探讨骨关节炎中GDF-5/ Smad/C-1-1信号通路介导的表观遗传学改变及调控机制研究

Osteoarthritis has a complex developmental process that the genetic and environmental factors and multiple factors are involved in. Earlier research showed that GDF-5 and C-1-1 played a key role in the regulation of cartilage development and maintenance of chondrocytes' permanent phenotype. Epigenetics is the bridge across the environmental factors and genes. The aberrant epigenetic modification of GDF-5/Smad/C-1-1 pathway is closely related to bone and joint diseases' occurrence and development, but there are no studies confirmed . In this study with immunoprecipitation and chip technology we will investigate the activity of GDF-5/Smad/C-1-1 signaling pathway in different pathological stages and the key factors which have the gene methylation and histone acetylation changes in the osteoarthritis model and clear whether the change will result in the inhibition of GDF-5/Smad/C-1-1 pathway, which then results in articular cartilage degeneration. By using specific intervention means, aberrant epigenetic modifications of the GDF-5/Smad/C-1-1 pathway are changed with an aim to relieve or cure OA. Then we will explore the effect of epigenetic modification by which the GDF-5/Smad/C-1-1 signaling pathway is inhibited in the pathogenesis of OA, which will provide new sights into clinical early diagnosis and treatment of OA.

骨关节炎是基因与环境因素共同作用、多因子参与的复杂性过程。前期的研究表明GDF-5和C-1-1在调控软骨发育和维持软骨细胞永久性表型过程中起着关键作用。表观遗传是连接环境因素和基因相互作用的桥梁，GDF-5/Smad/C-1-1通路的异常表观遗传修饰与骨关节疾病的发生发展密切相关，但至今尚无研究证实。本研究拟通过OA模型，采用免疫沉淀＋芯片技术，研究OA不同病理阶段GDF-5/Smad/C-1-1 信号通路的活性，及其关键因子的基因甲基化和组蛋白乙酰化改变，明确上述变化是否会引起GDF-5/Smad/C-1-1通路抑制，继而导致关节软骨细胞发生退变表型。并运用特异性干预手段，改变GDF-5/Smad/C-1-1通路异常的表观遗传修饰，尝试缓解或逆转OA，从而深入探讨表观遗传修饰抑制GDF-5/Smad/C-1-1 信号通路在OA发病机制中的作用。为OA的临床早期诊断和治疗提供新的思路。

骨关节炎是基因与环境因素共同作用、多因子参与的复杂性疾病。本课题组主要研究了骨关节炎（OA）发生发展过程中GDF-5/Smad/C-1-1信号通路介导的表观遗传学改变及其精确的分子机制。通过查阅文献，我们发现小分子RNA（microRNA）参与的调控作用在OA的表观遗传学影响中占据十分重要的地位。在本项目的执行过程中，我们主要发现：在OA的发生发展过程中，GDF5/Smads/C-1-1信号通路活性的过度抑制与几个相关microRNA的异常表达有着十分密切的关系。我们通过病例样本的检测，发现GDF5、SMAD3、ERG（C-1-1为ERG的选择性剪切变异体）（GDF5信号通路的三个重要靶点）在OA软骨细胞中表达明显降低。通过生物信息学方法进行microRNA靶基因预测，我们发现miR-21、miR-16-5p/miR-23a-3p、miR-30b分别直接靶向调控GDF5、SMAD3、ERG。进一步的病例样本检测，我们发现miR-21、miR-16-5p/miR-23a-3p、miR-30b在OA软骨细胞中表达都明显升高。我们通过荧光素酶报告基因检测法证实了miR-21、miR-16-5p/miR-23a-3p、miR-30b能够直接靶向调控GDF5、SMAD3、ERG的表达。通过构建microRNA模拟物和抑制物进一步验证microRNA在OA发展中的作用。我们发现上述四种microRNA通过抑制GDF5、SMAD3、ERG的表达，导致GDF5信号通路活性明显降低，进而引起软骨细胞外基质特异性基因（Ⅱ型胶原、Aggrecan）的表达降低和细胞外基质降解酶（MMPs和ADAMTS）的表达升高，最终导致OA的发生、发展。我们的研究显示，micorRNA（miR-21、miR-16-5p/miR-23a-3p、miR-30b）表达的异常改变引起了GDF-5/Smad/C-1-1信号通路活性抑制，继而导致关节软骨细胞发生退变表型和OA的发生，运用特异性干预手段，改变GDF-5/Smad/C-1-1 通路相关的microRNA异常表达，可以缓解或逆转OA的发展，为OA的临床早期诊断和治疗提供新的思路。另外，由于椎间盘退变和OA发病机制的相似性，我们也在椎间盘退变中发现了相似的调节机制，为椎间盘退变发生发展的研究思路提供了理论依据。本课题已发表SCI论文7篇，培养博士生1名。