軟骨寡聚基質蛋白與疾病關系的研究進展

金煉馳，賴永潔

軟骨寡聚基質蛋白（cartilage oligomeric matrix protein，COMP）屬于血栓反應蛋白（Thrombospondins，TSPs）家族，又稱血栓反應蛋白5（TSP?5），是構成細胞外基質（extracelluar matrix，ECM）的一種重要蛋白。M?rgelin等［1］于1992年首次將其從Swarm大鼠軟骨肉瘤中分離并鑒定，其主要存在于軟骨、骨、皮膚、關節滑膜、肌腱和韌帶組織中［2］，可由軟骨細胞、肌腱細胞、肌成纖維細胞、心肌細胞、血管平滑肌細胞、血小板等多種細胞分泌產生［3］。COMP作為構成細胞周圍微環境的重要蛋白，通過與其他ECM分子以及細胞內外多種信號分子的相互作用，在骨關節系統發育以及維持多種結締組織結構穩態等方面發揮重要生理作用；而其表達異常則與關節炎，動脈粥樣硬化、擴張型心肌病等心血管疾病，肝、肺、皮膚等組織纖維化，以及肝癌、結腸癌、乳腺癌等惡性腫瘤的發生與發展密切相關［2?4］。近年來，隨著對COMP在各種疾病進程中作用的深入研究，人們對其功能的多面性也有了更為充分的認識。本文就COMP的基本結構、功能以及在疾病中發揮的作用進行綜述，以期為相關疾病的診治提供新的線索和思路。

1 COMP的主要結構與生理功能

COMP是一種多結構域糖蛋白，通過二硫鍵將5個分子質量為100 ku左右的亞基連接在一起，形成分子質量約524 ku的五聚體。單體形式包含1個氨基端復合螺旋結構域（N?terminal domain，NTD）、4個類表皮生長因子樣重復基序（epidermal growth factor?like repeats，EGF?like）、8個Ⅲ型鈣調蛋白重復基序（typeⅢcalmodulin?like repeats，TypeⅢ）和1個球狀羧基末端（globular C?terminal domain，CTD）結構域［5］（圖1）。NTD的中空復合螺旋結構可結合并容納多種疏水分子，如維生素D3、維甲酸等［6］，細胞分泌產生的COMP進入體液循環后可攜帶維生素D3等信號分子至軟骨組織，進而促進軟骨細胞的增殖、肥大，并以軟骨內成骨的方式促進新骨形成［7］；同時NTD作為五聚體聚合結構域，通過二硫鍵與相鄰亞基連接，使5個單體呈現花束狀的排列［5］。EGF?like結構域可與多種金屬蛋白酶，如基質金屬蛋白酶（MMP）?13、含血小板結合蛋白基序的去整合 素 樣 金 屬 蛋 白 酶（a disintegrin?like and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS）?4、ADAMTS?7、ADAMTS?12等結合，介導COMP蛋白的降解，參與調節組織中ECM合成與分解代謝之間的動態平衡［5］。TypeⅢ結構域含有13個鈣離子結合位點，而適宜的鈣離子濃度對COMP蛋白的折疊與正確構象至關重要［5］。CTD借助COMP的特殊花束排列方式可與Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、型膠原、纖維連接蛋白、蛋白多糖、matrillin?1、matrillin?3、matrillin?4等大量ECM成分結合［8?9］，為多種ECM的組裝提供了更大空間，而由它們形成的巨大網絡有機體則為組織提供了良好的物理支撐，提高了組織對機械應力的耐受性，同時CTD可通過與細胞表面黏附分子，如整合素α5β1、α7β1、αVβ3、CD47等胞外基質受體結合，傳遞信號并參與細胞生長調控［9］。此外，該區域還可與某些生長因子、細胞因子等結合促進后者發揮功能，如與轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）?β和骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）?2、BMP?4等結合參與相應下游信號通路的調控，對細胞增殖、分化等產生影響［10］。而最近研究發現，COMP是一種天然的凝血酶抑制劑和內源性抗凝劑，儲存在血小板α顆粒中，在血小板活化后其被釋放出來，通過結合凝血酶來抑制血小板的聚集、活化和收縮以及纖維蛋白原裂解，從而延緩凝血過程［11］。

