李盛村，王國祥

絲裂原活化蛋白激酶信號通路在骨關節(jié)炎發(fā)生中作用機制的研究進展①

李盛村，王國祥

骨關節(jié)炎是發(fā)生在老年人群和運動員中的常見疾病。絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)是應力敏感分子，在骨關節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展過程中具有重要作用，與軟骨細胞凋亡和軟骨細胞外基質降解存在密切聯(lián)系。本文綜述近年來骨關節(jié)炎和MAPKs家族蛋白相關的研究。

絲裂原活化蛋白激酶；骨關節(jié)炎；應力；綜述

[本文著錄格式]李盛村，王國祥.絲裂原活化蛋白激酶信號通路在骨關節(jié)炎發(fā)生中作用機制的研究進展[J].中國康復理論與實踐,2015,21(3):292-295.

CITED AS:Li SC,Wang GX.Role of mitogen-activated protein kinases signaling pathway in development of osteoarthritis(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(3):292-295.

骨關節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是以慢性進行性軟骨退變、骨質增生和軟骨下骨硬化等為特點的關節(jié)疾病，老齡和過度應力是骨關節(jié)炎的主要致病因素，常見于過度訓練運動員和老年人群中。X線檢查發(fā)現(xiàn)，約37%的美國人口有骨關節(jié)炎樣表現(xiàn)[1]，嚴重影響這些人群的生活質量。然而骨關節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展的分子生物學機制仍不清楚，有待繼續(xù)深入研究。日?；顒雍瓦\動訓練產生的機械應力刺激對骨關節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展有重要影響，而絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)家族蛋白又是重要的應力響應信號分子，MAPKs與骨關節(jié)炎的相關研究正成為運動醫(yī)學和臨床醫(yī)學共同關注的熱點內容。

1 MAPKs信號通路及其生物學作用

MAPKs是重要的細胞信號轉導系統(tǒng)，主要包括3種蛋白：細胞外信號調節(jié)蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinases, ERKs)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)[2]。MAPKs家族蛋白有一定程度相似的結構和功能基礎，也有特異性細胞生物學效益，從細胞表面到細胞核，參與多種細胞生理活動，包括調控細胞分化、增殖和細胞凋亡[3]。MAPKs信號轉導通路在細胞內具有高度的生物進化保守性，通過經典的三級酶促級聯(lián)磷酸化過程(MAPKKK-MAPKK-MAPK)實現(xiàn)磷酸化，產生生物效益[4]。

p38MAPK在軟骨細胞中的作用是目前研究的焦點。當軟骨細胞受到力學刺激后，p38MAPK磷酸化，引起下游靶基因特異性表達增加，產生不同的細胞生物學反應[5]。兔膝關節(jié)軟骨細胞加載周期性張應力，與低應力產生效果相反，高應力促進p38MAPK磷酸化產物增多，同時下游產物基質金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase,MMP-13)的活化和表達隨之增多，而MMP-13過度表達又可以通過正反饋促進MAPK的級聯(lián)磷酸化過程，進一步激活p38MAPK，最終導致基質降解與軟骨細胞凋亡[6]。

ERKs能夠被分裂素和生長因子激活，而JNK和p38MAPK被免疫因子腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白細胞介素(interleukin,IL)-1激活。此外，細胞間壓力(熱應力或者滲透壓)改變、氧化代謝產物和紫外線照射均能激活和誘導JNK和p38MAPK活性[7-9]。由此可知，在細胞中，諸如炎癥因子和理化因素增多，及過度應力等不利于細胞生存的環(huán)境會促進MAPKs家族不同蛋白成員含量和活性的改變，引發(fā)不同的生物學效益；反之，抑制MAPSs家族相關上下游通路可能

