沉默信息调节因子1对软骨损伤修复机制的研究进展

陈奕孝 李国庆 刘 苏 翁 鉴 朱元超 于 斐 曾 晖*

（1.遵义医科大学研究生院，贵州 遵义，563000；2.北京大学深圳医院骨关节科，广东 深圳，518036；3.骨科生物材料国家地方联合工程研究中心，广东 深圳，518036）

关节软骨（articular cartilage，AC）是覆盖在关节表面的一种高度分化的结缔组织，主要由软骨细胞和细胞外基质（extracellular matrix，ECM）构成，能够提供相对平滑的表面，降低关节之间的摩擦系数并减轻运动震荡。但由于AC 缺乏神经、血管和淋巴管等组织，当外界的机械应力或内环境变化使AC 损伤后，其自我修复能力有限。随着AC 损伤的进展，软骨细胞出现肥大、凋亡和坏死等一系列病理生理变化，可伴有ECM 降解、软骨剥脱，并逐步加重，损伤可累及软骨下骨，出现关节疼痛等症状，导致终末期骨关节炎（osteoarthritis，OA）[1]。

目前，临床对AC 损伤修复有多种治疗方法，如微骨折术、骨软骨移植术、骨软骨细胞移植术和骨软骨组织工程修复技术等。但因供体来源少、传染性疾病和免疫原性等问题，自体、异体骨软骨组织或细胞修复技术的实施受到了限制。因此，寻找治疗软骨损伤的新方法尤为重要。

沉默信息调节因子1（silencing information regulator 1，SIRT1）基因已被证实对软骨细胞特定基因表达起正向调节作用，如促进OA 中Ⅱ型胶原（collagen type Ⅱ，Col Ⅱ）和蛋白聚糖（aggrecan，AGC）等细胞外基质合成。相反SIRT1 基因活性受抑制，软骨基因表达受影响[2]。因此，本文就SIRT1基因调控软骨损伤进程机制的最新研究进展进行综述。

1 SIRT1 蛋白的结构和功能

Sirtuins（SIRT）是高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）+依赖性组蛋白脱乙酰酶家族或沉默信息调节因子2的家族成员。研究证实，哺乳动物中有7 种SIRT 蛋白，它们具有不同生物功能，表达位置也有差异。如SIRT1 和SIRT2存在于胞质和胞核中，SIRT3、SIRT4 和SIRT5 则在线粒体中表达，而SIRT6 和SIRT7 仅存在于胞核中，SIRT 蛋白可参与调节炎症反应、氧化应激、能量代谢、细胞凋亡、衰老和DNA损伤等[3-4]。其中SIRT1 是Sirtuins 家族的主要参与者，与衰老相关疾病如OA、骨质疏松等关系密切。

SIRT1 基因被激活后可使肿瘤蛋白p53、活化B 细胞核因子κ 链增强子（NF-κB）和FoxOs 等因子去乙酰化，并影响细胞的存活、新陈代谢、应激等功能[5]。目前，软骨相关疾病的研究也对SIRT1 基因调控着重关注。

2 SIRT1 基因在软骨损伤中对软骨细胞和软骨组织的影响

SIRT1 蛋白在软骨四层组织及滑膜组织中表达。在人和小鼠KOA 中均发现SIRT1 基因的表达下调。有研究表明，SIRT1 基因活性变化能影响软骨特异性基因表达，如SIRT1基因过表达可促进COL Ⅱ mRNA 表达，而用SIRT1 基因抑制剂或将SIRT1 基因敲低时，软骨基因表达下降[2，6]。体内实验发现，过表达SIRT1 基因的小鼠中，软骨组织SIRT1 基因的表达较肌肉组织高，SIRT1 基因过表达能抑制分解代谢因子MMP-13、ADAMTS-5 mRNA 表达，诱导ACAN、COL Ⅱ mRNA表达，最终因促进ECM 合成而缓解OA 进展[7]。在人膝OA标本中发现，软骨磨损越严重SIRT1 基因表达越低[8]。而SIRT1 基因在严重退化的软骨中几乎不表达，在损伤较少的软骨中却明显表达，表明SIRT1 基因表达与软骨退变存在相关性[9]。SOX9 与多种软骨基因表达有关，SIRT1 能够靶向SOX9 增强子，促使SOX9 乙酰化增强并增加下游基因COL Ⅱ的转录活性。SIRT1 敲低后，软骨ECM 发生降解，SIRT1 蛋白和软骨特异性转录因子SOX9 的基因表达下调[10]。SIRT1 作为抗衰老基因，用白藜芦醇刺激间充质干细胞（MSCs）后可通过其调控延迟衰老，增加软骨分化潜能；通过水凝胶将其植入兔软骨缺损模型后，软骨标记物SOX9、AGC 和COL Ⅱ表达增加，软骨肥大标志物X 型胶原减少，有效促进兔软骨缺损修复[11]。综上，SIRT1 基因在调控软骨合成代谢、促进软骨修复、抑制软骨肥大和退化方面有重要意义。

