向正宗，陈剑锋

(三峡大学人民医院骨科 宜昌市第一人民医院骨科湖北 宜昌 443002)

Hedgehog信号通路在骨性关节炎中的研究进展

向正宗，陈剑锋

(三峡大学人民医院骨科 宜昌市第一人民医院骨科湖北 宜昌 443002)

近来研究表明，骨性关节炎(OA)关节软骨中印度刺猬蛋白(Ihh)表达上调，而这种上调与OA的进展，软骨细胞的形态变化密切相关。小鼠的遗传研究进一步表明，在软骨细胞有条件缺失Ihh信号可以延缓OA的进展，表明阻断Ihh信号用来作为OA潜在治疗方法的可能，以防止软骨变性。因此，基于Hh在软骨内成骨和骨关节炎的发生发展中发挥的重要作用，本文就Hedgehog信号通路在OA软骨细胞中的作用以及作为潜在治疗靶点的研究作一综述。

Hedgehog信号通路；骨性关节炎；软骨细胞

骨性关节炎(osteoarthritis，OA)是一种以关节软骨变性为主并伴有关节疼痛、肿胀、畸形及活动障碍的慢性退行性关节病，病变组织包括滑膜、软骨、软骨下骨，同时这些组织的病变具有一定的内在关联。在骨性关节炎的发病机制中，信号通路一直是一个研究热点。近年来研究发现Hedgehog信号通路扮演重要角色，因此本文就Hedgehog信号通路在骨性关节炎中的研究做一综述。

1 Hh信号通路概述

Hedgehog(Hh)刺猬基因，在研究果蝇基因突变时首次作为胚胎节极性基因被发现。之后在小鼠基因组中确定了哺乳动物的三个Hh基因，音速刺猬(Shh)，沙漠刺猬(Dhh)以及印度刺猬(Ihh)。Ihh主要由前肥大软骨细胞产生和分泌，并调节生长板软骨发育过程，Shh参与胚胎肢芽不对称性发育和中枢神经系统的发育过程;Dhh是生殖系统和外周神经系统发育过程中重要的调控因子。

研究发现Ihh和Shh可促进软骨前体细胞分化，Ihh主要在软骨细胞表达。在软骨内骨生长中，Ihh主要由前肥大软骨细胞产生和分泌，并且调节软骨细胞肥大分化，这表明Hh在软骨细胞分化中的关键作用。Ihh蛋白与Shh具有相似的活性，通过调节保守的目标蛋白Ptch1和Gli介导骨骼的发育[1]。Ptch1和Smo两种信号通路跨膜受体对Ihh的信号作出反应：当Ihh信号不存在时，Ptch1抑制Smo，并通过抑制状态的Gli锌指转录因子(Gli1，2，3)阻遏下游基因的表达[2-3]；当Ihh存在时，Ihh结合Ptch1并释放Smo，从而激活Hh信号通路，并允许活化的Gli转录因子进入细胞核，提高下游蛋白的转录水平[4]。Gli1作为主要转录因子，以增加Gli1水平来激活Hh信号通路[5]。Gli2和Gli3既可以作为转录因子，也可作为抑制因子[6]。在生长板软骨细胞，Ihh蛋白可以通过激活Gli，诱导转录因子Runx2的表达，导致软骨细胞肥大[7]。PTHrP是软骨内成骨的另一个重要调节器。除了PTHrP独立的信号通路外，在小鼠骨生长过程中，Ihh可通过PTH/PTHrP受体介导鼠软骨细胞分化[8]。免疫组织化学研究表明，Ihh/PTHrP的相互作用在人的软骨内骨化作用也是一样的，体内研究表明，Ihh信号耦合到软骨内成骨骨生长，并通过调节软骨肥大分化的位点，确定骨领部位的形成[9]。

除此之外，研究发现多种因子可以调控Hh信号转导通路，进而调节软骨细胞的生理活动。转录激活因子-4(Atf4)作为Ihh一个新的转录激活因子，直接结合并激活Ihh启动序列，从而通过控制生长板软骨细胞的增殖和分化控制骨的生长[10]；Kif7可以通过Sufu途径促进转录因子Gli的活性，同时也可以通过非依赖Sufu途径抑制转录因子Gli的活性[11]。

