骨关节炎的分子生物学研究进展
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[关键词] 骨关节炎;基因;细胞因子;遗传性
骨关节炎(osteoarthritis，OA)是老年人的常见病，是活动关节的一种慢性、进行性疾病，以关节软骨基质崩解、减少、骨赘形成、滑膜无菌性炎症为特征。其病变涉及整个滑液关节，包括软骨、滑膜和软骨下骨。其病因及发病机制尚未完全明确。一般认为是生物力学、机体衰老、免疫反应、遗传学改变等因素引起的关节退行性疾病。随着分子生物学的发展，越来越多的证据表明遗传物质的改变，基因的多形性等与OA有较大关系。
1 OA的遗传性
流行病学研究发现不同的人种OA发病率及OA易发关节均有显著差异。65岁以前白种人与黑种人OA发病相似，65岁以后白种人发病比黑种人高。白种人的髋、膝OA明显高于黄种人，黄种人的颈椎关节病比白种人高。
一部分OA有家族聚集性，这种OA称为原发性、全身性OA(general OA，GOA)，其基因因素作用60年前已有报道。GOA的先天因素常与HLA.A1、HLA.B8的上升有关。家系研究显示，家族中姐妹有Heberden's结节(结节性OA)者在远处、外周指间关节、手的腕掌关节发生结节性OA比普通人群高3倍，在50岁后始发 [1-2] 。OA患者的同卵孪生者中OA发病率比异卵孪生者中高 [3] 。OA患者的一代亲(父母、兄弟、姐妹、子女)中OA患病率也明显高于普通人群 [2] 。这些均强烈提示该病的基因影响及分子生物学机制。
全身性OA、手OA、膝OA、髋OA、创伤性及术后OA机制有所不同，其遗传性也不一致，有高有低。以全身性OA遗传性最高。女性手、髋OA的遗传性比男性高。多数研究认为膝、手、脊柱OA有很强的基因因 素参与，但也有数个实验认为膝OA的遗传性不够高， 存在相互矛盾的结果，可能是因为OA家系研究难度大，研究的病例数不够多，各研究小组对病例的选择及研究方法不同之故。
2 OA候选基因的研究
国外科学家们首先将OA候选基因限定于骨软骨萎缩变异基因及那些编码蛋白质，调节骨质密度的基因。前者引起的骨软骨萎缩为单基因病，常伴有继发性OA，如编码Ⅱ型前胶原，Ⅸ型、Ⅺ型胶原的基因。后者以维生素D(VitD)受体基因为代表。这些基因发生突变或其多形性与OA的发生及OA严重程度密切相关。
编码Ⅱ型胶原的COL2A1基因有40～50种不同的变异。COL2A1的R75C突变(精氨酸75被替换为半胱氨酸)导致脊柱骨骺发育不良及早发性OA，伴轻度身材矮小，掌骨缩短。R789C突变导致脊柱骨骺发育不良。Mier等研究发现编码Ⅱ型胶原的COL2A1基因的单个碱基突变导致精氨酸519被替换为半胱氨酸，即Ⅱ型胶原COL2A1的R519C突变，导致早发性OA，伴轻度脊柱软骨发育不良，不伴明显的身材矮小。该突变为常染色体显性遗传。有该突变的成年人常因早发性OA而于早年行关节成形术 [4] 。
基因突变研究发现编码Ⅸ型胶原(CⅨ)的基因CⅨ基因突变的转基因鼠胚胎发育正常，但出生后软骨即有降解性变化。另外，CⅨ基因突变引起多骨骺发育不良 [5] 。CⅨ基因突变患者出现膝关节僵硬、疼痛、身材矮小、手短小等症状，主诉也提示CⅨ基因突变为OA发病的基因高危因素。CⅨ由α1、α2、α33条链组成，其编码基因分别以COL9A1、COL9A2、COL9A3表示，3种CⅨ链的基因克隆均已分离出。研究发现CⅨA1等位基因灭活或是COL2区域框架部分缺失均可导致鼠关节软骨压迫性僵硬，实验鼠出现关节软骨退行性变，与人OA中的病理改变相似。Muragaki等证实COL9A2突变可以引起CⅨα2胶原链中COL3区域第12位氨基酸残基的缺损。COL9A2基因内含子3的5末端突变，引起原发性CⅨα2RNA转录过程中外显子3的略过。出现该突变的个体有膝关节疼痛僵硬，步态僵直，在儿童期或青少年期即出现膝关节OA，膝关节骨骺扁平，不规则，但脊柱、肩、髋关节不受累。
