软骨细胞生物钟紊乱与骨关节炎(1)
【摘 要】 骨关节炎是一种慢性关节病，我国患病人数高达1.5亿左右。近年来研究发现，软骨细胞中存在生物钟基因，其表达的生物钟蛋白受昼夜节律的控制，软骨细胞生物钟紊乱与骨关节炎存在相关性。通过检索PubMed和中国知网(CNKI)数据库2008年至2018年与软骨细胞生物钟相关的文献，归纳软骨细胞生物钟与骨关节炎的关系，为骨关节炎的治疗提供新思路。
【关键词】 骨关节炎；软骨细胞；生物钟；紊乱
骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种退行性关节病，主要表现为关节的僵硬、疼痛，严重者可伴功能障碍甚至畸形。OA患病率与年龄呈正相关，随着人口老龄化的加重，OA人数亦逐年增加[1]。软骨变性是OA最基本的病理改变，镜检可见软骨细胞结构紊乱，细胞数量减少，软骨撕裂或者纤维化，溃疡面可被结缔组织或纤维软骨覆盖及新生血管入侵，最终全层软骨消失。既往研究发现，软骨病理改变所涉及的通路主要有NF-κB通路、AHR通路、cAMP/PKA通路、MAPK通路、NPAS2-Adcy1通路等[2-8]。近年来研究发现，软骨细胞中存在生物钟基因，该基因表达的生物钟蛋白可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。该生物钟基因的表达受昼夜节律的影响，当生物钟基因表达出现紊乱时，软骨的磨损与修复之间失衡，从而出现OA表现[9]。与生物钟相关的通路包含PI3K/AKT/mTOR信号通路及PI3K/PTEN/mTOR信号通路。本文通过检索PubMed和中国知网(CNKI)数据库中近10年的文献，归纳总结软骨细胞生物钟紊乱与OA的关系，阐明软骨细胞生物钟的作用机制，旨在深入理解OA的发病及进展，为OA的治疗提出新的思路。
1 生物钟系统
现代研究表明，生物钟广泛存在于哺乳动物的各个器官与组织中，使生物体可以更好地与自然界的节律性相通应，具有重要的生物学意义[10]。哺乳动物的生物钟由母钟和子钟构成，母钟存在于下丘脑视交叉上核(SCN)，子钟位于各外周组织中[11-13]。哺乳动物的生物钟母钟系统主要是由2个连锁的转录/翻译环路组成，调节这个转录/翻译环路功能的主要有4种生物钟蛋白，分别是起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白[14]。除了这个大环路之外，还有一些小的环路也一起参与调节，哺乳动物机体内存在CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种基因，这4种基因会对应表达CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种蛋白[15-16]。
在一天开始之时，PER和CRY 2种蛋白的含量比较低，BMAL1/CLOCK复合物则会激活PER和CRY基因上游的E-box元件序列，正向调控PER和CRY基因，使得表达的PER和CRY蛋白量增加，大量增加的PER和CRY会在细胞核内积累，形成同二聚体或者异二聚体，该聚合物的产生可以反向抑制BMAL1/CLOCK二聚体的功能，同时使得BMAL1和CLOCK蛋白表达减少，对PER和CRY基因的激活也减少，所以PER和CRY蛋白量也会降低。与此同时，由于PER和CRY的减少，使得BMAL1/CLOCK复合物的激活功能又慢慢变强，这就开始了在夜里的生物钟循环，如此便完成了一天的钟蛋白节律循环[17]。除了这个核心的生物钟节律循环调节通路之外，小循环也存在。小循环主要是调控BMAL1蛋白的表达。参与小循环的基因主要有Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种。其中，Rorα和Rorβ基因分别表达RORA和RORB 2种蛋白，两者对BMAL1基因有正反馈调节，能够增加BMAL1蛋白的量，Rev-erb的蛋白产物是REV-ERB，对BMAL1基因有负反馈调节[18-19]。生物钟信号通路图见图1。
2 软骨细胞生物钟异常与OA的关系