2.1 SIRT1 基因对软骨细胞炎症反应的调节

软骨周围的炎性环境影响软骨修复，滑膜细胞或巨噬细胞等产生炎性介质或促炎因子可加剧软骨损伤。SIRT1 蛋白对软骨细胞短期内暴露于炎症因子时具有保护作用，并促进软骨细胞存活及特异性基因表达[12]。促炎因子IL-1β 和TNF-α 能刺激炎症因子和软骨降解因子的表达。软骨细胞中抑制SIRT1 基因也会上调IL-1β 和TNF-α 而促分解代谢[13]。过表达SIRT1 基因时，炎症因子PGE2 与COX2 及分解代谢因子MMP1、MMP3、MMP13 基因的表达受抑制[14]。有研究证实，小鼠过表达SIRT1 基因后，OA 症状减轻，软骨破坏减少，COL Ⅱ表达增加，MMP3、MMP13、IL-1β、ADAMTS5 蛋白表达减少，而且该小鼠膝关节软骨细胞受IL-1β 刺激后，COL Ⅱ与AGC 基因表达也升高，而MMP3、MMP13、ADAMTS5基因表达受抑制[7]。炎症反应的激活涉及许多信号通路的级联反应，NF-κB 被认为是参与炎症反应的重要信号通路，在OA 中起重要作用。白藜芦醇激活SIRT1 基因后，可抑制NF-κB 核转位和p65 乙酰化，并下调NF-κB/COX2/MMPs通路活性，发挥抗感染作用的同时保护软骨[14]。小鼠腹腔注射SIRT1 基因激活剂SRT1720，可使软骨细胞中p65 乙酰化减少，软骨降解酶表达下降，减缓小鼠OA 进展[15]。因此，SIRT1 基因能在炎性软骨细胞中发挥抗炎作用，并通过调节NF-κB 等通路的活性来维持软骨稳态，减少软骨损伤。

2.2 SIRT1 基因对软骨细胞氧化应激损伤的调节

软骨细胞内保持着相对平衡的氧化应激状态。来自外界的异常机械应力和软骨退变等因素可影响软骨稳态，导致线粒体功能障碍后诱导活性氧（reactive oxygen speies，ROS）产生，对软骨细胞造成氧化损伤[16]。SIRT1 基因及其酶的活性对于软骨的稳态和发育至关重要，其在防止氧化应激和抗凋亡方面具有重要作用。SIRT1 基因活性增强可通过抑制氧化应激和内质网应激来抑制软骨细胞凋亡和软骨退化[17]。SIRT1 蛋白可通过调节内质网应激的PERK-eIF2a-CHOP 轴促进生长板软骨形成并抑制软骨细胞凋亡[18]。生物体内也存在抗氧化剂，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）等酶类，并在氧化应激下发挥抗氧化、降解ROS 及分解过氧化物产生保护作用[19]。而这些酶类在OA 软骨细胞中表达减少后，会加剧小鼠软骨退变[16]。胡桃苷能够下调脂多糖诱导的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）Oxidase 4 分泌，并促进SOD 表达，减少ROS产生，当敲除SIRT1 基因后，上述作用消失[20]。因此，SIRT1基因可通过清除自由基和氧化应激来抑制内质网应激，成为治疗OA 的有效靶点。综上，SIRT1 基因能够缓解氧化应激损伤，从而对软骨细胞起到保护作用。

3 SIRT1 基因通过不同信号通路对软骨损伤的影响

软骨组织损伤修复有多种因素参与，SIRT1 基因可通过调控软骨细胞功能影响其过程。软骨细胞增殖分化除受到转录调控因子影响外，也受到信号通路如Wnt、TGF-β、Notch和FGF 等的影响。

3.1 SIRT1 基因调控Nocth 信号通路对软骨损伤的影响

Notch 信号通路是一种涉及四种跨膜Notch 受体的细胞通路，对软骨生长发育具有调节作用。此外，Notch 信号通路调节软骨分化的核心是Notch 胞内结构域（Notch intracellular domain，NICD），其激活后上调Hes 和Hey 并抑制软骨分化[21]。SIRT1 基因能使Notch 信号的胞内结构域去乙酰化，并使其靶向蛋白酶体降解[22]。

