端粒与骨关节炎软骨细胞衰老的研究进展_刘浪.pdf

第 39 卷第 2 期2023 年 2 月长春中医药大学学报Journal of Changchun University of Chinese MedicineVol.39 No.2Feb.2023209 DOI:10.13463/ki.cczyy.2023.02.022端粒与骨关节炎软骨细胞衰老的研究进展刘 浪1，赵 双1，张炳华1，赵长伟2*，赵文海2*（1.长春中医药大学，长春 130117；2.长春中医药大学附属医院，长春 130021）摘要：骨关节炎是以软骨退变为特征的慢性退行性疾病，软骨细胞衰老在其发展中起着重要作用，但调控软骨细胞并决定衰老的具体机制尚未完全阐明。本文通过对端粒、端粒酶的结构和生物学效应，端粒在调节软骨细胞衰老过程中的关键机制，包括以慢性炎症、氧化应激、p53、pRb 为标志的端粒缩短机制以及端粒酶活性降低所导致的端粒侵蚀，并对以SIRT6、MMP13、SA-Ga 为主的软骨细胞衰老标志物的相关分子作用机制进行阐述，以期为骨关节炎的防治提供新的理论支撑。关键词：软骨细胞衰老；端粒；骨关节炎中图分类号：R684.3 文献标志码：A 文章编号：2095-6258(2023)02-0209-08Research progress of telomere and chondrocyte senescence in osteoarthritisLIU Lang1,ZHAO Shuang1,ZHANG Binghua1,ZHAO Changwei2*,ZHAO Wenhai2*(1.Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130117,China;2.Affi liated Hospital of Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130021,China)Abstract:Osteoarthritis is a chronic degenerative disease characterized by cartilage degenerations,and chondrocyte senescence is known to play an important role in the development of osteoarthritis,but its more specifi c mechanisms on regulating chondrocytes and determining their aging have not been fully clarified.This paper reviews the structure and their biological effects of telomere and telomerase,the key roles of telomeres in regulating the chondrocyte senescence,including the telomere shortening through the expressions of chronic inflammation,oxidative stress,p53,pRb and the telomere erosion caused by decreased telomerase activities,and summarizes the molecular mechanisms of SIRT6,MMP13 and SA-Ga as the main markers of chondrocyte senescence,hoping to provide a new theoretical support for the prevention and treatment of osteoarthritis.Keywords:chondrocyte senescence;telomere;osteoarthritis基金项目：国家中医药管理局天池伤科流派工作室建设项目（第二轮建设）；吉林省发展和改革委员会产业技术研究与开 发项目（2020C033-6）作者简介：刘 浪（1993），男，博士研究生，主要从事骨疾病方面研究*通信作者：赵长伟，男，教授，主任医师，硕士研究生导师，电子信箱-zcw_ 赵文海，男，教授，主任医师，博士研究生导师，电子信箱- 细胞衰老这一概念在 1961 年被海弗利克首次发现并创造，实验发现体外培养的人类体细胞在有限的传代后停止复制1，这一发现引起了科学界相当大的兴趣，并为今后理解衰老背后的细胞和分子特征奠定了基础。细胞衰老指的是一种高度稳定的细胞周期阻滞，且所有组织类型的衰老细胞都在分子、形态和功能上表现出相似的特征2。骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种与年龄相关的慢性疾病，软骨细胞衰老是其发生的主要危险因素之一3，然而，调控软骨细胞决定衰老的因素仍有待完全阐明。目前的证据表明，细胞衰老与端粒 DNA 的结构变化有关，且衰老过程中细胞也会经综述第 39 卷第 2 期2023 年 2 月长春中医药大学学报Journal of Changchun University of Chinese MedicineVol.39 No.2Feb.2023210历独特的表型改变，其中一个突出的分子现象是衰老细胞中端粒的逐渐缩短4，这表明端粒损耗除了是决定细胞预期寿命的一个潜在因素外，也是衰老的标志5。因此，越来越多的学者开始关注端粒在软骨细胞衰老的调控作用。本文重点探讨了端粒缩短导致 OA 软骨细胞衰老的分子机制，并总结了一些软骨细胞衰老的主要标志物。1 端粒的结构和生物学效应 “端粒”一词来自希腊语，意思是“部分的结束”。穆勒6在 1938 年对果蝇的研究中首次发现端粒的结构，且自端粒发现以来，对它的研究一直未曾间断。