Hedgehog信号对骨髓间充质干细胞成软骨细胞分化的调控

Hedgehog信号对骨髓间充质干细胞成软骨细胞分化的调控

软骨内成骨是骨髓间充质干细胞主要成骨方式，其主要通过软骨的形成与退化、骨组织逐渐替代软骨组织等方式成骨。而Hh信号转导通路的异常激活与多种骨关节软骨慢性退行性疾病相关。骨髓间充质干细胞成软骨分化虽然各信号通路都可以单独起作用，但是其是一个复杂的过程，共同发挥调控作用更为重要，本文主要对Hh信号对骨髓间充质干细胞成软骨细胞分化的调控进行了分析。

Hedgehog（Hh）基因编码的蛋白质前体金疯子内裂解、脂质化等形成含有N末端和C末端的多聚体，包括Sonic hedgehog、Indian hedgehog、Desert hedgehog 三种同源基因，其中N末端具有传递信号的功能。在细胞膜上，Hh信号转导通路的手提为Smoothened和Patched，其中前者是信号通路激活所必需的受体之一，为特殊的7次跨膜蛋白；后者对信号通路起负性调节作用，为12次跨膜蛋白。Hh配体形成后可作用于相应细胞膜受体。如果没有配体存在，前者转录激活因子Gli蛋白，通过结合后者来抑制其活性，并与微管结合蛋白形成复合体并附着在微管上无法进入细胞核，最终Gli被蛋白酶分解，逐渐被蛋白激酶A磷酸化。分解的产物可抑制细胞核中Hh靶基因的转录，是一种转录抑制因子。当存在编码Hh配体，Hh解除其对Smo的抑制，配体会与Ptc受体结合，释放的Smo与Cos2、Fu结合形成复合物，从而抑制Gli的分解，抑制PKA活性，能够激活相应的Hh靶基因，使完整的Gli进入细胞核。

一、Hedgehog信号与骨髓间充质干细胞成软骨组织分化和发育

1.Indian hedgehog（Ihh）调控软骨细胞分化

根据相关研究发现，软骨细胞肥大化是软骨内骨化过程中的关键步骤，Ihh 在BMSC增殖和成软骨分化过程中，具有调控作用，通过甲状旁腺激素相关蛋白途径，能够调节软骨细胞分化，通过与PTHrP形成负反馈轴来影响软骨分化，PTHrP再作用于效应细胞膜受体甲状旁腺激素受体，从而使其保持增殖状态，抑制局部区域内软骨细胞持续肥大。并且，为了使BMSC向成软骨细胞分化，通过PKA途径负向调控Ihh表达，抑制其肥大老化。软骨细胞在PTHrP合成降到一定水平时，会停止增生并肥大化。缺乏Ihh时，会进一步促进软骨细胞肥大老化。根据相关研究发现，Ihh还进一步参与了滑膜关节软骨的形成及维持。但是在含PTHrP-/-个体的软骨组织中，当Hh特异性抑制剂环靶明存在时，可以延迟软骨细胞肥大。由此可见，Ihh其具体调控机制尚未阐明，可能不依赖PTHrP途径来促进软骨细胞肥大。在软骨内成骨不同时期中，Ihh通过不同途径来维持骨稳定生长，调控软骨细胞的分化发育。

2.Sonic hedgehog（Shh）调控软骨细胞分化

在调节软骨细胞分化过程中，Shh能够促进胚胎时期肌体和脊髓中的BMSC 向软骨细胞分化，发挥着与Ihh不同的作用。根据相关研究发现，通过骨形态，前体节中胚层Shh发生蛋白信号转导通路，能够调控软骨细胞分化与增值，使

Nkx3.2和Sox9形成自调节回路，并且对分化晚期有特异性作用。同时Shh可以使软骨细胞特异性胞外基质II型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖合成增加。研究发现，通过上调Shh信号，苍术内脂III激活转录因子Glil入核，能够维持骨表型，促进软骨分化。

3.Hedgehog信号与其他转导通路串话调控软骨细胞分化

根据相关研究发现，在与其他信号转导通路之间，Hh信号转导通路存在着广泛的串话，如：在转化生长因子Wnt/β-catenin和-β、BMP等信号转导通路，Hh信号转导通路存在上游调控BMSC成软骨分化。Ihh与Runx基因在早起软骨细胞行程中关系密切，上调的Glil蛋白能够协同促进BMSC向成软骨细胞分化，能够激活Runx2和Runx3表达。另外，通过与Ihh相互影响，多种软骨细胞肥大和终末分化调节因子可以发挥作用，如：维生素D3和纤维母细胞生长因子受体-3等。为了维持软骨细胞表型和胞外基质分泌，Shh可诱导Nkx3.2来调控Runx 的表达。由此可见，个新号通路虽然可单独起作用，但是BMSC成软骨分化是一个复杂的过程，通过串话共同发挥调控作用。

二、Hedgehog信号与骨髓间充质干细胞成软骨退变

软骨退变的实质是软骨细胞的异常分化，其与多种慢性骨关节疾病密切相关，如：类风湿关节炎、骨关节炎等等，经过细胞肥大、终末分化、矿化、凋亡的过程，与软骨内成骨过程中的软骨细胞分化阶段类似。正常软骨细胞主要分泌II型胶原蛋白和AGC，当软骨细胞发生退变时，各种蛋白促进了软骨钙化，如：特异性分泌X型胶原蛋白、蛋白聚糖酶等。胚胎发育成熟后，当机体处于病理状态，进入沉默状态的Hh信号转导通路会再次被激活。Wei等研究发现，在OA 的软骨和关节液中，Ihh增高程度与软骨细胞肥大相关基因MMP-13和X型胶原蛋白表达程度呈正相关，Ihh表达明显增高，用siRNA转染和环靶明作用于软骨细胞抑制Hh信号转导通路，结果MMP-13和X型胶原蛋白表达下调。因此，Ihh 信号转导通路的激活在人OA软骨中可促进软骨细胞肥大并上调MMP-13表达，从而破坏软骨结构。在成骨细胞分化和软骨细胞成熟过程中，Runx2必不可少。根据Wang等研究发现，椎间盘退变患者的终板软骨内Hh信号转导通路明显激活，X型胶原蛋白和MMP-13表达量与软骨退变程度呈正相关吧，表达明显增高。利用siRNA转染抑制Ihh表达，可以进一步明确相关机制，II型胶原蛋白明显增加，软骨细胞内转录因子Glil、I型胶原蛋白等含量减少，而当质粒重组过表达Ihh后，结果相反。因此，在椎间盘退变终板软骨细胞内，Hh信号转导通路通过减少II型胶原蛋白和增加软骨肥大钙化标志物I型胶原蛋白等方式促进了软骨细胞退变。由此可见，在慢性骨关节疾病软骨病理形成过程中，Hh信号转导通路具有重要促进作用。

课题项目：南京医科大学康达学院科研发展基金《矿化胶原组分对骨髓间充质干细胞的成骨分化调控》，编号KD2015KYJJZD002