转谷氨酰胺酶-2与骨关节炎的严重程度

作者：句朝晖 北京积水潭医院

谷氨酰胺转胺酶2（TG2），也称为组织谷氨酰胺转酰胺酶，是一种钙依赖性酶，具有多种细胞内和细胞外底物。TG2不仅增加骨关节炎（OA）组织，而且影响OA的进展。然而，TG2在分子水平上如何影响OA软骨降解尚不清楚。手术诱导的OA导致关节软骨和生长板中TG2的增加，并且依赖于初级软骨细胞中的TGFβ。关节内注射基于肽的特异性TG2抑制剂ZDON抑制TG2酶活性，可改善手术诱导的OA的严重程度以及MMP-3和MMP-13的表达。ZDON以Runx2独立的方式减弱TGFβ和钙离子载体处理的软骨细胞中MMP-3及MMP-13表达。用ZDON抑制TG2通过减少β-连环蛋白（由泛素化依赖的蛋白酶体降解介导）抑制典型Wnt信号。此外，钙离子载体激活TG2可增强AMPK和FoxO3a的磷酸化以及FoxO3a的核移位，这是MMP-13增加的原因。总之，TG2在OA的发病机制中起着重要作用，是影响β-catenin稳定性和FoxO3a-介导的MMP-13生成的主要分解代谢介质。
骨关节炎（OA）是最常见的关节炎形式，其特征是软骨细胞外基质受损，导致透明关节软骨丢失。这种变化伴随着软骨下骨重塑和关节边缘骨赘形成。在这个过程中，软骨细胞产生的蛋白酶，尤其是基质金属蛋白酶（MMP）-13和A解整合素以及具有凝血酶原反应蛋白基序（ADAMTS）-5的金属蛋白酶在基质降解中起着重要作用，基质片段的蛋白水解生成被认为会驱动软骨细胞肥大。然而，MMPs和AMDATS产生的调节机制，以及稳定或激活这些蛋白酶的转录后修饰，尚未完全阐明。
转谷氨酰胺酶2（TG2）是谷氨酰胺γ-谷氨酰转移酶家族中一种78 kDa的钙依赖酶。在钙存在的情况下，TG2起到催化酶的作用，可以修改蛋白结合的谷氨酰胺侧链，通过转酰胺或脱酰胺导致蛋白交联。当该蛋白在细胞内与GTP结合时，TG2在构象上变得封闭，并作为G蛋白相关的信号分子发挥作用。通过其酶和信号功能，TG2具有多种生物学作用，例如促进炎症、凋亡调节、细胞分化和细胞外基质相互作用。在软骨细胞生物学中，众所周知，TG2不仅是肥大软骨细胞的标记物，也是软骨细胞成熟的诱导剂。在手术诱导的OA模型中，TG2基因敲除小鼠的软骨降解和骨赘形成较对照野生型小鼠轻。
最近，我们报道，早期OA软骨下骨重塑增强可增加关节软骨中的钙水平，这种变化与MMP-3和MMP-13的生成有关。早期OA关节软骨中钙水平的增加可影响TG2的酶活性，可能影响MMPs的生成和稳定性，从而加速软骨降解。然而，TG2在OA进展中分解代谢作用的分子机制尚不清楚。在本研究中，我们研究了抑制TG2酶活性对手术诱发OA严重程度的影响。在分子水平上，TG2稳定了β-连环蛋白，以增加Wnt信号传导，并增强FoxO3a的核转位，这是MMP-3和MMP-13产生的原因。
在本研究中，我们发现TGFβ在关节软骨中诱导的TG2加重了手术诱导的OA的严重程度，并增加了MMP-3和MMP-13的生成。TG2不仅通过β-catenin稳定增强了经典Wnt信号，而且还增强了AMPKa/FoxO3a信号。
本研究显示关节软骨细胞在OA早期特异性表达TG2。此外，TGFβ以剂量依赖的方式特异性诱导TG2。OA早期破骨细胞的激活诱导软骨下骨的主动重塑。这一过程可以释放基质衍生的耦合因子，如胰岛素样生长因子1（IGF-1）和TGFβ，软骨下骨中TGFβ的抑制可以减弱手术诱导OA19的进展。然而，TGFβ信号的关键成分的基因缺失，包括TGFβ受体II型或Smad3，会加重OA20、21的严重性。这些相互矛盾的结果可以用化学物质或阻断抗体的部分抑制与基因模型的完全抑制之间TGFβ信号阻断程度的差异来解释。这种差异还可能是由于TGFβ根据软骨细胞的分化状态，即静止、增殖和肥大的软骨细胞而发挥的不同作用。TGFβ可能天然具有合成代谢和分解代谢功能，其总体效果可能因软骨细胞的分异状态而不同。我们的研究为TGFβ通过TG2在软骨下骨中的分解代谢功能提供了可能的解释。骨性关节炎早期软骨下骨的主动重塑可以增加软骨下细胞中TGFβ和钙的水平。TGFβ可以增加邻近软骨下骨中肥大软骨细胞中TG2的表达，软骨下骨内这种富含钙的环境可能增强TG2的钙依赖酶活性。
几条证据表明，规范的NF-kB信号通路有助于OA软骨细胞中HIF-2α的上游信号通路的肥厚分化以及MMP和一氧化氮的产生。已知TG2通过非蛋白酶体和蛋白酶体降解增强IkBα的降解来构成性激活NF-kB信号通路。然而，我们的数据表明，TG2的激活或抑制未能影响原代软骨细胞中NF-kB的激活或核移位，这表明TG2介导的NF-kB信号的激活可能因细胞环境而异。
总之，主要由TGFβ诱导的TG2可以稳定β-catenin，增强典型Wnt信号传导，促进FoxO3a的核移位，这可能是MMP-13产生的原因。这些发现揭示了TG2在软骨退变中的分解代谢机制，抑制TG2活性可能是开发治疗OA疾病药物的良好策略。