會為關節(jié)修復帶來新的希望[10]。

2 應力調節(jié)MAPK通路與骨關節(jié)炎發(fā)生

2.1 MAPKs介導應力信號轉導通路

關節(jié)承載身體重量，輔助完成各種肢體動作，緩沖多種形式的應力，而應力是引發(fā)和促進關節(jié)炎的重要因素。應力對關節(jié)中各種組織(軟骨、滑膜和軟骨下骨)的影響除了物理作用外，還包括引起組織中特異性基因表達的改變[11]。應力引起的分子和細胞水平的改變，是通過力學信號轉導通路實現(xiàn)的。隨著分子生物學和細胞生物學技術的發(fā)展，多條力學信號響應通路被證實和發(fā)現(xiàn)[12]。

應力引起軟骨細胞骨架的重排以及細胞外基質的理化環(huán)境調整，激發(fā)力學作用局部組織p38MAPK或JNK活性增加；這些信號分子可以與細胞膜上整合素β結合，實現(xiàn)應力信號由細胞外傳遞至細胞內，最終引起靶向轉錄因子表達[13]。機械牽張力對人類靜脈作用后可以激活p38MAPK，并且與細胞凋亡有關[14]。在軟骨細胞中，過度應力刺激導致軟骨病理性改變[15]，產生大量誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)，形成一個由p38MAPK、核轉錄因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)、環(huán)氧酶-2和前列腺素E2等多種因子參與的組織分解代謝惡性循環(huán)過程，最終破壞纖維軟骨和透明軟骨組織[16-17]。

研究人員采用力學方式制造骨關節(jié)炎模型，發(fā)現(xiàn)機械損傷后，軟骨及周圍組織MAPKs活性增加，而p38或者ERK途徑抑制劑能夠顯著減少損傷相關的軟骨細胞死亡和蛋白聚多糖丟失[18]。對原代培養(yǎng)的關節(jié)軟骨細胞施加高強度張力，能夠引起TNF-α和p38MAPK升高[19]。熱應力和機械應力能夠導致人膝關節(jié)處軟骨細胞凋亡，伴p38磷酸化增加；而使用p38MAPK特異性抑制劑SB203580或p38 siRNA基因沉默后，p38MAPK磷酸化和軟骨細胞凋亡均下降[3]。這些研究提示，機械應力引起p38MAPK和細胞凋亡同時升高，與骨關節(jié)炎中軟骨細胞表現(xiàn)一致；而通過對應方法抑制p38MAPK，可以減少軟骨細胞凋亡，靶向抑制p38MAPK具有一定的應用價值。

2.2 骨關節(jié)炎與MAPK相關研究

骨關節(jié)炎關節(jié)軟骨細胞和軟骨下骨中MAPKs表達已經存在一些相關研究。有研究指出，來自骨關節(jié)炎患者和健康人的軟骨細胞中均表達p38MAPK，但是骨關節(jié)炎中軟骨細胞表現(xiàn)出更高的p38磷酸化水平。由此表明p38MAPK具有一定的生理功能，但炎癥環(huán)境或者過度機械刺激引起更多的p38MAPK活化，可能參與骨關節(jié)炎發(fā)展過程。

Rosenzweig等采用自制機械載荷裝置，使用離體骨軟骨移植組織塊制造壓縮損傷模型，損傷后即刻觀察到大量細胞死亡，這種現(xiàn)象集中于細胞表面，而50%細胞死亡見于中部區(qū)域，25%細胞死亡見于深部區(qū)域；與此一致，p38和ERK表達在對應部位增加；抑制p38或者ERK可能通過減少caspase-3，增加細胞生存能力[20]。有研究者對軟骨進行持續(xù)循環(huán)張力干預，發(fā)現(xiàn)轉化生長因子β1(Transforming growth factor beta 1, TGF-β1)及其下游p38MAPK參與軟骨鈣化過程的調節(jié)[21]?？梢奙APKs對機械損傷應答是復雜的，根據時間和深度不同，發(fā)生在軟骨細胞內的信號應答模式并不一致。

有相反的研究指出，抑制p38通路導致大鼠動物模型產生骨關節(jié)炎樣改變，p38MAPK信號通路對維持關節(jié)健康有重要作用，而抑制p38MAPK通路能夠導致嚴重的軟骨退行性改變[22-23]。

