轴蛋白在骨关节炎中的作用机制及研究进展

卢向阳+唐芳+马武开+姚血明+陈琳英+周静

【摘 要】 轴蛋白是一个构架蛋白，其传导信号的方式主要是与Wnt信号转导途径中的许多相关成员结合形成复合体。近年来发现轴蛋白为抑制因子，能通过下调β-连环蛋白（β-catenin）水平来调节关节软骨的成熟、增殖分化以及凋亡。β-catenin作为Wnt信号通路中的重要成员，而轴蛋白作为Wnt信号通路的负调节因子，将为骨关节炎的诊断和治疗提供新的思路和有效的方法。

【关键词】 骨关节炎；轴蛋白；Wnt/β-catenin；软骨细胞；综述

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种常见的关节疾病，主要损害关节软骨，继而累及整个关节组织，并最终发生关节软骨退变、纤维化以及整个关节面的损害[1]。目前其发病机制仍不是很清楚，不能从根本上为患者解除痛苦。近年来，大量实验研究证实，维持Wnt信号通路中β-连环蛋白（β-catenin）的稳定与OA的发生和调控有着密切的关系，并与关节软骨细胞分化、成熟及凋亡有很大相关性[2]。轴蛋白（Axin）作为调节蛋白在Wnt信号转导途径中起负调节作用，进而Axin可以在Wnt信号通路中通过不同的作用位点调节β-catenin的磷酸化和稳定性来维持软骨细胞的稳定。本文将对Axin通过Wnt/β-catenin的调节来维持软骨细胞平衡进行综述。

1 Axin的生物学特性

Axin基因是1997年从一种称为Fused的小鼠突变株中克隆得到的[3]。Axin在体轴形成过程中起着负调节作用，有研究把Axin注射于蟾蜍的胚胎中，在胚胎发育中出现了体轴缺失现象[4]，进而证明了这一观点。很多实验研究都证实了Axin在不同物种中普遍存在，且廣泛表达于五脏、脑、甲状腺、睾丸和骨骼肌等不同组织，进而调节控制着许多生命过程。Axin可位于胞膜、胞质及胞核中，Axin具有多个固定保守的结构域，其中最重要的几个功能结构域的磷酸化位点高度保守，能与Wnt信号通路中许多成员相互结合来调节β-catenin[5]，如肿瘤抑制因子肠腺息肉瘤蛋白（APC）结合区域、酪蛋白激酶（CKI）结合区域、糖原合成激酶（GSK-3β）结合区域、β-catenin结合区域等。

2 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt是一个富含半胱氨酸的分泌型配体家族，科学家是在对果蝇极性发育和爪蟾的胚胎体轴形成研究中发现这一信号通路的。目前研究发现，Wnt蛋白至少参与3条信号途径，分为经典通路和非经典通路，其中Wnt/β-catenin信号被称为经典信号通路，直接影响细胞的增殖分化，是Wnt信号通路中影响细胞信号传导的一个必不可少的途径[6-7]。