2 Hh信号通路与OA的关系

OA是关节炎最常见的类型之一，它的特征是关节软骨退变，导致关节疼痛，僵硬和流动性损失。当机械应力引起的损伤超过自我修复的能力，受影响的关节退化开始发生，而这种磨损和撕裂过程被认为是OA的主要原因[12]。在骨性关节炎的发展中，关节软骨细胞重塑类似于软骨内骨化软骨细胞发生分化的过程：软骨细胞肥大，终末分化，骨化，最后细胞凋亡。

观察发现，出生后的小鼠敲减软骨细胞Ihh信号会导致生长板闭合，骨小梁损失和骨骼生长的缺陷[13]，进一步研究证实Ihh可以依赖PTHrP或者非PTHrP途径影响软骨内成骨形成过程[14]，这表明Ihh对出生后动物骨骼生长仍然起着关键作用。成人股骨骨折愈合期间Ihh信号通路相关蛋白表达上调，体外观察发现Ihh激活能够促进骨折修复[15]，也证实了这一点。虽然Ihh在胚胎和肢体软骨内骨形成以及出生后骨形成起着关键的作用，但在小鼠生理条件下其表达随着年龄增长开始减少[16]。在人类的研究中，Ihh在健康成人的软骨中几乎检测不到，但软骨损伤早期表达会增加[17]。TGF-βII型受体显性负突变体的转基因小鼠表现出Ihh的表达升高，软骨细胞肥大增加和症状类似人类OA的发展[18]。在转基因小鼠中，升高的Ihh诱导软骨损伤，导致关节软骨衬里变薄和蛋白多糖(PG)降低；与此相反，降低Ihh的活性具有软骨保护效应[19]。这些结果都暗示了Ihh信号在软骨退化中可能的作用。

在早期人关节软骨损伤中，Ihh，金属蛋白酶，II型胶原酶等软骨细胞肥大和软骨退化相关的基因表达上调[20]，这表明Ihh信号介导的软骨细胞肥大分化与OA早期软骨退化具有关联。最近研究报告，Ihh在人OA关节软骨和滑液表达上调，并且与骨关节炎进展高度相关[21]，还观察到在OA中软骨细胞肥大和软骨退变的相关基因表达水平和软骨细胞的形态改变是一致的[22]。这些发现提供了强有力的证据表明Ihh在OA病理学的关键作用。在转基因小鼠中观察到高水平的Hh信号会发生更严重的OA表型，并且抑制Hh信号能够减轻关节炎引起的软骨损伤[23]。通过敲出Ihh的小鼠研究进一步提供了直接的证据，在有条件的软骨细胞缺失Ihh信号可以延缓OA进展[24]。这些结果表明，Ihh是OA进展中的关键，阻断Ihh信号可被用来作为预防和治疗OA关节软骨退变的可能。

3 Hh作为骨性关节炎潜在治疗靶点的研究

骨关节炎的发病机制是复杂的，它涉及到机械应力，遗传，外伤，以及代谢等多种病因，因此目前对其早期干预还有诸多困难。针对Hh信号通路作为OA治疗靶点的研究中发现，多种小分子化合物如环靶明能够显著阻断Hh信号，然而它的药物副作用仍然是一大难题。研究表明Ihh和初级纤毛都具有生物力学信号传导功能[25]，细胞初级纤毛对Hh信号传导具有重要作用，初级纤毛对维持关节软骨正常形态必不可少[26]，并且Ift88缺失导致的关节炎症状是由Gli3介导的[27]。研究发现[28]，LiCl对牛关节软骨细胞Hedgehog信号起到了抑制作用，使得Gli1和Ptch1的表达分别减少71%和55%，相反初级纤毛的长度增加了97%，同时在体外人软骨细胞和Wistar大鼠体内施用后出现类似的效果。这在一定程度上说明初级纤毛的改变与Hedgehog信号的关系，同时作者提出针对初级纤毛的靶向药物对OA具有益处。细胞内胆固醇的积累会导致骨关节炎的程度加重，最新研究发现，通过敲出小鼠体内胆固醇平衡的主要负性调节元件Insig1和Insig2，胆固醇在软骨细胞内积累；同时更高转录水平的Gli会导致细胞内胆固醇积累加重，他们认为Hedgehog信号调节软骨细胞内胆固醇平衡，减少Hedgehog信号能够逆转胆固醇的积累，并且他汀类药物减轻软骨退变具有治疗意义[29]。除此之外，在人类OA受损的关节软骨组织中miR-602和miR-608表达呈低水平，而Shh呈高水平，激活的Shh信号诱导MMP-13表达，体外实验证明miR-602和miR-608结合的靶位点存在于Shh mRNA的编码区，并抑制其表达，提示miR-608和miR-602对Hh的调控可能成为治疗OA的新策略[30]。