因此，作為ECM的一員，COMP一方面通過協助構建巨大的網絡結構為細胞以及組織提供必要的物理支撐；另一方面又可作為信號分子，通過與細胞表面黏附分子、生長因子以及細胞因子等結合，參與細胞行為調控。COMP發揮正常的生理功能對于維護組織結構的穩態至關重要，而其一旦出現異常表達，對組織穩態產生的不利影響則與眾多疾病的發生發展密切相關。

2 COMP與各種疾病的關系

2.1 COMP與關節炎關節炎是臨床多發疾病，其引起的關節疼痛與活動受限會嚴重影響患者的生活質量，其中以骨關節炎（osteoarthritis，OA）和類風濕關節炎（rheumatoid Arthritis，RA）最為常見。兩者雖具有不同的病理特征，但都涉及關節軟骨的破壞，臨床上兩者以影像學以及相應癥狀等作為診斷標準，但由于關節炎早期表現并不顯著，因此尋找敏感度及特異度高的關節軟骨代謝標志物對關節炎的早期診斷及干預具有重要臨床意義。

COMP作為軟骨細胞分泌的ECM，與Ⅱ型膠原以及蛋白多糖等其他ECM成分相互作用，穩定關節軟骨結構。已有大量臨床研究顯示，OA早期關節軟骨中多種可降解ECM成分的蛋白酶表達水平升高，如降解Ⅱ型膠原的MMP?13，降解蛋白多糖的ADAMTS?4、ADAMTS?5等［12］，而COMP的主要降解蛋白酶，如ADAMTS?4、ADAMTS?7、ADAMTS?12、MMP?1、MMP?9、MMP?19、MMP?20等表達上調，導致COMP降解加劇，可進一步破壞軟骨ECM結構的穩定性，導致其他ECM丟失，加速OA的進展［12?14］。最近的幾項OA相關的臨床研究顯示，與正常對照組相比，OA組關節腔滑液或血清中的COMP水平明顯升高，且其水平的高低與影像學改變以及OA的病情嚴重指標Kellgren?Lawrence評分呈正相關，COMP被視為OA的早期診斷血清學標志物；研究還發現正常人群血清中COMP水平差異較大，不同的研究對血清中COMP臨界值的確定差異顯著；另外，由于COMP來源廣泛，其他組織分泌的COMP會干擾對結果的解讀，以至結果不能真實反映病情的實際程度，因此COMP不能單獨作為準確評估軟骨破壞程度的特異性指標［14?16］。

Fig.1 Schematic diagram of the subunit of COMP圖1 COMP亞基結構模式圖

RA患者關節軟骨中多種ECM降解酶，如MMP?1、MMP?9、MMP?13、ADAMTS?1、ADAMTS?4、ADAMTS?5等水平也顯著升高［17］。血清中COMP水平與關節軟骨破壞程度以及患者關節活動度評價指標DAS28呈正相關［18?20］。與OA類似，COMP在RA的診斷與病情評估中也存在敏感度及特異度低的問題，因此COMP能否作為臨床上可以廣泛使用的關節炎分子標志物尚待進一步驗證。

RA患者血清以及關節滑膜液中可檢測到較高水平的COMP?補體C3b復合物，提示COMP可能參與了補體激活。COMP可經旁路途徑激活人體補體系統，并可結合C1q和甘露聚糖結合凝集素（mannan?binding lectin，MBL），從而抑制補體激活的經典及凝集素途徑；COMP的降解片段釋放至關節腔，可能激活滑膜液中的補體，進一步加重關節軟骨的破壞；而在OA患者血清中未能檢測到COMP?C3b復合物，提示COMP在2種關節炎中產生的降解片段可能不盡相同，而與補體的結合可能需要某些特定的氨基酸序列或抗原表位才能實現［21］。Smith等［22］采用質譜法對OA軟骨中的COMP降解片段進行了分析，發現COMP經降解暴露出了某些全長蛋白不具備的新抗原表位，未來若能對關節炎中COMP降解片段新抗原表位進行全面解析，將有助于COMP作為關節炎分子標志物的應用與開發。