Wnt/β-catenin信号通路调节着关节软骨细胞的成熟、增殖分化以及凋亡来维持关节软骨的正常生长，对关节软骨细胞的稳定具有重要作用，如果这种平衡被打破，将会导致OA的发生[8]。目前的研究认为，Wnt/β-catenin信号通路的失衡可能是导致骨关节软骨破坏的重要原因，Wnt/β-catenin信号通路也是影响软骨细胞生长重要的信号通路[9]。Delgado等[10]在研究对比OA和骨折患者中发现，OA患者软骨细胞培养液中细胞核内的β-catenin要比骨折患者多。Zhu等[9]研究Wnt信号通路直接激活成年小鼠软骨细胞的β-catenin基因，发现软骨细胞提前进行了分化，而且出现了OA样改变；另外Zhu等[11]抑制转基因鼠β-catenin信号通路后发现仍出现OA样改变；Yuasa等[8]特异性地抑制Wnt/β-catenin信号通路后发现，基质金属蛋白酶（MMP）-3和MMP-13的基因表达增高，并且加强了白细胞介素-1β（IL-1β）的效应，加速关节软骨细胞凋亡而增加关节软骨继续破坏。这些实验研究证明，激活Wnt/β-catenin信号通路能加快软骨细胞分化速度，导致软骨肥大和破坏，进展为OA；抑制Wnt/β-catenin信号通路能导致软骨细胞凋亡和降低细胞分化速度，导致骨质减少和关节软骨破坏，进一步会发展为OA。因此，细胞中β-catenin的水平对软骨细胞生长具有重要作用，而细胞中β-catenin的水平取决于Axin的调控，由此可猜想Axin通过Wnt/β-catenin信号通路间接对软骨细胞生长的调控、对OA发生发展的重要作用，所以想要明白Axin在OA中的作用机制首先得研究Axin对β-catenin的作用机制。

3 Axin对β-catenin的作用机制

大量实验研究证实，Wnt/β-catenin与OA的发生发展有重要的联系[12]。Axin作为构架蛋白，通过Wnt信号通路中多个结构域调控细胞的增殖、分化与凋亡，影响细胞软骨的改变。所以Axin对OA的作用主要取决于对β-catenin的作用机制。有研究证明，正常细胞中的β-catenin总保持较低的水平[13]，因为在Axin作为构架蛋白与CKIa、GSK-3β、β-catenin形成的复合体上，CKIa可以磷酸化β-catenin的氨基酸，磷酸化的β-catenin能够被某种特异性物质识别，然后被蛋白酶复合体水解[14-15]，通过这种途径维持着细胞的正常生长。当Wnt信号通路发生异常改变，Axin表达减少或基因突变，不能有效地将Wnt信号通路中许多成员组合起来，因而细胞中的β-catenin磷酸化水平降低，未被磷酸化的β-catenin向细胞核内转移聚集引起细胞靶基因转录，进而影响细胞的异常增生，甚至癌变，而且有实验证明Axin的高表达可引起体内细胞凋亡。这些都与OA的形成密切相关，因此，Axin的稳定对β-catenin磷酸化水平至关重要。

Axin在Wnt信号通路中对β-catenin的负调节作用主要有3种机制。①Axin通过与Wnt信号通路上的CKIa、GSK-3β、β-catenin和肿瘤抑制因子APC结合形成复合体，促进β-catenin的磷酸化及降解。有研究证明，缺失GSK-3β结合区域的复合体丧失下调β-catenin的功能，说明β-catenin磷酸化复合体必须是Axin与以上结构域同时结合才能下调β-catenin水平。②GSK-3β和CDK2两种激酶在形成复合体的同时也能磷酸化Axin，实验证明，Axin的磷酸化不影响它与GSK-3β和β-catenin的结合能力，反而磷酸化的Axin更能增加它与β-catenin结合的亲合性。Axin被磷酸化后稳定性增强，其稳定性增强有利于复合体的形成促进β-catenin的磷酸化和降解[16]。③有研究表明，Axin除了以上2种机制调节β-catenin的水平以外，还可以通过核质穿梭下调β-catenin水平。Axin具有核输出信号序列和C末端双向的核定位序列，因而核质穿梭的Axin作为一种分子伴侣，协同β-catenin在细胞质中的分布，使β-catenin定位于细胞质中，促进β-catenin在细胞质中的降解[17-18]。

由上可知，Axin對β-catenin磷酸化水平的负调节需要与重要结构域相结合，其中APC必不可少，APC也是β-catenin降解复合物中的重要组成部分，自身运载3个Axin结合基序并具有多个β-catenin结合位点，可以促进Axin与β-catenin等形成能磷酸化β-catenin的复合物[19]。实验表明，正常细胞中过量表达Axin会明显促进β-catenin的磷酸化水平，而缺失APC结合区域的复合体磷酸化β-catenin的水平明显降低。说明Axin与APC结合才能更有效地磷酸化β-catenin，APC在β-catenin磷酸化的过程中起着关键的作用[20]。