VitD受体基因(VDR基因)的多形性使OA的相对危险性增加2.27倍，伴膝OA及脊椎骨赘形成。具有VDR TT等位基因的个体与相反的tt基因型比较，其脊柱骨赘病及椎间盘狭窄的危险性下降50%～60% [6-7] 。虽然研究发现许多基因包括VDR基因的多形性与OA的发生相关，但要证实该相关性难度很大，许多实验均不能证实(结果阴性或无结论)。候选基因研究的失败，使人们更广泛地进行染色体谱的相关扫描研究。
3 OA滑膜细胞的染色体研究
关节疾病的遗传学研究发现，关节疾病的共同特征是其滑膜细胞中出现额外的染色体7，即7号染色体并非正常的二倍体结构而呈三倍体。Dahlen等用原位莹光杂交(FISH)法及染色体7着丝点探针研究了OA、色素性绒毛结节性滑膜炎(PVNS)、血色性滑膜炎(HS)、慢性滑膜炎(CS)及无关节病者石蜡包埋滑膜切片上，染色体7呈三倍体的细胞(即三倍体7细胞)的频率及分布，发现5μm切片上三倍体核频率最高的是PVNS(9.0%)，接着是CS(5.9%)、OA(5.6%)、HS(4.6%)，而正常组织三倍体核极少(0.7%)。在8μm切片上，OA及正常滑膜的三倍体7细胞分别升致6.7%及1.5%
[8] 。Sciot等进行短期培养细胞的基因研究发现OA及PVNS的滑膜细胞获得一份或多份额外的染色体7是很常见的现象，在95%的OA、25%的PVNS存在该种缺陷。在细胞培养前，OA病人滑膜细胞的上清液中即可检出三倍体7细胞，随着培养时间的延长，三倍体7细胞增加，一些病例超过80%。相同的滑膜样本，不同的三倍体7细胞培养显示不同的X染色体灭活。三倍体7细胞在体情况下也存在，但离体情况下有增殖优势，其为多细胞来源。在许多OA病例中，三倍体7细胞离体多于在体。高频率的三倍体7细胞与滑膜病理性增生有关 [9] 。Eklund等研究也发现风湿性关节炎(rheumatoid arthritis，RA)、OA中均 出现带三倍体7的滑膜细胞，三倍体7滑膜细胞出现 频率增加可导致其染色体7上细胞因子白介素(IL)6、血小板衍生生长因子PDGF.AA基因表达明显增强，从而引起IL.6、PDGF.AA分泌增加。IL.6分泌增加可使OA滑膜细胞培养液中杂质Versican含量增加，而Ver-sican等杂质是促使OA、RA软骨降解的物质 [10] 。但Versican基因并不在染色体7上，而在染色体5上。由于细胞因子对基因表达有调节作用，故推测三倍体7滑膜细胞分泌IL.6增多，增多的IL.6可能通过调节染色体5上杂质Versican的基因表达，使Versican含量增加，继而促进RA、OA的软骨基质降解。
4 染色体区域的OA相关性研究
为了明确OA的复合病因以及评估疾病、预测环境中的高危因素，近些年进行了多个染色体扫描研究以确定OA的基因位点，预测个体是否易患OA。最有前景的方法是用至少一对兄弟姐妹对的大量家系单核苷多形基因标志进行全身染色体筛选。OA的染色体筛选及相关分析研究获得了相对大的染色体区域与OA相关的提示性证据，但需进一步扩大研究，证实两者间的相关性并进一步确定其中的基因与OA易感性的关系。许多染色体均含有OA易感基因。与手OA相关的染色体区域是2q4q7p11q1p791319和X染色体 [11-14] ，与髋OA相关的染色体区域是6q4q2q16p11q [15-19] ，从中可以看出手OA与髋OA的染色体相关区域部分重叠。