Notch 信号通路能抑制SOX9、COL Ⅱ和AGC 表达，从而抑制软骨细胞增殖分化，这可能是由于Notch 通路中NICD/Rbpj 与SOX9 的上游启动子结合对SOX9 进行靶向抑制造成的[23]。而在SIRT1 基因缺陷的细胞中，Notch 信号通路激活并诱导微血管减少及纤维化增加[24]。成人关节软骨中Notch 信号通路持续激活可诱导早期严重OA 样病理改变，并抑制软骨形成，促进软骨降解和纤维化，但是生理条件下Notch 通路短暂表达却有利于ECM 合成[25]。相关研究表明，乙酰化状态下NICD 胞内结构域比较稳定，Notch 信号通路持续表达，而体内SIRT1 基因能够使Notch 信号通路因子去乙酰化并抑制其表达[26]。还有研究表明，细胞内的SIRT1 蛋白可对Notch 信号通路产生负调节，并认为NICD 的可逆性乙酰化是调节Notch 信号通路的关键分子机制[27]。总之，Notch 信号通路影响软骨稳态，对软骨分解代谢平衡具有调节作用。此外，SIRT1 基因对Notch 信号通路相关因子存在着去乙酰化作用，未来需进一步阐明机制，有助于从另一方面了解软骨损伤修复。

3.2 SIRT1 基因调控BMP 信号通路对软骨损伤的影响

骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）属于TGF-β 超家族成员，在生长发育中对骨软骨具有调节作用。目前BMP 的研究主要集中在BMP2/3/4/6/7/9 等蛋白，其中BMP2 和BMP4 蛋白诱导成骨细胞与软骨细胞向骨和软骨方向分化。

有研究发现，OA 患者中BMP2 和BMP4 蛋白表达降低，将含有BMP4 转导的ADSCs 通过CaAIg 水凝胶载入猪软骨缺损后，能促进透明软骨再生来修复软骨缺损[28]。BMP9 不仅能刺激软骨祖细胞的软骨形成，还能刺激AGC 和COL Ⅱ基因表达，认为其对软骨形成是一种诱导因子[29]。过表达SIRT1 基因后发现BMP2 诱导的干细胞能够显著增加软骨分化相关因子SOX9、COL Ⅱ和AGC 蛋白表达[30]。在膝OA 小鼠中使用独活寄生汤含药血清促进了SIRT1 和BMP7 蛋白和基因的表达，稳定膝OA 软骨细胞合成和分解代谢，对软骨细胞具有再生作用[31]。综上，BMP 信号通路对软骨形成具有不同的诱导作用，而SIRT1 基因与BMP 信号通路之间存在的联系可能具有协同作用，最终促进软骨形成。

3.3 SIRT1 基因调控Wnt/β-catenin 信号通路对软骨损伤的影响

Wnt 信号通路能够对软骨细胞、成骨细胞以及滑膜细胞分化产生影响，从而调节软骨稳态、炎症反应和OA 的发生发展。Wnt 信号通路可通过经典Wnt 通路（β-catenin 依赖途径）和非经典Wnt 通路发挥调节作用，其中Wnt/β-catenin是Wnt 信号的主要通路。研究证实，SIRT1 基因对软骨有保护作用，抑制组蛋白甲基转移酶DOT1L 会导致SIRT1 蛋白表达紊乱，使得Wnt 信号通路上调后诱导小鼠OA 发生[5]。用LiCl 处理或β-catenin 转染软骨细胞后发现Wnt/β-catenin信号通路激活的同时下调了SIRT1 基因表达，促进软骨细胞中衰老因子p53 表达和乙酰化[32]。Wnt/β-catenin 信号通路过度激活可能加重软骨破坏的程度和软骨下骨重塑过程。Wnt/β-catenin 信号能提高MMP13 的转录活性，促进软骨分解代谢，加快OA 进展，不过HIF-α 能阻止Wnt 信号通路对MMP13 的转录并抑制软骨降解[33]。而白藜芦醇处理OA 软骨细胞后可增加SIRT1 的表达，同时减少软骨细胞凋亡，抑制MMP1、MMP3、MMP13、Wnt3a、Wnt5a、Wnt7a 和β-catenin的表达，因此认为SIRT1 可能通过Wnt/β-catenin 信号通路调节OA 软骨细胞相关的凋亡和细胞外基质降解[34]。因此，SIRT1基因可通过激活经典的Wnt 信号通路抑制软骨分化和降解。

4 小结与展望

AC 在关节中起承载负荷、缓冲震荡的作用，但急性创伤或长期劳损致使软骨受到不同刺激，加重软骨负担，出现软骨缺损、软骨破坏，使软骨使用寿命减少，而软骨修复能力有限，再生修复困难。软骨损伤是由于各种因素打破软骨合成和分解代谢平衡造成的，软骨细胞增殖代谢受到SOX9、AGC、COL Ⅱ等因子和Notch、BMP 等信号通路的影响，并且SIRT1基因与这些因子及通路关系密切。目前临床治疗软骨损伤的方法较多，但效果不佳，因此，需加强研究SIRT1 基因通过相关因子或信号通路影响促进软骨损伤修复的机制，希望通过本综述为未来研究软骨损伤修复提供新的思路和靶点。