Axin具有使β-catenin磷酸化的多功能区域。其中有G蛋白信号肽调控因子（RGS）结构域和DIX结构域，且序列已查明，Axin羧基末端DIX结构域和散乱蛋白（Dvl）的DIX结构域可相互结合影响对β-catenin的降解[21]。Dvl是机体组织细胞中广泛存在的胞浆蛋白，Dvl激活Wnt信号通路，便会将Axin募集至细胞膜，干扰了Axin降解复合物的形成，从而影响对β-catenin的降解[22]。因而也可以通过调控DIX控制Axin对β-catenin的降解。

Axin与Wnt之间的作用关系是相互的，Axin通过作用于Wnt信号通路下调β-catenin水平的同时，Wnt通路也会通过另外一种机制影响着Axin对β-catenin的降解作用。有研究发现，激活Wnt信号通路中的某种因子能通过某种功能导致Axin的降解，使细胞内Axin水平降低，β-catenin的磷酸化水平降低，使细胞内β-catenin的积累影响细胞的增殖分化。Li等[23]亦发现，过表达β-catenin能抑制细胞凋亡。由此可以发现，Axin与Wnt/β-catenin信号通路的关系非常紧密，它可以通过不同机制调节β-catenin的磷酸化水平，这为OA的研究开创了一个新的研究平面。

4 Axin在OA防治中的意义

综上所述，Axin作为构架蛋白通过Wnt信号通路调控β-catenin，使其保持在一定的水平，而β-catenin的正常水平是关节软骨细胞正常增殖、分化及凋亡的前提，所以调控Axin的水平可以控制软骨细胞的生长水平，这为OA的防治提供了很好的思路。对于关节经常受累、骨质疏松等OA易患人群可以适当降低细胞中Axin水平，使β-catenin水平稍升高，有助于软骨细胞的增殖分化，可以降低OA的发生率；对于软骨肥大、有骨赘生成的OA患者，可以适当升高细胞中Axin水平，使β-catenin水平稍降低，有助于相对减缓软骨细胞的增殖分化，可以缓解OA症状或及时控制OA病情。如何控制Axin使之处于合适的水平还需要大量的研究，因为目前对Axin的认识还不明朗，Axin、β-catenin以及Axin对β-catenin的作用机制的认识还不是很清楚，所以如何维持一个细胞内合适的Axin水平还有待进一步深入研究，相信未来Axin在OA的防治上会取得更大的突破。

5 参考文献

[1] 中华中医药学会.骨性关节炎[J].风湿病与关节炎，2013，2（2）：71-72.

[2] MacDonald BT，Tamai K，He X，et al.Wnt/β-catenin signaling：components，mechanisms，and diseases[J].Dev Cell，2009，17（1）：9-26.

[3] Lu Z，Liu W，Huang H，et al.Protein encoded by the Axin（Fu） allele effectively down-regulates Wnt signaling but exerts a dominant negative effect on c-Jun N-terminal kinase signaling[J].J Biol Chem，2008，283（19）：13132-13139.

[4] Zeng L，Fagotto F，Zhang T，et al.The mouse Fused locus encodes Axin，an inhibitor of the Wnt signaling pathway that regulates embryonic axis formation[J].Cell，1997，90（1）：181-192.

[5] 胡成龙，孙洁文，侯烨，等.Wnt信号通路在造血干细胞自我更新和扩增中的作用[J].中国细胞生物学学报，2014，36（11）：1532-1542.

[6] Velasco J，Zarrabeitia MT，Prieto JR，et al.Wnt pathway genes in osteoporosis and osteoarthritis：differential expression and genetic association study[J].Osteopotos Int，2010，21（1）：109-118.

