Nature子刊：骨關節炎的發展與這種蛋白相關

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近日，中國人民解放軍總醫院王岩教授和軍事醫學科學院北京生物工程研究所葉棋濃教授等人領導的研究團隊對骨關節炎背後的分子機制進行了深入剖析。他們發現，HPIP在骨關節炎的發展中起到重要作用。

骨關節炎（Osteoarthritis，簡稱OA）是中老年人中常見的一種退行性關節疾病。根據美國疾控中心的統計，在美國65歲以上的人群中，大約80%患有關節炎。軟骨退化影響了骨關節炎的治療。

近日，中國人民解放軍總醫院王岩教授和軍事醫學科學院北京生物工程研究所葉棋濃教授等人領導的研究團隊對骨關節炎背後的分子機制進行了深入剖析。他們發現，HPIP（全名為造血前B細胞白血病轉錄因子相互作用蛋白）在骨關節炎的發展中起到重要作用。

這項成果於1月中旬發表在《Nature Communications》雜誌上。「我們發現，HPIP通過Wnt信號通路的轉錄激活以及轉錄程序的表觀遺傳調控來調控軟骨退化，表明HPIP有望帶來骨關節炎治療的新辦法，」作者在文中寫道。

之前的研究表明，HPIP蛋白主要在癌症發生和發展中起到調節作用。例如，乳腺癌中HPIP-ER組成的複合物網路在體內和內外促進了細胞增殖和遷移。此外，HPIP的沉默抑製了TGF-β誘導的上皮間充質轉化。TGF-β是一種內源性的細胞因子，在維持軟骨穩態上發揮調節作用。然而，HPIP在骨關節炎中的作用仍然未知。

HPIP敲除可防止骨關節炎發展

為了確定HPIP在骨關節炎中的作用，研究人員首先分析了118對骨關節炎軟骨組織及相應非病變樣本中HPIP的表達水準。通過免疫組化染色和qRT-PCR分析，他們發現骨關節炎軟骨中HPIP的表達明顯高於非病變組織。而且，HPIP的表達隨著骨關節炎的發展而逐漸增加，而細胞外基質（ECM）組分COL2A1和ACAN的表達逐漸減少，表明它可能參與關節軟骨退化中的ECM降解。

接下來，研究人員又分析了軟骨細胞特異性HPIP敲除小鼠的表型。他們委託賽業生物（Cyagen）製備了HPIP^f/f小鼠，又購買了Col2a1-CreER^T2小鼠，從而製備出Col2a1-CreER^T2/HPIP^f/f小鼠。多個染色結果表明，與同窩的HPIPf/f小鼠相比，Col2a1-CreER^T2/HPIP^f/f小鼠表現出明顯的骨骼異常。它們的肱骨、股骨、脛骨和椎骨等骨骼的長度比對照小鼠短10-21%。

那麼，HPIP究竟在骨關節炎發病機制中扮演了什麼角色？他們對Col2a1-CreER^T2/ HPIP^f/f小鼠和HPIP^f/f小鼠實施手術，將其膝關節中的前十字韌帶切除，並檢查手術後的軟骨厚度和覆蓋面積。在手術後4周和8周時，HPIP^f/f小鼠的軟骨厚度和覆蓋面積都低於Col2a1-CreER^T2/HPIP^f/f小鼠。

此外，骨關節炎的發展還伴有繼發性的臨床癥狀。轉棒儀和熱板分析和疼痛測定表明，HPIP^f/f小鼠的熱板響應時間增加，轉棒儀響應時間、負重且行進距離減少，而經歷或未經歷手術的Col2a1-CreER^T2/HPIP^f/f小鼠在轉棒儀或熱板響應時間上沒有差異。因此，這些結果表明HPIP的敲除可以防止骨關節炎的發展。

為了進一步研究HPIP在骨關節炎治療中的作用，研究人員對8周齡的C57BL/6J野生型小鼠進行前十字韌帶切除術。兩周後，他們在關節內注射了AAV載體，此載體編碼HPIP特異性的shRNA。結果表明，未接受注射的小鼠表現出更嚴重的軟骨退化，並且軟骨厚度和覆蓋面積更低。這些結果表明HPIP特異性的shRNA可保護關節免受軟骨損傷。

HPIP調控了哪些信號通路？

研究人員接著對HPIP敲除的軟骨細胞和對照軟骨細胞開展RNA-seq分析，以便確定HPIP調控的靶點。與對照細胞相比，HPIP敲除細胞存在1271個顯著差異表達基因（DEG），其中486個基因的轉錄本上調，而包括COL2A1在內的785個基因轉錄本下調。此外，KEGG通路分析表明DNA複製、ECM-受體相互作用和Wnt信號通路下調，而p53信號通路上調。這些數據表明HPIP是維持軟骨穩態的關鍵調節蛋白。

之後，他們又利用全基因組染色質免疫沉澱測序（ChIP-seq）來確定HPIP的直接靶點。結果顯示HPIP存在3136個明顯的ChIP-seq峰，包括PBX1。他們接著分析了ChIP-seq和RNA-seq數據的交集，發現有93個靶點受到HPIP缺失的直接調控。最終發現，在HPIP缺陷型的軟骨細胞中，Wnt信號通路下遊靶點的mRNA表達水準明顯下調。

酵母雙雜交和免疫共沉澱分析表明，HPIP與轉錄因子LEF1之間存在相互作用。HPIP過表達增加了Wnt多個靶點的表達，而內源性LEF1的敲低抑製了Wnt靶點的表達並消除了HPIP調控Wnt靶點的能力，表明LEF1對於HPIP介導的Wnt靶點調控是十分重要的。

由於組蛋白乙醯化通常與基因的活躍轉錄有關，故研究人員深入探討了HPIP是否通過染色質狀態的修飾來調控Wnt靶點表達。LEF1敲低降低了HPIP的招募以及多個基因的啟動子上H3K56ac的乙醯化，表明H3K56ac活性對於HPIP調控基因轉錄是重要的。這些數據表明，HPIP能夠直接激活Wnt信號通路上關鍵靶點的表達，具體方式是對其啟動子上的H3K56ac進行乙醯化。

作者認為，這些結果表明HPIP有望成為骨關節炎的治療靶點。不過，在未來開展臨床試驗之前，還需要進一步研究來評估編碼HPIP特異性shRNA的慢病毒載體在大型骨關節炎動物模型上的功效。（生物通余亮）

原文檢索

Hematopoietic PBX-interacting protein mediates cartilage degeneration during the pathogenesis of osteoarthritis

Nature Communications 10, Article number: 313 (2019)