软骨细胞生物钟是在母钟之下的子钟，位于软骨细胞内，调控软骨细胞的生物节律。正常情况下，软骨细胞生物钟节律稳定，钟蛋白表达量正常，可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。病理情况下，该平衡出现紊乱，运动时出现的软骨磨损不能及时修复，从而引发OA[2，9，20]。软骨细胞生物钟受昼夜节律的影响，呈现规律性变化。临床上，很多OA患者的疼痛表现会在一天中特定时间加重，这种规律的变化与软骨细胞生物钟受昼夜影响规律变化具有一致性。
软骨细胞生物钟组成以及运行方式与生物钟系统相同，也是由大小2个循环组成，大循环包括起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白，小循环由Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种基因及其表达的蛋白构成。在发生OA的时候，代表软骨细胞生物钟的基因及蛋白表达量会出现异常情况。
在人类软骨细胞生物钟蛋白检测中，取OA患者关节置换的膝软骨行Western blot檢测BMAL1蛋白表达含量，发现OA患者关节软骨存在BMAL1蛋白表达量减少的情况[16]。在动物实验中发现，改变动物生活的昼夜节律，会导致膝OA的发病率增高[20-21]。生物钟小循环在OA患者中也会出现紊乱，主要体现在REV-ERB蛋白的表达增多上，因其对BMAL1蛋白的抑制作用，间接降低钟蛋白的表达量，使得生物钟紊乱[22]。
OA患者软骨细胞生物钟受调控的方式有很多种，多为信号通路对其进行调控，然而目前对于软骨细胞生物钟信号通路的相关研究文献较少。与生物钟相关的通路有2条，一条为PI3K/AKT/mTOR信号通路，另一条为PI3K/PTEN/mTOR信号通路，这2条信号通路均属于mTOR信号通路。mTOR为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，该蛋白是细胞内一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其在细胞内有2种不同的复合物，分别是mTORC1(mTOR complex1)和mTORC2(mTOR complex2)，两者能够接受和整合细胞内外各种刺激[23]。由两者介导的信号通路能够对很多疾病起调控作用，例如肿瘤、衰老、免疫相关疾病。同时该通路对生物钟系统也会产生影响，目前来看，该通路对生物钟产生影响的具体原因并不清楚；但从相关实验中可以发现，该通路对生物钟系统来说呈负相关[3]。, http://www.100md.com(陈颖颖 李冬霞 杜梦梦 胡琪 何春晓 陶庆文)
【关键词】 骨关节炎；软骨细胞；生物钟；紊乱
骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种退行性关节病，主要表现为关节的僵硬、疼痛，严重者可伴功能障碍甚至畸形。OA患病率与年龄呈正相关，随着人口老龄化的加重，OA人数亦逐年增加[1]。软骨变性是OA最基本的病理改变，镜检可见软骨细胞结构紊乱，细胞数量减少，软骨撕裂或者纤维化，溃疡面可被结缔组织或纤维软骨覆盖及新生血管入侵，最终全层软骨消失。既往研究发现，软骨病理改变所涉及的通路主要有NF-κB通路、AHR通路、cAMP/PKA通路、MAPK通路、NPAS2-Adcy1通路等[2-8]。近年来研究发现，软骨细胞中存在生物钟基因，该基因表达的生物钟蛋白可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。该生物钟基因的表达受昼夜节律的影响，当生物钟基因表达出现紊乱时，软骨的磨损与修复之间失衡，从而出现OA表现[9]。与生物钟相关的通路包含PI3K/AKT/mTOR信号通路及PI3K/PTEN/mTOR信号通路。本文通过检索PubMed和中国知网(CNKI)数据库中近10年的文献，归纳总结软骨细胞生物钟紊乱与OA的关系，阐明软骨细胞生物钟的作用机制，旨在深入理解OA的发病及进展，为OA的治疗提出新的思路。
1 生物钟系统