大部分現(xiàn)有研究均支持p38MAPK和ERK涉及軟骨凋亡和基質降解，通過抑制異常升高的p38MAPK有利于骨關節(jié)炎的轉歸。然而目前有關MAPKs其他成員對骨關節(jié)炎的貢獻方面，到底是激活骨關節(jié)炎中MAPKs還是抑制MAPKs更有利于骨關節(jié)炎的病程，還存在爭議，有進一步研究的必要。

3 MAPKs介導的軟骨退變

3.1 MAPKs與軟骨細胞凋亡

骨關節(jié)炎發(fā)生過程中，軟骨細胞凋亡是軟骨退行性變的生物學基礎，而MAPKs與軟骨細胞凋亡密切相關。在相關的細胞研究中發(fā)現(xiàn)，化療或者氧化應激能激活p38MAPK，導致癌細胞凋亡[24]。而在軟骨細胞中，p38MAPK和細胞凋亡也有這種聯(lián)系。

一氧化氮(nitric oxide,NO)誘導兔子關節(jié)軟骨細胞凋亡增加，軟骨中p38MAPK、NF-κB、caspase-3等蛋白表達增加，而這種細胞凋亡可以被p38MAPK特異性抑制劑削弱[25]。IL-1β可以誘導軟骨組織中一氧化氮和前列腺素E2增加，而使用抗氧化劑SeMet預處理軟骨細胞后，發(fā)現(xiàn)一氧化氮濃度減少，p38MAPK活性降低[26]?？寡趸瘎p少一氧化氮濃度和p38MAPK活性的效應，可能是通過終止了ONOO-產生而實現(xiàn)，繼而阻止了iNOS/一氧化氮信號通路傳播形成的惡性循環(huán)，減少軟骨細胞凋亡。

有研究通過磷酸鹽(Pi)刺激生長板內的軟骨細胞，能夠減少活性細胞數(shù)量，末端標記法陽性細胞減少，DNA降解水平增加，表明細胞凋亡增加；通過一氧化氮合成酶抑制劑L-NAME阻礙一氧化氮的產生，減少了Pi誘導的軟骨細胞凋亡[27]。采用硝普鈉產生一氧化氮刺激人類關節(jié)軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)JNK的產生依賴于硝普鈉的濃度，并且與軟骨細胞凋亡聯(lián)系[28]。

一氧化氮和超氧化物結合導致過氧硝酸鹽ONOO-形成，繼而刺激p38MAPK和ERK1/2磷酸化；此后p38MAPK進一步激活促炎轉錄因子NF-κB，誘導合成iNOS和環(huán)氧化酶-2蛋白，導致一氧化氮和前列腺素E2形成，產生一個對軟骨細胞破壞的惡性循環(huán)過程[29]。抑制p38MAPK或者ERK1/2阻斷這一過程，可以起到保護關節(jié)和減緩骨關節(jié)炎病程的作用[30]。

在機械力學損傷的牛關節(jié)軟骨細胞中使用ERK抑制劑U0126后，出現(xiàn)強效的促生存效應；而添加p38MAPK抑制劑SB202190后，ERK的作用并不受p38MAPK的阻斷而改變[18]。表明ERK和p38MAPK在胞外是相對獨立的兩條途徑，在促進凋亡方面具有協(xié)同增強效益。這兩條信號通路可能在核內交叉于某處，共同作用于轉錄因子，調控軟骨細胞凋亡。增加Ⅲ型磷酸二酯酶選擇性抑制劑cilostazol的劑量，能夠阻止實驗性大

鼠骨關節(jié)炎模型中軟骨細胞p53和p38MAPK的上調，抑制caspases-3、caspases-7、caspases-8的活性，對抗一氧化氮導致的軟骨細胞生存能力下降[31]。ERK和p38MAPK在轉錄水平上可能都是促進了caspase-3等凋亡蛋白，發(fā)揮一氧化氮誘導的凋亡效益。

