Gremlin-1 在骨關節炎中的研究進展

周 塏，杜秀藩，楊城闊，王廣積

（海南醫學院附屬海南醫院 海南省人民醫院 運動醫學科，海南 海口 570311）

骨關節炎是最常見的慢性退行性關節疾病，其特征是關節軟骨的破壞，包括軟骨細胞凋亡、細胞外基質（ECM）降解、軟骨下損傷以及骨贅形成［1］，可引起關節的不穩定、疼痛、腫脹等癥狀，甚至還可導致殘疾，極度的影響人們的正常生活。目前OA的發病機制尚不明確，先前的研究發現OA 的形成是一個極其復雜的過程，與關節軟骨退化、軟骨細胞衰老以及關節腔內炎癥等諸多因素密切相關［2］，近些年來，研究發現表觀遺傳機制及基因異常表達影響著OA 的進展［3］，其中Gremlin-1（Grem-1）基因在OA 中起著至關重要的作用，它可通過抑制BMP/Smad 信號通路以及介導Wnt/b-連環蛋白/NF-κB 信號通路從而導致了軟骨細胞損傷、破壞以及加重了滑膜炎癥。與此同時，Grem-1 還通過干預軟骨生成及軟骨內骨化過程，從而進一步加重OA進程。因此，本文將研究了解Grem-1 與OA 的關系，探討其干擾骨形成過程，分析Grem-1 介導相關信號通路致使關節軟骨破壞與修復機制過程，并可能為OA 提供一個潛在的治療靶向因子。

1 Grem-1 概述

Grem-1 是一種高度保守的糖蛋白，分子量為27 kDa，屬于分泌性BMP 拮抗劑的Cerberus 和Dan亞家族［4］，主要是通過與BMP 上的胱氨酸鍵發生結合，從而抑制了BMP 與其相應受體結合而發揮作用。Grem-1 位于染色體15q13-q15 上，可編碼近184 種氨基酸，并在多種組織中表達［5］。研究發現，Grem-1 參與了器官發育、組織分化以及骨形成分化等過程［6］，如今它已被證實與多種疾病的發生、發展有關，如癌癥［7］、糖尿病［8］、骨關節炎［9］等等，其相關疾病的發生機制多與Grem-1 參與的BMP/ Smads通路和Wnt/b-連環蛋白通路以及NF-κB 信號通路相關。但目前對該基因的研究仍處于初步階段，還有許多所介導的機制或者分子尚未被研究，往后需要進行挖掘相關分子與機制并驗證以期能夠在此領域有突破性的進展，對未來相關靶向因子的研發具有極大的作用。

2 Grem-1 表達水平與骨關節炎的關系

研究發現，骨形態發生蛋白（BMP）屬于轉化生長因子-β（TGF-β）超家族的成員，參與骨形成以及骨和軟骨的修復過程［10］，而Grem-1 是一種BMP 拮抗劑，與BMP-2 和BMP-4 具有很高的結合能力［11］，通過可與其結合而介導OA 的發生過程，據報道，Grem-1 表達在早期骨關節炎軟骨中顯著升高，并隨著疾病進展而增加［12］。值得注意的是，Grem-1 顯著抑制了人類MSC 代謝以及DNA 含量，并且還可降低成骨細胞基因的表達水平，從而抑制了成骨細胞的形成［13］。此外，Grem-1 基因還可促使軟骨的終末肥厚分化，致使OA 的形成［14］。以下將詳細介紹Grem-1 影響骨形成過程。

2.1 Grem-1 介導間充質干細胞代謝以及成骨分化過程

間充質干細胞（MSC），也稱為多能基質細胞，對骨的形成和發育有重要作用［15］，作為成骨細胞的前體，間充質干細胞在特定微環境中發生成骨分化，調節體內骨代謝的穩態過程［16］，先前研究表明，Grem-1 通過靶向BMP2 和BMP4 來抑制MSC 的成骨分化過程，其大致作用機制主要為Grem-1 通過抑制BMP/Smad 的信號轉導過程，通過阻斷BMP 信號傳導與受體Ⅱ型（R-Ⅱ）和受體Ⅰ型（R-Ⅰ）結合，致使特定Smad 蛋白（R-Smads）的無法磷酸化，阻斷了R-Smads 與Smad 以及Smad4 形成復合物，導致相關復合物無法易位到細胞核中以指導轉錄反應［17］（圖1）。此外，Grem-1 還可通過BMP/Smad 通路介導相關途徑抑制了MSX2 和RUNX2 的表達，從而抑制了間充質干細胞代謝以及成骨分化過程。因此，BMP/Smad 信號傳導以及MSX2、RUNX2 的表達在成骨細胞分化和骨形成中起著關鍵的調節功能。目前已有許多研究證實Grem-1 干擾BMP/Smad 信號傳導的還可導致其他多種臨床疾病的發生。值得注意的是，已有研究相關分子通過抑制Grem-1 或調控MSC 代謝從而促進成骨細胞的分化。主要是由于MSC 受各種RNA 修飾與控制［18］，而研究發現N-乙酰轉移酶 10 （NAT10）在關節軟骨 中 介 導 了RNA 乙 酰 轉 移 酶4mRNA 的C 修 飾［19］而調控MSC 代謝，此外，NAT10 還可抑制Grem-1的表達，調節smad1/5/9 信號通路以及MSC 的成骨能力［20］。最后，由于Grem-1 具有抑制成骨分化，拮抗BMP 轉錄作用，因此，未來對Grem-1 或BMP/Smad 信號分子以及MSC 成骨能力更深入研究并探討其相關因子在治療骨骼相關疾病方面具有巨大的潛力。

