Runt相关转录因子对骨关节炎的影响

作者：朱瑶 北京积水潭医院

Runt相关转录因子（Runx）家族在软骨的稳态中起着各种作用。在这里，我们检测了Runx2和Runx3在体内和体外骨关节炎发展中的作用。Runx3基因敲除小鼠在手术诱导后表现出加速的骨关节炎，并伴有润滑蛋白和聚集蛋白聚糖表达的减少。同时，Runx2条件敲除小鼠表现出双相表型：杂合敲除抑制骨关节炎并降低基质金属肽酶13（Mmp13）的表达，而纯合敲除Runx2加速骨关节炎和降低II型胶原（Col2a1）的表达。全面的转录分析显示，rubiin和aggrecan是Runx3的转录靶基因，并表明当Sox9降低时，Runx2通过内含子6增强子维持Col2a1表达。关节内注射Runx3腺病毒可改善手术诱发骨关节炎的发展。在正常条件下，Runx3通过细胞外基质蛋白的产生保护成人关节软骨，而Runx2在炎症条件下同时发挥分解代谢和合成代谢作用。
骨关节炎（OA）是以软骨变性为特征的最常见的关节疾病形式。OA的进展最终导致老年患者的残疾，这给他们带来了巨大的社会经济负担。OA是一种多因素疾病，由衰老、炎症、体重、劳累和其他因素引起。在OA的早期阶段，关节软骨浅层（SFZ）的软骨变性明显，其通过产生由蛋白聚糖4（Prg4）基因编码的润滑蛋白对关节润滑性具有特殊作用。Prg4敲除（KO）小鼠在2个月时表现出不规则的表面，随后表现出非炎性增生性滑膜。关节软骨的较深区域（DZ）由软骨细胞和细胞外基质组成7。软骨细胞通过产生软骨基质蛋白如II型胶原α1（Col2a1）和蛋白聚糖（包括Aggrecan（Acan））来维持细胞外基质和软骨稳态的平衡。Col2a2的转录由性别决定区Y-box 9（Sox9）通过内含子1中的Sox9共有位点强烈诱导。值得注意的是，显示SOX9过度表达可减轻实验性OA的进展。
与这些合成代谢因子相反，基质金属蛋白酶13（Mmp13）通过Col2a115,16,17,18,19的降解在软骨退化和OA发育中起着重要作用。Mmp13在正常和早期退行性软骨中表达较低，但在晚期OA标本中表达强烈上调。在炎症条件下，软骨细胞中观察到Mmp13蛋白增加，先前的研究揭示了Mmp13表达上游的多种转录因子，包括活化B细胞的核因子κB轻链增强子（NF-κB）相关因子、缺氧诱导因子2α（HIF-2α）和Runt相关转录因子2（Runx2）。
Runx家族（Runx1/Runx2/Runx3）通过DNA识别共识基序TG（T/C）GGT25,在软骨和骨的发育和稳态中起着核心作用，在Runx2杂合子敲除小鼠中，OA发育显著减少，MMP13表达降低。在他莫昔芬诱导的软骨细胞特异性Runx2敲除小鼠体内观察到类似的结果，其中软骨中Runx2的mRNA水平降低了约一半32。此外，软骨细胞特异性Runx2过度表达导致创伤后OA进展。这些体内数据和其他实验结果一致表明Runx2在关节软骨中的分解代谢作用。先前的研究也表明Runx在骨骼发育中的作用。Runx2纯合子敲除胚胎显示出软骨内骨化的显著损害。Runx2被认为是软骨内骨骨化、软骨细胞肥大分化和成骨细胞生成的后期不可或缺的。然而，Kimura等人显示，Runx1和Runx2协同诱导Sox5和Sox6，导致骨骼生长过程中的Col2a1诱导。Liao等人报道，骨骼生长期间Runx2的软骨细胞特异性敲除导致颞下颌关节中Col2a2和Mmp13的表达降低。然而，成人关节软骨中尚未显示Runx2在软骨细胞中的这些合成代谢作用。
与Runx2效应的复杂性相反，先前的研究一致表明Runx1具有软骨生成作用。Runx1增强软骨基质的生成，而Runx1缺乏则加速OA的进展，体内实验尚未显示Runx3在关节软骨中的作用。综上所述，我们假设Runx2和Runx3可能在成人关节软骨的维护中发挥重要作用。
在本研究中，我们使用条件敲除小鼠检测了Runx2和Runx3在OA发育中的作用。我们在Col2a1-CreERT2和Prg4-CreERT22小鼠中采用了两种炎症反应深度参与的手术OA模型，以及一种表现出更自然疾病进展的衰老模型。我们使用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和RNA测序（RNA-seq）进一步分析了Runx2和Runx3调节关节软骨细胞的机制。我们发现，Runx3通过诱导细胞外基质有助于维持关节软骨，而Runx2在炎症条件下以双相方式发挥分解代谢和合成代谢作用。