端粒是定位于真核生物染色体末端的 DNA-蛋白质结构，人类的端粒主要由 TTAGGG 的双链重复序列组成，可以保护染色体末端，对维持生物基因组的稳定性至关重要7-8。哺乳动物的端粒是特殊的核蛋白结构，由端粒DNA 重复序列和结合蛋白组成，不编码任何基因产物9。端粒的二级结构中有富含 G 的 DNA 重复序列和相关蛋白10，其中在端粒 3 端有一个由 G 链悬垂末端形成的单链序列，这个 G 链悬垂折叠形成一个 T 环（T-loop），随后侵入 5 端 DNA 双链，形成D 环（D-loop）11-12，通过这种结构能有效地隐藏端粒的尾部，保护染色体末端不被 DNA 损伤修复机制识别为DNA双链断裂，避免了染色体融合的发生7。G 链端粒 DNA 重复序列也可以折叠成稳定的二级结构即 G-四聚体结构（G-quadruplex）13，该结构由多个鸟嘌呤碱基对连接在一起，可以导致复制的延迟和基因组的失稳14。端粒的另一个大分子成分是长链非编码 RNA 即 TERRA（telomeric repeat-containing RNA，TERRA）15，TERRA 可 以 由 G-四聚体转录形成，来源于靠近染色体末端的区域，部分由串联的 UUAGGG 重复序列组成，在维持端粒完整性方面发挥着重要作用。Shelterin 蛋白复合体是结合蛋白的核心成分，由 6 个端粒蛋白组成，包括端粒重复结合因子 1 和 2（telomere repeat binding factor 1 and 2，TRF1，TRF2）、端粒保护蛋白 1（protection of telomeres 1，POT1）、POT1 结合 蛋 白 1（telomere-binding protein POT1-interacting protein 1，TPP1）、TRF1 相互作用蛋白 2（TRF1-interacting nuclear protein 2，TIN2）以及 TRF2 相互作用蛋白 1（TRF2-interacting protein 1，RAP1）16，其中任何一种缺失都可能导致端粒功能障碍和细胞衰老的发生。此外，Shelterin 蛋白复合体与端粒结构结合，在染色体末端组成一个完整的冒状结构，以维持端粒长度，调控端粒酶活性17。端粒酶是一种特殊的核糖核蛋白复合物，其催化核心由端粒酶逆转录酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）和 端 粒 酶 RNA（telomerase RNA component，TERC）组成18。端粒酶与端粒DNA 的 3 端结合，并使用其内部 TERC 作为端粒延伸的模板进行TERT催化的逆转录反应，延长端粒19。人类的端粒酶仅在胚胎发育过程和高增殖的成年体细胞，如生殖细胞、干细胞和祖细胞中保持高活性，而在体细胞组织中的表达受到抑制20，因此，随着年龄的增长，大多数体细胞组织中的端粒会逐渐缩短，从而导致必然的细胞衰老。端粒酶复合物是端粒酶激活及端粒延长所必需的，TERT 是端粒酶复合物的核心组成部分之一，它通过在端粒前导链的 3 端添加特定的重复核苷酸序列来延伸端粒。TERT 在人类细胞中的转录受到多种肿瘤抑制途径的严格抑制，被认为是端粒酶活性的限速器21-22。端粒酶复合物的另一个组成部分是TERC，它是一种功能性的 lncRNA（long non-coding RNA，lncRNA），作为端粒延伸的模板包含一个与端粒 DNA G 链互补的短片段23。此外，TERC 在癌症细胞中的广泛上调对癌症的机制研究有重要意义24。再者，端粒酶复合物中还存在其他成分，包括角化不 良 蛋 白（dyskeratosis congenita 1，DKC1）、热激蛋白 90（heat shock protein 90，HSP90）、端粒酶 Cajal 体蛋白 1（telomerase Cajal body protein 1，TCAB1）和富含丝氨酸和精氨酸的剪接因子11（serine and arginine rich splicing factor 11，SRSF11）等25，在维持端粒稳态，调节细胞衰老中发挥重要功能26。2 软骨细胞衰老与 OA 细胞衰老最初是指细胞在稳定的培养过程中，由于细胞分裂能力耗尽而进入的一种稳定的细胞周期阻滞状态1，在这种阻滞状态下细胞停止生长和增殖，但仍保持着活跃的代谢功能，这种复制性衰老的过程也被称为 Hayfl ick 界限27。目前，认为细胞衰老是成熟细胞的一种应激反应，他限制了受损细胞的无限增殖，是机体成长发育中不可或缺的过程。然而，各种组织中衰老细胞的积累是引发衰老相关疾病的重要因素28。OA 的主要病理特征是软骨细胞的变性和细胞外第 39 卷第 2 期2023 年 2 月长春中医药大学学报Journal of Changchun University of Chinese MedicineVol.39 No.2Feb.2023211基质的降解29。软骨细胞控制着关节软骨的稳态，它的衰老会导致细胞外基质合成和降解的失衡，也会使软骨细胞维持和恢复关节软骨的能力下降30。软骨细胞是稀疏分布于关节软骨上的一层高度特化细胞，缺乏自我更新的能力，且衰老的软骨细胞会随着年龄的增长逐渐积累进而加速 OA 的发展31。目前，软骨细胞有 2 种不同的衰老机制：以端粒侵蚀为标志的复制性衰老和应激诱导的过早衰老32。软骨细胞衰老的确切分子机制尚不清楚，但它与炎症因子、细胞周期阻滞相关基因和软骨细胞表型维持基因高度相关，如白细胞介素-1（IL-1）、p16INK4a、p21、p53、SOX9（SRY-related high mobility group-box 9，SOX9）、骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）和胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）等