4 展 望

综上所述，Hh信号通路的活化与OA的发生发展密切相关，关节液中Ihh可能是预测OA进程的早期标志物，同时也可能是治疗OA的潜在靶点。目前对于OA的治疗仅限于通过减轻疼痛和炎症来改善关节功能，延迟关节置换的时间，然而并不能阻止OA关节软骨的退化。通过进一步明确Hh信号通路在OA发病机制中的作用，能够为临床提供安全有效的方法，来阻止关节软骨的退化，从而达到预防和早期治疗骨性关节炎的目的。

[1]Ganss B,Jheon A.Zinc finger transcription factors in skeletal development[J].Critical Reviews in Oral Biology&Medicine,2004,15 (5):282-297.

[2]Wuelling M,Vortkamp A.Transcriptional networks controlling chondrocyte proliferation and differentiation during endochondral ossification[J].Pediatric Nephrology,2010,25(4):625-631.

[3]Mackie E J,Tatarczuch L,Mirams M.The skeleton:a multi-functional complex organ:the growth plate chondrocyte and endochondral ossification[J].The Journal of Endocrinology,2011,211(2):109-121.

[4]Lo WW,Wunder JS,Dickson BC,et al.Involvement and targeted intervention of dysregulated Hedgehog signaling in osteosarcoma[J]. Cancer,2014,120(4):537-547.

[5] Yoshida M,Hata K,Takashima R,et al.The transcription factor Foxc1 is necessary for Ihh-Gli2-regulated endochondral ossification[J].Nature Communications,2015,26(6):6653(2015).

[6]Kesper DA,Didt-Koziel L,Vortkamp A.Gli2 activator function in preosteoblasts is sufficient to mediate Ihh-dependent osteoblast differentiation,whereas the repressor function of Gli2 is dispensable for endochondral ossification[J].Developmental Dynamics,2010,239 (6):1818-1826.

[7]Kim EJ,Cho SW,Shin JO,et al.Ihh and Runx2/Runx3 signaling interact to coordinate early chondrogenesis:a mouse model[J].PLoS One,2013,8(2):e55296.

[8]Kronenberg HM.PTHrP and skeletal development[J].Annals of the New YorkAcademy of Sciences,2006,1068:1-13.

[9]Maeda Y,Schipani E,Densmore MJ,et al.Partial rescue of postnatal growth plate abnormalities in Ihh mutants by expression of a constitutively active PTH/PTHrP receptor[J].Bone,2010,46(2):472-478.

[10]Wang W,Lian N,Li L,et al.Atf4 regulates chondrocyte proliferation and differentiation during endochondral ossification by activating Ihh transcription[J].Development,2009,136(24):4143-4153.

[11]Hsu SH,Zhang X,Yu C,et al.Kif7 promotes hedgehog signaling in growth plate chondrocytes by restricting the inhibitory function of Sufu[J].Development,2011,138(17):3791-3801.

[12]Brandt KD,Dieppe P,Radin E.Etiopathogenesis of osteoarthritis[J]. The Medical Clinics of NorthAmerica,2009,93(1):1-24.

[13]Maeda Y,Nakamura E,Nguyen MT,et al.Indian Hedgehog produced by postnatal chondrocytes is essential for maintaining a growth plate and trabecular bone[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2007,104 (15):6382-6387.

[14]Maeda Y,Schipani E,Densmore MJ,et al.Partial rescue of postnatal growth plate abnormalities in Ihh mutants by expression of a constitutively active PTH/PTHrP receptor[J].Bone,2010,46(2):472-478.

[15]Baht GS,Silkstone D,Nadesan P,et al.Activation of hedgehog signaling during fracture repair enhances osteoblastic-dependent matrix formation [J].Journal of Orthopaedic Research,2014,32(4): 581-586.

[16]Rigueur D,Brugger S,Anbarchian T,et al.The type I BMP receptor ACVR1/ALK2 is required for chondrogenesis during development [J].Journal of Bone and Mineral Research,2015,30(4):733-741.