2.2 COMP與心血管疾病動脈粥樣硬化是臨床常見的心血管疾病，其涉及的病理過程較為復雜，其中血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）的異常增殖與分化是非常關鍵的一環。正常VSMCs多處于低分裂靜息狀態，且同時表達有多種具有收縮功能的蛋白，如平滑肌肌動蛋白（α?smooth muscle actin，α?SMA）、鈣調蛋白等，稱為收縮表型；而VSMCs在某些因素，如生長因子、剪切應力等作用下，則轉化為合成表型，此時細胞收縮蛋白產生減少，ECM分泌增加，并由血管中膜向內膜下遷移、增殖加快，內膜增生導致血管重構，促進了血管硬化以及粥樣斑塊的形成。目前研究已證實VSMCs可分泌產生COMP，并作為ECM與膠原纖維、蛋白多糖等成分交聯以構成穩定的血管壁結構，同時它還參與了VSMCs的增殖與分化，其異常表達對促進血管硬化疾病的進展產生了重要作用［23?24］。VSMCs中COMP表達下調后，VSMCs轉變為合成表型，并向血管內膜下遷移；反之，過表達COMP可顯著抑制由血小板源性生長因子?BB誘導的表型轉換并抑制血管內膜增生［25］。COMP表達下調還可影響線粒體的氧化磷酸化，而線粒體能量生成障礙可引發VSMCs表型轉換。進一步研究發現，COMP通過與prohibitin蛋白的相互作用，參與維持線粒體平衡穩態，并有助于保持VSMCs的收縮表型［26］。因此，COMP通過多種途徑參與維持VSMCs的收縮表型，從而對防止血管硬化起到一定保護作用。

此外，有研究顯示鈣化血管中VSMCs的ADAMTS?7表達水平升高，COMP的降解加劇，而下調ADAMTS?7表達后，COMP降解減少且能有效抑制VSMCs鈣化趨勢，提示COMP在血管硬化進程中可能發揮了一定的保護作用［27］。Wang等［28］研究發現，與野生型小鼠相比，COMP基因敲除小鼠的VSMCs衰老較快，血管壁呈現更為顯著的功能退化特征，而過表達COMP后可延緩VSMCs細胞衰老，提示COMP參與調節了VSMCs的細胞衰老狀態，而延緩VSMCs衰老則有利于抑制血管硬化的進程。另外，COMP通過與BMP?2的直接結合抑制后者誘導的VSMCs成骨化，這對進一步抑制血管鈣化具有積極意義［29］。而在粥樣斑塊的巨噬細胞中，COMP與細胞表面整合素分子β3的結合則抑制了巨噬細胞向成骨化方向的轉變，這對抑制粥樣斑塊的鈣化以及維持斑塊的穩定性具有重要意義［30］。Ma等［31］在對胚胎干細胞的研究中發現，COMP可以作為Notch?1的配體，而與后者結合后激活下游信號，驅動胚胎干細胞向平滑肌細胞系的分化，此發現為血管再生的應用研究提供了一個新思路。血流動力學改變導致的血管內皮細胞活化是動脈粥樣硬化的一個重要誘因，血管內皮細胞中雖未能檢測到COMP，但它可作為ECM與內皮細胞表面的整合素α5結合，并有效抑制由血流動力學改變所引起的內皮細胞活化，這為血管硬化治療藥物的研發提供了一個新候選分子［32］。慢性低氧狀態顯著抑制肺動脈平滑肌 細 胞（pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMCs）中的COMP表達水平，COMP下調可抑制BMP?2下游信號通路的激活，進而導致PASMCs由收縮表型向合成表型的轉換，有利于肺動脈高壓的形成，PASMCs培養體系中加入外源性的COMP蛋白后，則可通過激活BMP?2/BMPR2通路明顯逆轉低氧所誘導PASMCs表型轉換，進而抑制肺動脈血管壁重構［33?34］。綜上，COMP對血管中多種細胞發揮了多方面調節作用，在血管硬化以及肺動脈高壓等心血管疾病進程中起保護作用，雖然目前其在人類心血管疾病中的臨床意義尚待進一步揭示，但以上發現為心血管疾病的研究與防治提供了一個新靶點。擴張型心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）以心肌收縮能力下降、心室擴大為主要病理特征。心肌細胞與ECM有序緊密的結合對維持心臟正常收縮能力具有重要作用。COMP可由心肌細胞及心肌成纖維細胞分泌產生，參與構成心肌的ECM。研究顯示，終末階段的DCM患者心室中COMP表達量較正常者明顯減少，COMP基因敲除小鼠在3～5月齡時可自發出現心室擴大，此時心肌細胞表面整合素β1以及細胞連接蛋白connexin?43水平均下降，心肌ECM降解加劇，心肌細胞凋亡增加［35］。Yang等［36］證實COMP通過與整合素β1的結合可激活后者下游信號通路，而COMP的功能缺失則導致后者的泛素化降解加劇，繼而抑制了其下游信號通路，對心肌的正常組織結構與功能產生影響，但在人體內，COMP與DCM之間的聯系尚待進一步探討。