[7] Martel P，Boileau C，Pelletier JP，et al.Cartilage in normal and osteoarthritis conditions[J].Best Pract Res Clin Rheumatol，2008，22（2）：351-384.

[8] Yuasa T，Otani T，Koike T，et al.Wnt/β-catenin signaling stimulates matrix catabolic genes and activity in articular chondrocytes：its possible role in joint degeneration[J].Lab Invest，2008，88（3）：264-274.

[9] Zhu M，Tang D，Wu Q，et al.Activation of β-catenin signaling in articular chondrocytes leads to osteoarthritis like phenotype in adult beta-catenin conditional activation mice[J].J Bone Miner Res，2009，24（1）：12-21.

[10] Delgado-Calle J，Arozamena J，Casafont I，et al.Wnt activity，osteocytes and sclerostin expression in hip fractures and osteoarthritis[J].Bone，2011，48（Suppl 2）：S138-S139.

[11] Zhu M，Chen M，Zuscik M，et al.Inhibition of β-catenin signaling in articular chondrocytes results in articular cartilage destruction[J].Arthritis Rheum，2008，58（18）：2053-2064.

[12] Anu O，Anitta M.Calreticulin mediated glucocorticoid receptor export is involved in β-catenin translocation and Wnt signaling inhibition in human osteoblasticcells[J].Bone，2009，44（4）：555-565.

[13] Silvério KG，Davidson KC，James RG，et al.Wnt/β-catenin pathway regulates bone morphogenetic protein（BMP2）-mediated differentiation of dental follicle cells[J].J Periodontal Res，2012，47（3）：309-319.

[14] Barry ER，Morikawa T，Butler BL，et al.Restriction of intestinal stem cell expansion and the regenerative response by YAP[J].Nature，2013，493（7430）：106-110.

[15] Munj RN，Choe Y，Li G，et al.Wnt signaling regulates neuronal differentiation of cortical intermediate progenitors[J].J Neurosci，2011，31（5）：1676-1687.

[16] Ha NC，Tonozuka T，Stamos JL，et al.Mechanism of phosphorylation-dependent binding of APC to β-catenin and its role in β-catenin degradation[J].Mol Cell，2004，15（4）：511-521.

[17] Cong F，Varmus H.Nuclear-cytoplasmic shuttling of Axin regulates subcellular localization of beta-catenin[J].Proc Natl Acad Sci USA，2004，101（9）：2882-2887.

[18] Wiechens N，Heinle K，Englmeier L，et al.Nucleo-cytoplasmic shuttling of Axin，a negative regulator of the Wnt-beta-catenin Pathway[J].J Biol Chem，2004，279（7）：5263-5267.

[19] Mc Cartney BM，N?thke IS.Cell regulation by the APC protein Apc as master regulator of epithelia[J].Curr Opin Cell Bio，2008，20（2）：186-193.

[20] Berthon A，Martinez A，Bertherat J，et al.Wnt/β-catenin signalling in adrenal physiology and tumour development[J].Mol Cell Endocrinol，2012，351（1）：87-95.

[21] Schwarz-Romond T，Fiedler M，Shibata N，et al.The DIX domain of Dshevelled confers Wnt signaling by dynamicpolymerization[J].Nat Sruct Mol Biol，2007，14（6）：484-492.

[22] Fiedler M，Mendoza-Topaz C，Rutherford TJ，et al.Dishevelled interacts with the DXI domain polymerization interface of Axin to interfere with its function in down-regulating β-catenin[J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（5）：1937-1942.

[23] Li HL，Wang HH，Liu SJ，et al.Phosphorylation of tau antagonizes apoptosis by stabilizing beta-catenin，a mechanism involved in Alzheimer's neurodegeneration[J].Proc Natl Acad Sci USA，2007，104（9）：3591-3596.

收稿日期：2016-06-17；修回日期：2016-10-19