对OA易感性的候选区域进一步研究发现，2q13.q32及2q12.q14与手指关节的OA相关 [15] 。2q14.q31与髋OA相关 [14，18] ，该区域与手OA的相关位点部分重。而2q12.q14区域含有IL.1基因簇，包括编码IL.1aIL.B的基因，与编码IL.1受体(IL.1R1、L.1R2)的基因位置接近(IL.1R1、IL.1R2是RA的候选基因)。Chapman等行基因扫描研究预测OA的易感位点时发现11q12.q13基因区域与手指(包括拇指)OA有相关性，与上述结果 [19] 一致。该区域含有低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LDL receptor-related protein5，LRP5)基因，它调节骨质密度。假性神经胶质瘤中该基因变异导致骨质密度过高或骨质疏松综合征。OA疾病也常有关节软骨的骨质密度增加及软骨下骨质增生。故有必要进一步研究分析LRP5基因位点，明确LRP5基因在OA易感性方面的作用。 5 OA的细胞因子基因研究 某些细胞因子基因的多形性与OA有关。数个细胞因子基因，多形性位于促进子区域，常常是单个核苷酸的多形性(SNPS)或微卫星多形性。许多细胞因子基因多形性在已知的或纯化的调节性区域。这些变化对转录有明显效应，因为它改变基因促进子中的转录因子结合位点结构、促进子结构、内含子中沉寂子的结构或是更偏远的调节部位的结构，最后改变构型转录因子核基质内的结合位点，该位点调节促进子的几何结构。
目前研究较多的是白介素1β(IL.1β)及转化生长因子β1(TGFβ1)基因型与OA的相关性。 数个研究提示手、膝OA与人染色体2q上的IL.1基因区域明显相关。IL.1是导致OA滑膜炎症，加重OA软骨退行性变的主要细胞因子之一。Stern等研究了美国白种人中手OA与编码IL.1β的基因单个核苷酸多形性的关系，发现侵蚀性手OA与IL1B(编码IL.1β)5810AA基因型有明显相关性 [20-21] 。
TGFβ1在骨质修复及骨质形成中起重要作用，也是影响OA的主要细胞因子之一。编码TGFβ1信号序列的基因区域核苷酸869的胸腺嘧啶转变为胞嘧啶(T→C转变)，导致TGFβ1氨基酸10位置亮氨酸→脯氨酸(Leu→Pro)的替换。Leu→Pro的多形性与脊柱OA基因易感性相关。不同的TGFβ1基因型，决定其不同的血清浓度。在正常人、骨质疏松(OP)、脊柱OA患者中，TGFβ1的血清浓度按下列基因型逐渐上升，为TT
6 其他基因研究
肥胖基因、雌激素受体基因、抗衰老的Klotho基因、性染色体X上sedlin基因与OA易感性的关系研究也已经展开，但它们与OA易感性的确切关系尚未得到证实。
综上所述，OA为多基因疾病，而非单基因病。单基因病，一个主要基因变异即可引起疾病发生。OA作为多基因病则不然，而是多个基因中每一对等位基因均可轻度增加OA的危险性，累积到一定程度引起OA发生。通过对OA分子生物学机制的进一步了解，将为疾病的预测及治疗奠定基础。
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(上海交通大学附属第六人民医院临床药学研究室，上海 200233)
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