2.3 COMP與組織纖維化人體多種組織和器官在慢性炎癥或損傷的持續刺激下，活化的成纖維細胞以及由前者分化產生的肌成纖維細胞分泌產生過量的Ⅰ型膠原及其他ECM，引發纖維化，最終可致器官功能受損［37］。COMP在組織纖維化進程中發揮重要作用。系統性硬化癥（又稱為硬皮病）、瘢痕等疾病均包含皮膚纖維化的病理過程，纖維化的皮膚組織中COMP水平較正常皮膚明顯升高，病變部位的成纖維細胞分泌產生COMP并同時合成大量Ⅰ型膠原［2，37］，過表達COMP的皮膚成纖維細胞的胞外膠原沉積也相應增多［35］，而下調細胞中COMP的表達水平則可顯著降低Ⅰ型膠原的沉積［2］，提示COMP對皮膚中膠原合成具有重要的調節作用。作為皮膚中重要的非膠原ECM成分，在胞內，COMP作為膠原蛋白的載體，幫助膠原蛋白組裝及分泌出胞；在胞外，COMP可與型等膠原蛋白結合，協助構建穩定且有序的ECM網絡結構，而COMP表達水平異常升高則促進了膠原沉積以及纖維化進程［38］。

此外，特發性肺纖維化患者病變部位的COMP表達水平也顯著升高，且血清COMP表達水平的升高與患者肺活量指標的下降密切相關［39］。在藥物誘導的肝臟纖維化動物模型中，COMP敲除小鼠肝臟中Ⅰ型膠原沉積較野生型小鼠顯著減少，其肝臟纖維化程度明顯較低；而進一步研究發現COMP可通過細胞表面CD36受體結合并激活MEK1/2?pERK1/2通路，誘導Ⅰ型膠原纖維沉積，參與細胞外基質重塑，促進肝纖維化［40］。這些發現也進一步揭示COMP可促進纖維化進程。

目前普遍認為TGF?β1是驅動纖維化的關鍵細胞因子［41］，多數纖維化組織中TGF?β1的表達水平明顯升高。在TGF?β1的作用下，肺泡上皮細胞中COMP的mRNA及蛋白表達水平均顯著升高，TGF?β1可通過Smad2/3磷酸化路徑激活COMP的表達［39］。Sargent等［42］采用基因芯片的方法對硬皮病患者皮膚成纖維細胞進行分析，發現COMP是TGF?β1的應答基因之一，COMP可能作為TGF?β1的下游蛋白發揮促纖維化作用。將正常人肺成纖維細胞的COMP基因表達沉默后，TGF?β1的靶基因PAI1轉錄水平下調，同時TGF?β1誘導的細胞增殖也顯著減少［39］，COMP水平降低抑制了TGF?β1的活性，但未影響TGF?β1的表達水平。最新研究結果證實，COMP與TGF?β1直接結合形成復合體，可顯著增強TGF?β1的生物學活性及其下游基因的應答水平［43］，因此兩者之間可能存在反饋調節通路，對纖維化的發生與發展起到促進作用。