3.2 MAPKs調控MMPs

關節(jié)軟骨為透明軟骨，由軟骨細胞和細胞外基質(extracellular matrix,ECM)組成。骨關節(jié)炎發(fā)生后軟骨發(fā)生退行性改變的原因，除了軟骨細胞凋亡和死亡外，還與軟骨細胞外基質的降解有關。軟骨細胞外基質結構遭到破壞，影響細胞生存環(huán)境中蛋白聚糖和膠原的改變，導致基質對細胞的營養(yǎng)供應和結構支持發(fā)生異常，是骨關節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的重要因素。

目前研究認為，軟骨細胞外基質降解增加主要與MMPs的分泌有密切聯(lián)系。MMPs家族有多個成員，其中與軟骨基質降解關系研究最多的是MMP-3與MMP-13[32]。Zeng等研究發(fā)現(xiàn)，MMP-13在IL-1β誘導的SW1353軟骨瘤中表達增加，在前交叉韌帶切斷制造的骨關節(jié)炎模型也增加表達；加入MAPK抑制劑可以抑制MMP-13的產生[33]。類似方法制作的大鼠軟骨機械損傷模型中，損傷后股骨遠端關節(jié)軟骨中MMP-3表達增高，軟骨外基質中膠原類型比例改變[34]。

在人類軟骨細胞中，抑制ERK可以特異性減少IL-1β誘導的MMP-13產生，但選擇性抑制p38和JNK并不引起IL-1β誘導的MMP-13減少。關節(jié)保護素ITZ-1也選擇性抑制IL-1β誘導的ERK活性，但不影響p38和JNK活性，起到保護關節(jié)軟骨的作用[35-36]。機械壓縮軟骨20 min和1 h后，軟骨及其周圍組織中p38MAPK活性增加，軟骨中MMP-13和TNF-α表達增加；抑制p38MAPK或ERK能夠顯著減少損傷相關的軟骨細胞凋亡和蛋白聚糖丟失[18]。

骨關節(jié)炎中，MMPs的增加導致軟骨細胞外基質降解的作用比較明確。但MAPK家族各成員在促進軟骨中MMPs表達的作用可能會因誘導方法和取材不同而產生差異。在IL-1β誘導的軟骨破壞中，ERK促進MMP-13表達比p38MAPK和JNK效益顯著；但在機械誘導的軟骨損傷中，p38MAPK、ERK與上調MMPs更為密切。

綜上所述，MAPKs是應力響應信號通路，在骨關節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展過程中具有重要作用。MAPKs在軟骨細胞凋亡和軟骨細胞外基質降解方面存在密切聯(lián)系。然而區(qū)分不同MAPKs家族成員的不同生物學效益，對于準確和全面理解骨關節(jié)炎發(fā)生的分子機制大有裨益。繼續(xù)深入和細化p38MAPK和ERK與骨關節(jié)炎的關系，可能為骨關節(jié)炎的靶向預防和治療提供新的途徑。

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Role of Mitogen-activated Protein Kinases Signaling Pathway in Development of Osteoarthritis(review)

LI Sheng-cun,WANG Guo-xiang
School of Physical Education of Soochow University,Suzhou,Jiangsu 215021,China

Osteoarthritis(OA)is a common disease among elders and athletes.Mitogen-activated protein kinases(MAPKs)are molecules of stress sensitivity which play a significant role in the occurrence and development of OA.MAPKs are closely related with chondrocyte apoptosis and cartilage degradation.This paper reviewed the related studies between OAand MAPKs.

mitogen-activated protein kinases;osteoarthritis;stress;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.03.012

R684.3

A

1006-9771(2015)03-0292-04

2014-11-18

2015-02-16)

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(No.KYLX_1197)。

蘇州大學體育學院，江蘇蘇州市215021。作者簡介：李盛村(1985-)，男，漢族，浙江溫州市人，博士研究生，主要研究方向：運動醫(yī)學。通訊作者：王國祥，教授，博士生導師。E-mail:kwang63@163.com。