圖1 Gremlin-1 介導BMP/Smad 信號轉導抑制成骨細胞分化過程Fig 1 Gremlin-1 mediating BMP/SMAD signaling inhibits osteoblast differentiation

2.2 Grem-1 介導軟骨生成及軟骨內骨化過程

軟骨生成與軟骨內骨化是一種復雜的生物現象，涉及多種因素和細胞過程［21］。其中BMP 介導了這一過程的發生。相關研究表明，BMP 信號傳導在軟骨生成和軟骨內骨形成的中起至關重要作用［22］。在軟骨生成的最早階段，BMP 信號傳導促進間充質細胞分化為軟骨細胞，并通過誘導Sox9 表達刺激軟骨細胞增殖。同時，還通過促進軟骨細胞肥大來控制軟骨細胞分化過程，Grem-1 作為BMP 信號傳導的拮抗劑，主要是通過抑制BMP 信號傳導與Ⅰ型和Ⅱ型受體的形成異四聚體復合物，阻止了相關靶向基因表達的Smad 依賴性典型途徑和Smad 非規范 MAPK 途徑的激活［23］。從而抑制了軟骨生成及軟骨內骨化過程。同時Grem-1 還可促使軟骨破壞損傷以及加重OA 的病程，值得注意的是，有研究發現通過抑制BMP2 的表達可以減輕OA 中的軟骨變性以及軟骨下骨的破壞［24］。表明了通過減少Grem-1 與BMP2 的結合有助于OA 的緩解。然而據目前研究已知抑制Grem-1 基因有利于減少了OA 病理以及還可促使軟骨生成及軟骨內骨化過程，未來為OA 預防和早期疾病治療提供了新的治療靶點。

3 Wnt/b-連環蛋白信號/NF-κB 信號通路在OA中的作用

在骨骼和關節病理學中，Wnt/β-連環蛋白信號通路已被證明影響骨骼、軟骨和滑膜組織的作用［25］，先前的研究表明，退行性或骨關節炎軟骨中β-連環蛋白表達水平升高，并可通過誘導了MMP和其他蛋白酶的快速基因表達，從而導致蛋白多糖基質的降解［26］。此外，Wnt/β-連環蛋白信號通路的激活通過下調SIRT-1 促進軟骨細胞衰老，加重OA的進展［27］，但有研究顯示：Wnt 通路的激活可以誘導甚至加速受損關節軟骨的修復［28］。因此，可以推斷出適度的Wnt 活性對于軟骨的生理維持是必要的，而強烈抑制或激活Wnt 通路會促使相關疾病（如OA）的發生。而值得注意的是，NF-κB 信號通路與OA 也有極大的聯系，研究證實了NF-κB 信號通路激活后致使軟骨基質重塑、軟骨細胞凋亡以及滑膜炎癥［29］，從而加重OA，以下將詳細介紹Grem-1 介導在以上兩條信號通路在OA 中的作用。

3.1 Grem-1 參與Wnt/b-連環蛋白信號通路在OA中的相互作用

目前已有許多研究證實了Wnt 通路不僅參與軟骨或軟骨下骨的病理生理過程，而且對整個關節起了復雜的作用［30］，其主要作用過程為Wnt 信號分子與其特定的細胞膜受體結合時，致使蛋白質Frizzled（Fzd）和輔助受體低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP5 / 6）的激活，導致功能信號傳導。隨后Dvl的活化導致多蛋白復合物解離，導致GSK3β 失活。最后，細胞質中積累的β-連環蛋白易位到細胞核，從而與LEF 和TCF 相互作用，引發靶基因的轉錄激活［31］，導致相關疾病（如OA）的發生。由此可見，Wnt 通路異常激活可對軟骨造成極大的損傷。然而，Grem-1 可通過未知的間接機制抑制WNT 信號傳導［32］，但抑制典型WNT 信號又可誘導Grem-1 的mRNA 表達，有趣的是，WNT 信號與BMP 信號之間也有相互影響作用，相關研究也證實了WNT 信號傳導的激活降低編碼BMP 拮抗劑（Grem-1）的基因的表達，并與BMP 信號傳導的上調有關。反過來，BMP 信號傳導的激活導致編碼WNT 拮抗劑（FRZB、DKK1）的基因表達增加，這與WNT 信號傳導減 少有關［33］（見圖2）。由此可見，Grem-1 與WNT 信號之間的關系是通過BMP 介導的，目前未有相關研究報道由Grem-1 與WNT 信號之間調控而影響OA，近年來，有一項研究表明，骨關節炎與軟骨中的Grem-1 與FRZB 和DKK1 基因表達之間存在負相關關系［34］，表明了BMP 和WNT 信號在負反饋回路中起著連接調控作用，但具體過程仍是未知。綜上所述，在OA 中平衡BMP 與WNT 活性有利于維持關節軟骨的穩態作用，有助于OA 的緩解。