Zachou等［44?45］對慢性病毒性肝炎患者血清學研究發現，COMP表達水平與臨床常用的肝臟纖維化程度指標具有良好的一致性，COMP可作為評價肝纖維化的敏感血清學指標。另一項有關丙型肝炎患者血清的前瞻性研究顯示，治療后的患者，在其肝臟纖維化指標明顯好轉且功能恢復良好的情況下，COMP表達水平并未出現下降趨勢［46］。因此，COMP可否作為評價肝纖維化的可靠血清學指標尚存爭論。

2.4 COMP與癌癥腫瘤細胞周圍的微環境由基質細胞、ECM成分和免疫細胞等組成，其與腫瘤細胞相互作用所構成的復雜網絡對腫瘤的發生與發展尤為重要。COMP作為ECM也參與了惡性腫瘤的形成。Englund等［47］在部分乳腺癌組織中發現COMP呈高表達，COMP通過上調癌細胞MMP?9水平和增加癌細胞周圍ECM降解促進乳腺癌細胞的侵襲與轉移，同時通過減弱細胞內質網應激水平降低癌細胞的凋亡發生率。另一項研究顯示，COMP可分別與乳腺癌細胞表面的Notch3受體以及Notch3的配體Jagged1結合，參與介導后兩者之間的相互作用，增強Notch3信號通路的激活水平，從而促進乳腺癌中腫瘤干細胞的形成［48］。一項針對前列腺癌的研究發現，COMP在前列腺癌細胞中高表達，其可通過抑制內質網鈣離子外流減少癌細胞凋亡［49］。上述研究提示COMP參與了癌細胞的代謝調節，通過增強癌細胞無氧糖酵解途徑獲取能量以適應腫瘤周圍的低氧環境，從而促進癌細胞增殖與腫瘤生長。

上 皮?間 質 轉 化（epithelial?mesenchymal transition，EMT）過程與癌細胞的侵襲及遷移密切相關，肝癌中高表達的COMP通過與細胞表面CD36受體結合激活ERK和AKT信號通路，促進了EMT進程以及MMP?2與MMP?9的表達，這些途徑對肝癌細胞的侵襲及遷移起顯著促進作用［50］。而在某些高度惡性的結直腸癌中，高表達的COMP通過與肌動蛋白結合蛋白Transgelin的相互作用參與細胞骨架的重塑，有效加快EMT進程，繼而進一步促進癌細胞的侵襲及遷移［51］。

綜上可知，癌組織中COMP既可作為ECM與細胞表面蛋白作用參與癌癥的致病過程，又可通過多種細胞內途徑對癌細胞的增殖與轉移過程發揮調節作用。此外，在乳腺癌、肝癌、前列腺癌、直腸癌等患者血清樣本中發現COMP表達水平明顯升高，且其水平與患者預后具有一定相關性［50，52?54］。COMP有望成為惡性腫瘤診治和預后評估的新型分子標志物之一。

3 結語

盡管COMP最初是從軟骨細胞中分離得到，但隨著研究領域的不斷拓展卻發現其參與構成了多種組織，并通過其不同結構域與其他ECM成分、降解ECM酶、細胞黏附分子、生長因子等相互作用發揮多種功能，在維持組織ECM結構的穩定、增加結締組織的機械強度、抗凝血等方面具有重要生理學作用，而其表達異常可在骨關節與心血管系統疾病、組織纖維化、癌癥等疾病進程中發揮不同作用，提示COMP具有一定的組織特異性。隨著研究的深入將進一步揭示COMP功能的多面性與復雜性，研究COMP在疾病進程中的具體作用機制將為臨床上多種疾病的診治開辟一個新的方向。COMP在骨關節炎、類風濕關節炎中一直被認定為一個輔助診斷、病情監測、療效及預后評價的分子標志物，同時有望成為評估纖維化疾病以及部分癌癥病情的新型標志物。現有商品化的COMP血清學檢測試劑盒為其臨床應用帶來較大便利，但考慮到個體之間多種因素對其水平的影響，如何將其轉化為真正可用于指導臨床的評價指標仍需要更深入的探討，相信對COMP在不同領域的研究將有助于進一步擴大其應用范圍并提升其臨床應用價值。