Wnt5a基因在骨關節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.北京大學深圳醫院，廣東 深圳 518036 2.濱州市濱城區市立醫院，山東 濱州 256600 3.骨科生物材料國家地方聯合工程研究中心，廣東 深圳 518036

骨關節炎(osteoarthritis, OA)是由衰老、肥胖、創傷等因素導致的慢性關節疾患，以關節軟骨的退變和關節周圍繼發骨質增生為特點，多累及負重大、活動多的關節。該病50歲以上人群好發，60歲以上70 %人群、80歲以上90 %人群都有OA的影像學表現，本病晚期造成關節畸形，嚴重者致殘，給患者及社會帶來了沉重負擔。在OA發病機制不明確的情況下，骨科醫生只能通過早期的非甾體抗炎藥等保守治療及晚期的關節置換術緩解患者的癥狀，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]、固醇調節元件結合蛋白(SRBBPs)[2]、沉默信息調節因子1(SIRT1)[3]等，均在OA的發病及治療中起重要作用，這也為OA相關研究提供了基因靶點[4-5]。

Wnt5a基因在干細胞分化、細胞增殖、胚胎發育、炎癥反應等領域較重要[6-7]，其可在經典及非經典Wnt通路作用下調控機體衰老、肥胖、創傷等進程從而影響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等發現的無翅基因(wingless)與1982年Nusse等發現的int-1基因基礎上命名的重要通路，最初被認為參與果蠅體節極性形成，后證實其功能與胚胎發育過程中的蛻變及人類肢體形成相關，已發現的Wnt通路有兩個，根據其是否依賴β-連環蛋白(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，也就是經典Wnt通路和非經典Wnt通路。在Wnt因子中，Wnt1、2、3、3a、8、8b等主要作用于經典Wnt通路，而Wnt4、5a、5b、6、7a、11等主要作用于非經典Wnt通路。

Wnt5a基因屬于非經典Wnt通路，最初由Thomas Jefferson大學的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合，將信號傳遞至胞內引起一系列級聯反應，影響細胞形態、分化、運動、極性及凋亡等。越來越多的科學家發現，Wnt5a基因在OA的進程中起重要作用[8]，而且與其所在的經典及非經典Wnt通路密切相關。

2 Wnt5a基因對OA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，也可以通過調控衰老[9]、代謝所致肥胖[2]、創傷[10]等過程，參與OA的病程。

2.1 Wnt5a基因調控衰老對OA的影響

隨年齡增長，機體逐漸老化，各器官功能都出現退變。在OA相關研究中，我們課題組[9]發現，使用慢病毒敲減小鼠軟骨細胞系ATDC5中的衰老基因SIRT1后，Wnt5a基因下調，雖然Wnt5a mRNA和蛋白的表達量降低不具有統計學意義，但也出現了與Wnt5a基因一致的下調趨勢，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，發現細胞凋亡率降低，衰老相關的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通路調節白藜蘆醇處理后OA軟骨細胞凋亡及細胞外基質降解。桂先革等[12]將重度老年OA患者的巨噬細胞、間充質干細胞(MSCs)共培養，用腺相關病毒上調細胞中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合成，證實Wnt5a基因過表達能夠通過巨噬細胞調控的炎癥反應促進軟骨穩態維持及MSCs成軟骨分化。馬欣楠[13]也通過對比原發性膝OA患者與正常人膝軟骨標本，發現無論輕、中、重度OA，標本中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基因可以通過調控衰老進程影響到OA的發生發展。