圖2 BMP 與Wnt 信號相互作用過程Fig 2 BMP and Wnt signal interaction process

3.2 Grem-1 介 導NF-κ B 信 號 通 路 在OA 中 的作用

核因子-κB（NF-κB）是一種參與各種生物過程的多功能轉錄因子，在各種因素刺激下，將激活NF-κB 分子，從而觸發一系列基因的表達，誘導關節的破壞，導致OA 的進程［35］。值得注意的是，NF-κB 信號的調節對機械負載有一定的響應，正常生理負荷對軟骨是具有保護作用，而過度負載可能會通過相關信號通路介導OA 的形成。同時相關研究 也 證 實 了 過 度 機 械 載 荷 可 激 活 的RAC1-ROS-NF-κB 通 路，而Grem-1 在 過 度 機 械 載荷激活Rac1-ROS-NF-κB 軸后發生大量轉錄［36］，值得注意的是，Grem-1 又可進一步激活NF-κB 誘導分解代謝酶產生，如Mmp13 和Adamts5，從而導致了 軟 骨 發 生 破 壞［37］，此 外，Grem-1 也 能 夠 抑 制BMP/Smad 通路而加重了OA 進程（見圖3），因此，中和體內Grem-1 或者致使相關途徑抗體遺傳缺失對OA 的預防與緩解有巨大的作用，同時，靶向NF-κB 信號傳導分子也可作為OA 新的潛在治療選擇，并可降低機械載荷引起潛在的OA 風險。

圖3 過度機械載荷激活Rac1-ROS-NF-κB 軸致使Gremlin-1 轉錄影響OA 過程Fig 3 Excessive mechanical loading activates the Rac1-ROS-NF-κB axis causing Gremlin-1 transcription to affect the OA process

4 討論

Grem-1 在OA 發展的過程具有極大的作用，但Grem-1 在骨與關節領域研究相對較少，許多機制尚未明確。然而，相關研究證實的是 Grem-1 可以促使關節軟骨的損傷以及破壞，據了解，Grem-1 在正常的軟骨中也處于一個高度集中表達的狀態，也有研究證實其在正常人中維持軟骨末端肥厚分化以防止OA 形成具有極大的意義［38］，因此，是否會在OA 的加重過程中通過某種機制促使Grem-1 高表達從而負反饋調節OA 呢？此外，Grem-1 還參與了MSC 的代謝以及成骨分化過程，并通過抑制其分化，致使OA 的進一步惡化。而值得注意的是，軟骨形成和軟骨內骨化是一個極為復雜的過程，涉及許多不同類型的刺激和抑制情況出現，而由Grem-1 參與的BMP/Smad 信號傳導在此領域也取得了實質性的進展，但仍有許多有待進一步了解。同時，Grem-1 還參與Wnt/b-連環蛋白以及NF-κB 信號途徑，這兩條途徑也是十分復雜的，由Grem-1 介導的信號機制過程還有許多需要研究探討的空間，未來對研發相關分子以及蛋白有重要的作用，并且可能成為治療OA 的新方向，最后，由于Grem-1 在OA的病理過程中具有較強的調控作用，將來有望成為OA 早期診斷標志物以及治療的靶點。

5 結語

本文綜述了 Grem-1 如何影響人類骨性關節炎的發生、發展，進一步揭示了Grem-1 介導BMP/Smad 通路干擾了MSC 代謝和成骨分化具體過程，并闡明了Grem-1 參與相關信號通路在OA 發病過程中的作用，其中信號通路是一個復雜的網絡，而信號分子的下游信號激活可引發OA 效應。因此，Grem-1 的表達影響骨性關節發生發展，通過深入對其研究同時也為臨床治療指明新方向。

作者貢獻度說明：

周塏：主要進行文獻查找，翻閱，記錄，寫作等工作。王廣積：文章整體把控，文章內容審校。杜秀藩、楊城闊：課題組成員，提供所在領域文獻和相關領域修改意見。

所有作者聲明不存在利益沖突關系。