈高表達，認為這兩個靶點是OA靶向治療的重要因子。由此可知，Wnt5a基因可以通過調(diào)控衰老進程影響到OA的發(fā)生發(fā)展。

2.2 Wnt5a基因調(diào)控機體代謝對OA的影響

肥胖是機體攝入食物過多或代謝改變引起脂肪堆積的病理生理改變，代謝障礙及失衡與多種疾病關(guān)系密切。Deng等[14]實驗證實，MSCs中印度刺猬(IHH)信號這種骨骼發(fā)育關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)器的受體平滑化抑制劑Ptch1缺失可引起Wnt5a/6的表達，并導(dǎo)致β-catenin蛋白活化增強，促進MSCs增殖、成骨和成軟骨分化，但是抑制其成脂肪分化，表明Wnt/β-catenin通路在軟骨和骨腫瘤疾病中起作用，這也從側(cè)面證明Wnt5a基因、脂肪堆積及軟骨相關(guān)疾病有一定聯(lián)系。我們研究證實，小鼠軟骨組織SIRT1基因特異性敲除可引起膝關(guān)節(jié)軟骨中SREBP2和HMG-CoA還原酶(HMGCR)這兩種脂肪相關(guān)因子表達量升高，并加重膝OA進展[2]；魏奧則[15]通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，Wnt5a、SIRT1均與馬骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)成軟骨細胞分化關(guān)系密切。徐慧[16]分析了85例膝OA患者的樣本數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，血清總膽固醇(TC)、三酰甘油(TG)、低密度脂蛋白(LDL)和載脂蛋白B(ApoB)可能是膝OA發(fā)病的相關(guān)因素，且與膝OA的X線影像學(xué)進展有關(guān)，高密度脂蛋白(HDL)、載脂蛋白A1(ApoA1)和ApoB可能一定程度上反映了膝OA的炎性活動；而Wnt5a基因在膽固醇[17]、脂蛋白[18]、載脂蛋白[17]的代謝或調(diào)控中起重要作用。因此，Wnt5a基因可以通過調(diào)控代謝所致疾病如肥胖等影響OA的進展。

2.3 Wnt5a基因調(diào)控創(chuàng)傷對OA的影響

創(chuàng)傷導(dǎo)致死亡占世界人口死亡原因的第4位，也是45歲以下人群死亡的主要因素[19]。在OA創(chuàng)傷模型中，有很多Wnt5a基因相關(guān)研究。Diederichs等[20]認為，將MSCs重編程后成軟骨分化為非肥大性關(guān)節(jié)軟骨細胞樣表型在軟骨修復(fù)中起重要作用，小分子IWP-2抑制Wnt通路后，促進了MSCs分化為軟骨細胞的標(biāo)志物表達，減少了其分化為肥大關(guān)節(jié)軟骨細胞的標(biāo)志物表達，這一過程中Wnt5a和Wnt11起重要作用，增多了MSCs促進軟骨再生的理論支撐。Liu等[10]用源于富含血小板血漿的外泌體(PRP-Exos)治療OA，發(fā)現(xiàn)PRP-Exos能顯著降低OA軟骨細胞凋亡率，并使白介素1β(IL-1β)誘導(dǎo)的炎癥軟骨細胞模型中Wnt5a、β-catenin及RUNX2蛋白上調(diào)，為OA治療提供了一種新方法。此外，小分子RNA也可通過Wnt5a基因作用調(diào)控創(chuàng)傷引起的OA。Wang等[21]發(fā)現(xiàn)中藥補肝榮筋湯能夠下調(diào)去勢OP大鼠中Wnt5a和β-catenin表達，并上調(diào)軟骨組織中Sox9和II型膠原表達，認為其通過Wnt通路減輕了絕經(jīng)后膝OA的炎癥和氧化應(yīng)激。朱琳等[22]發(fā)現(xiàn)，硫酸氨基葡萄糖聯(lián)合依托考昔通過降低炎性因子水平，使JNK和Wnt5a表達下調(diào)以抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的分泌，進而減緩軟骨基質(zhì)降解，此外也通過SOD途徑抑制NO誘導(dǎo)的軟骨細胞凋亡，在膝OA中起作用。

3 Wnt5a基因與Wnt通路在OA中的相互作用

Wnt通路與多種系統(tǒng)疾病關(guān)系密切，如心血管[23]、血液[24]、內(nèi)分泌系統(tǒng)[25]等，其可通過調(diào)控通路相關(guān)因子的表達參與OA[26]、OP[27]、周圍神經(jīng)損傷[28]等骨科疾病中，該通路分為經(jīng)典和非經(jīng)典兩種途徑，后者又分為Wnt/Ca2+和Wnt/Planar polarity等途徑。