[17]Thompson CL,Patel R,Kelly TA,et al.Hedgehog signalling does not stimulate cartilage catabolism and is inhibited by Interleukin-1beta[J].Arthritis Research&Therapy,2015,17(1):1-9.

[18]van der Kraan PM,Goumans MJ,Blaney DE,et al.Age-dependent alteration of TGF-beta signalling in osteoarthritis[J].Cell and Tissue Research,2012,347(1):257-265.

[19]Mak KK,Kronenberg HM,Chuang PT,et al.Indian hedgehog signals independently of PTHrP to promote chondrocyte hypertrophy [J].Development,2008,135(11):1947-1956.

[20]Zhang R,Fang H,Chen Y,et al.Gene expression analyses of subchondral bone in early experimental osteoarthritis by microarray[J]. PLoS One,2012,7(2):e32356.

[21]Zhang C,Wei X,Chen C,et al.Indian hedgehog in synovial fluid is a novel marker for early cartilage lesions in human knee joint[J].International Journal of Molecular Sciences,2014,15(5):7250-7265.

[22]Wei F,Zhou J,Wei X,et al.Activation of Indian hedgehog promotes chondrocyte hypertrophy and upregulation of MMP-13 in human osteoarthritic cartilage[J].Osteoarthritis and Cartilage,2012,20(7): 755-763.

[23]Lin AC,Seeto BL,Bartoszko JM,et al.Modulating hedgehog signaling can attenuate the severity of osteoarthritis[J].Nature Medicine, 2009,15(12):1421-1425.

[24]Zhou J,Chen Q,Lanske B,et al.Disrupting the Indian hedgehog signaling pathway in vivo attenuates surgically induced osteoarthritis progression in Col2a1-CreERT2;Ihhfl/fl mice[J].Arthritis Research &Therapy,2014,16(1):R11.

[25]Peluso MO,Campbell VT,Harari JA,et al.Impact of the Smoothened inhibitor,IPI-926,on smoothened ciliary localization and Hedgehog pathway activity[J].PLoS One,2014,9(3):e90534.

[26]Shao YY,Wang L,Welter JF,et al.Primary cilia modulate Ihh signal transduction in response to hydrostatic loading of growth plate chondrocytes[J].Bone,2012,50(1):79-84.

[27]Chang CF,Ramaswamy G,Serra R.Depletion of primary cilia in articular chondrocytes results in reduced Gli3 repressor to activator ratio,increased Hedgehog signaling,and symptoms of early osteoarthritis[J].Osteoarthritis and Cartilage,2012,20(2):152-161.

[28]Thompson CL,Wiles A,Poole CA,et al.Lithium chloride modulates chondrocyte primary cilia and inhibits Hedgehog signaling[J]. FASEB J,2016,30(2):716-726

[29]Ali SA,Al-Jazrawe M,Ma H,et al.Regulation of Cholesterol Homeostasis by Hedgehog Signaling in Osteoarthritic Cartilage[J].Arthritis Rheumatol,2016,68(1):127-137.

[30]Akhtar N,Makki MS,Haqqi TM.MicroRNA-602 and microRNA-608 regulate sonic hedgehog expression via target sites in the coding region in human chondrocytes[J].Arthritis&Rheumatology, 2015,67(2):423-434.

Progress of the Hedgehog signaling pathway in osteoarthritis.

XIANG Zheng-zong,CHEN jian-feng.Department of Orthopedics,Renming Hospital to China Three Gorges University(the First People's Hospital of Yichang),Yichang 443000, Hubei,CHINA

Recent studies have shown that Ihh is upregulated in osteoarthritis cartilage,and this increases is closely related with the progression of OA,changes of chondrocytes morphological.Genetic studies in mice showed that further progress in chondrocytes conditional deletion Ihh signal could delay the progression of OA,which indicates that blocking the Ihh signal may be used as a potential treatment of OA and to prevent the degeneration of cartilage.Therefore,based on the important role of Hh,we reviewed the role of the Hedgehog signaling pathway in OA chondrocytes and research about potential therapeutic targets for OA.

Hedgehog signaling pathway;Osteoarthritis;Chondrocytes

R684.3

A

1003—6350（2016）23—3887—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.23.033

2016-03-21)

陈剑锋。E-mail：tongjicjf@126.com