2.2 Wnt5a基因調控機體代謝對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系密切。Deng等[14]實驗證實，MSCs中印度刺猬(IHH)信號這種骨骼發育關節調節器的受體平滑化抑制劑Ptch1缺失可引起Wnt5a/6的表達，并導致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，這也從側面證明Wnt5a基因、脂肪堆積及軟骨相關疾病有一定聯系。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節軟骨中SREBP2和HMG-CoA還原酶(HMGCR)這兩種脂肪相關因子表達量升高，并加重膝OA進展[2]；魏奧則[15]通過生物信息學分析發現，Wnt5a、SIRT1均與馬骨髓間充質干細胞(BMSCs)成軟骨細胞分化關系密切。徐慧[16]分析了85例膝OA患者的樣本數據發現，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發病的相關因素，且與膝OA的X線影像學進展有關，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]的代謝或調控中起重要作用。因此，Wnt5a基因可以通過調控代謝所致疾病如肥胖等影響OA的進展。

2.3 Wnt5a基因調控創傷對OA的影響

創傷導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創傷模型中，有很多Wnt5a基因相關研究。Diederichs等[20]認為，將MSCs重編程后成軟骨分化為非肥大性關節軟骨細胞樣表型在軟骨修復中起重要作用，小分子IWP-2抑制Wnt通路后，促進了MSCs分化為軟骨細胞的標志物表達，減少了其分化為肥大關節軟骨細胞的標志物表達，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，發現PRP-Exos能顯著降低OA軟骨細胞凋亡率，并使白介素1β(IL-1β)誘導的炎癥軟骨細胞模型中Wnt5a、β-catenin及RUNX2蛋白上調，為OA治療提供了一種新方法。此外，小分子RNA也可通過Wnt5a基因作用調控創傷引起的OA。Wang等[21]發現中藥補肝榮筋湯能夠下調去勢OP大鼠中Wnt5a和β-catenin表達，并上調軟骨組織中Sox9和II型膠原表達，認為其通過Wnt通路減輕了絕經后膝OA的炎癥和氧化應激。朱琳等[22]發現，硫酸氨基葡萄糖聯合依托考昔通過降低炎性因子水平，使JNK和Wnt5a表達下調以抑制基質金屬蛋白酶的分泌，進而減緩軟骨基質降解，此外也通過SOD途徑抑制NO誘導的軟骨細胞凋亡，在膝OA中起作用。

3 Wnt5a基因與Wnt通路在OA中的相互作用

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

3.1 Wnt5a基因調控經典Wnt/β-catenin通路在OA中的作用

Wnt/β-catenin通路在機體內環境穩態維持及器官發育中起重要作用。在OA中，Burt等[29]發現，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，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通路調控OA進程。鄧斌等[30]應用阿侖膦酸鈉處理大鼠炎癥軟骨細胞，發現阿侖膦酸鈉通過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]用轉基因小鼠研究了OA中關節軟骨淺表區(SFZ)的變化，發現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節軟骨的內環境穩態。

3.2 Wnt5a基因調控非經典Wnt/β-catenin通路在OA中的作用

近年來，非經典Wnt通路因其在多種疾病中起作用而備受關注。在OA相關研究中，Martineau等[32]發現，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顯著加重關節軟骨退變，Wnt10a可以輕度保護軟骨完整性；從而認為OA滑膜中經典Wnt/β-catenin通路被抑制，非經典Wnt/Ca2+通路被激活。Farrera-Hernndez等[34]研究發現非經典WNT5A-Ca2+-CaN-NFAT通路在軟骨發育中起關鍵作用，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]發現實驗性單側前牙反牙合能夠增強小鼠顳下頜關節軟骨下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換增加影響OA進程提供了證據。

4 結語與展望

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基因可通過經典及非經典Wnt通路參與到衰老、肥胖及創傷等OA的發病因素中，受到越來越多關注。但在以往的研究中，學者多重視Wnt5a基因影響OA的單一發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發病進程中機制學層面的研究而缺乏功能學層面的解釋，同時缺少Wnt5a基因治療OA的轉化相關研究。因此，將衰老、肥胖及創傷等多因素聯合起來探討Wnt5a基因改變后OA病程的功能學變化及機制變化，從成果轉化角度研發Wnt5a基因治療OA的相關藥物或材料，可能是一個更好的發展方向。由于Wnt5a基因影響OA的機制錯綜復雜，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。