3.1 Wnt5a基因調(diào)控經(jīng)典Wnt/β-catenin通路在OA中的作用

Wnt/β-catenin通路在機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持及器官發(fā)育中起重要作用。在OA中，Burt等[29]發(fā)現(xiàn)，過度表達高分子量成纖維細胞生長因子(FGF)2亞型的小鼠(HMWTg小鼠)OA模型中，Wnt5a、Wnt7b、p-GSK3β、β-catenin蛋白上調(diào)，并且與過度表達低分子量FGF小鼠模型相比，OA程度嚴重，使用FGF23中和抗體治療時，能部分改善OA造成的軟骨異常，從而證實HMWTg小鼠中FGF23可以通過Wnt5a及Wnt/β-catenin通路調(diào)控OA進程。鄧斌等[30]應(yīng)用阿侖膦酸鈉處理大鼠炎癥軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)阿侖膦酸鈉通過Wnt通路升高Wnt3a和Wnt16的表達，降低了Wnt5a的表達，間接影響RANKL/RANK/OPG通路，進而通過MMP-13、β-catenin及II型膠原蛋白的表達保護軟骨和軟骨下骨。Xuan等[31]用轉(zhuǎn)基因小鼠研究了OA中關(guān)節(jié)軟骨淺表區(qū)(SFZ)的變化，發(fā)現(xiàn)SFZ特異性敲除β-catenin基因時，OA進程加速，并伴隨蛋白聚糖4(Prg4)降低及SFZ破壞，Wnt5a、5b、9a高表達，從而證實Wnt/β-catenin通路在SFZ中的作用可以影響關(guān)節(jié)軟骨的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

3.2 Wnt5a基因調(diào)控非經(jīng)典Wnt/β-catenin通路在OA中的作用

近年來，非經(jīng)典Wnt通路因其在多種疾病中起作用而備受關(guān)注。在OA相關(guān)研究中，Martineau等[32]發(fā)現(xiàn)，與正常成骨細胞相比，OA成骨細胞堿性磷酸酶活性及骨鈣素(OC)釋放增加，其Wnt5a表達增加，Wnt5a可刺激G-蛋白偶聯(lián)受體5(LGR5)表達及JNK和蛋白激酶C(PKC)的磷酸化，促進活化T細胞核因子(NFAT)和AP-1轉(zhuǎn)錄因子活性，Wnt5a受抑制可以糾正OA成骨細胞的異常礦化和OC及堿性磷酸酶活性，認為OA成骨細胞中Wnt5a及非經(jīng)典Wnt/PCP和Wnt/PKC-Ca2+通路起作用。Huang等[33]研究證實，Wnt10a對滑膜間充質(zhì)干細胞(SMSCs)有抗衰老作用，Wnt5b抑制SMSCs的成軟骨分化，Wnt5a和Wnt10a增加了該細胞中炎性因子的表達；而在大鼠OA模型中，Wnt5a顯著加重關(guān)節(jié)軟骨退變，Wnt10a可以輕度保護軟骨完整性；從而認為OA滑膜中經(jīng)典Wnt/β-catenin通路被抑制，非經(jīng)典Wnt/Ca2+通路被激活。Farrera-Hernndez等[34]研究發(fā)現(xiàn)非經(jīng)典WNT5A-Ca2+-CaN-NFAT通路在軟骨發(fā)育中起關(guān)鍵作用，其能夠容許軟骨生成，具有加強軟骨生成信號的作用。Yang等[35]發(fā)現(xiàn)實驗性單側(cè)前牙反牙合能夠增強小鼠顳下頜關(guān)節(jié)軟骨下BMSCs中Wnt5a/Ror2通路的作用并促進BMSCs表達Cxcl12和Rankl，JNK和Ca(2+)/NFAT通路也參與這一過程，從而為軟骨下小梁骨轉(zhuǎn)換增加影響OA進程提供了證據(jù)。

4 結(jié)語與展望

OA是一種多因素引起的慢性退行性病變，在老年人群中發(fā)病率較高，對其機制的研究有利于臨床治療OA。Wnt5a基因可通過經(jīng)典及非經(jīng)典Wnt通路參與到衰老、肥胖及創(chuàng)傷等OA的發(fā)病因素中，受到越來越多關(guān)注。但在以往的研究中，學(xué)者多重視Wnt5a基因影響OA的單一發(fā)病因素造成該病的進展，并且將焦點集中在Wnt5a基因改變后OA發(fā)病進程中機制學(xué)層面的研究而缺乏功能學(xué)層面的解釋，同時缺少Wnt5a基因治療OA的轉(zhuǎn)化相關(guān)研究。因此，將衰老、肥胖及創(chuàng)傷等多因素聯(lián)合起來探討Wnt5a基因改變后OA病程的功能學(xué)變化及機制變化，從成果轉(zhuǎn)化角度研發(fā)Wnt5a基因治療OA的相關(guān)藥物或材料，可能是一個更好的發(fā)展方向。由于Wnt5a基因影響OA的機制錯綜復(fù)雜，只有加強對其研究才能夠為臨床治療OA提供潛在靶點及靶通路。