现代研究表明，生物钟广泛存在于哺乳动物的各个器官与组织中，使生物体可以更好地与自然界的节律性相通应，具有重要的生物学意义[10]。哺乳动物的生物钟由母钟和子钟构成，母钟存在于下丘脑视交叉上核(SCN)，子钟位于各外周组织中[11-13]。哺乳动物的生物钟母钟系统主要是由2个连锁的转录/翻译环路组成，调节这个转录/翻译环路功能的主要有4种生物钟蛋白，分别是起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白[14]。除了这个大环路之外，还有一些小的环路也一起参与调节，哺乳动物机体内存在CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种基因，这4种基因会对应表达CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4种蛋白[15-16]。
在一天开始之时，PER和CRY 2种蛋白的含量比较低，BMAL1/CLOCK复合物则会激活PER和CRY基因上游的E-box元件序列，正向调控PER和CRY基因，使得表达的PER和CRY蛋白量增加，大量增加的PER和CRY会在细胞核内积累，形成同二聚体或者异二聚体，该聚合物的产生可以反向抑制BMAL1/CLOCK二聚体的功能，同时使得BMAL1和CLOCK蛋白表达减少，对PER和CRY基因的激活也减少，所以PER和CRY蛋白量也会降低。与此同时，由于PER和CRY的减少，使得BMAL1/CLOCK复合物的激活功能又慢慢变强，这就开始了在夜里的生物钟循环，如此便完成了一天的钟蛋白节律循环[17]。除了这个核心的生物钟节律循环调节通路之外，小循环也存在。小循环主要是调控BMAL1蛋白的表达。参与小循环的基因主要有Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种。其中，Rorα和Rorβ基因分别表达RORA和RORB 2种蛋白，两者对BMAL1基因有正反馈调节，能够增加BMAL1蛋白的量，Rev-erb的蛋白产物是REV-ERB，对BMAL1基因有负反馈调节[18-19]。生物钟信号通路图见图1。
2 软骨细胞生物钟异常与OA的关系
软骨细胞生物钟是在母钟之下的子钟，位于软骨细胞内，调控软骨细胞的生物节律。正常情况下，软骨细胞生物钟节律稳定，钟蛋白表达量正常，可以调控“休息时软骨修复”与“运动时软骨磨损”之间的平衡。病理情况下，该平衡出现紊乱，运动时出现的软骨磨损不能及时修复，从而引发OA[2，9，20]。软骨细胞生物钟受昼夜节律的影响，呈现规律性变化。临床上，很多OA患者的疼痛表现会在一天中特定时间加重，这种规律的变化与软骨细胞生物钟受昼夜影响规律变化具有一致性。
软骨细胞生物钟组成以及运行方式与生物钟系统相同，也是由大小2个循环组成，大循环包括起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白，小循环由Rorα、Rorβ和Rev-erb 3种基因及其表达的蛋白构成。在发生OA的时候，代表软骨细胞生物钟的基因及蛋白表达量会出现异常情况。
在人类软骨细胞生物钟蛋白检测中，取OA患者关节置换的膝软骨行Western blot檢测BMAL1蛋白表达含量，发现OA患者关节软骨存在BMAL1蛋白表达量减少的情况[16]。在动物实验中发现，改变动物生活的昼夜节律，会导致膝OA的发病率增高[20-21]。生物钟小循环在OA患者中也会出现紊乱，主要体现在REV-ERB蛋白的表达增多上，因其对BMAL1蛋白的抑制作用，间接降低钟蛋白的表达量，使得生物钟紊乱[22]。
OA患者软骨细胞生物钟受调控的方式有很多种，多为信号通路对其进行调控，然而目前对于软骨细胞生物钟信号通路的相关研究文献较少。与生物钟相关的通路有2条，一条为PI3K/AKT/mTOR信号通路，另一条为PI3K/PTEN/mTOR信号通路，这2条信号通路均属于mTOR信号通路。mTOR为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，该蛋白是细胞内一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其在细胞内有2种不同的复合物，分别是mTORC1(mTOR complex1)和mTORC2(mTOR complex2)，两者能够接受和整合细胞内外各种刺激[23]。由两者介导的信号通路能够对很多疾病起调控作用，例如肿瘤、衰老、免疫相关疾病。同时该通路对生物钟系统也会产生影响，目前来看，该通路对生物钟产生影响的具体原因并不清楚；但从相关实验中可以发现，该通路对生物钟系统来说呈负相关[3]。, http://www.100md.com(陈颖颖 李冬霞 杜梦梦 胡琪 何春晓 陶庆文)