线粒体遗传背景在骨关节炎发生中的作用机制研究

Mitochondrial haplotypes are associated with degenerative diseases, including osteoarthritis (OA). In order to predict susceptibility of those diseases, the studies carried out before were focused on the SNP(single nucleotide polymorphism) of some specific haplotypes. However, the under lying mechanism of the haplotypes in the development of the diseases remains vague. In the previous research, we found patients carrying haplogroup G had a higher severity progression of knee OA, while people with haplogroup B were less susceptible for OA occurrence. To clarify the mechanism of mitochondrial haplotypes in the development of OA, we are planing to construct fusion cells of different haplogypes, G and B. First, the oxidative respiratory activity of mitochondria, the copy numbers, the reactive oxygen species (ROS) levels, and the ATP synthesis capability are going to be carried out. Then, to clarify the influence of mitochondrial haplotypes in the expression of nuclear genes in the development of OA, we are going to analyse the gene expression profile. At last, to validate, we will detect the mitochondrial function of cells from OA patients compared with cells from normal controls. By doing this research, we hope to make clear that whether the mitochondrial haplotypes can act as reliable biological markers or not , as well as its clinical application.

研究发现线粒体单倍型与包括骨性关节炎（OA）在内的各类退行性疾病的发生有关，但这些研究仅局限在几个特征单倍型的SNP改变来预测疾病的易患性，线粒体特定单倍型在发病过程中的作用机制尚不清楚。我们在前期研究中发现线粒体单倍型G具有增加中国人患膝OA的风险，而单倍型B人群OA风险显著降低。为解释线粒体遗传背景在OA发生发展中的作用，本项目拟通过线粒体敲除及细胞融合技术建立研究模型，对线粒体氧化呼吸活性、拷贝数变化、ROS水平、ATP合成等功能进行检测，首次对基于ATP合成偶联程度和ROS变化的线粒体进化医学假说进行OA相关的功能研究；此外，还将通过表达谱分析来明确线粒体功能存在变化的特定线粒体单倍型是如何通过调动核基因的表达来影响OA的发生；最后，通过OA病人与正常人的软骨细胞进行相关的细胞线粒体功能方面的验证。我们期望通过本研究以明确线粒体单倍型能否作为可靠的生物学标记，以及能否用于临床。

近年来关于线粒体单倍型与骨性关节炎（OA）的相关研究大多局限于大样本量的临床流行病学调查，而线粒体作为细胞产能的重要细胞器，其功能改变对细胞的能量代谢的影响，及其在OA发生中的作用往往研究者所忽视。本研究在临床调查的基础上，从线粒体能量代谢的角度出发，通过细胞线粒体敲除技术以及细胞融合技术，以143B去线粒体细胞作为核供体，血小板细胞作为线粒体供体，构建了2株具有相同核背景、不同线粒体单倍型（单倍型G和单倍型B4）的细胞模型，并进行了相关的线粒体功能研究。研究内容主要包括线粒体氧化呼吸复合体酶活性分析、线粒体DNA（mtDNA）拷贝数变化分析、氧自由基（ROS）水平变化分析、ATP合成能力分析等功能实验，同时我们对单倍型B4和单倍型G细胞分别作了核基因表达谱分析。通过研究，揭示了不同线粒体遗传背景在中国人骨性关节炎发生、发展中的作用机制，并得出如下推论：生理状态的软骨细胞处于低氧环境时，主要依赖于糖酵解产能维持细胞的生存，与G单倍型细胞相比，B4单倍型的细胞能更高效的在低氧环境中通过糖酵解方式产生ATP维持细胞生存；而G单倍型的细胞由于糖酵解产生的ATP不够，不足以维持软骨细胞的正常生存，从而导致软骨细胞功能异常，进而刺激G单倍型细胞的促炎因子分泌增加，同时其MMP3的分泌升高也进一步加剧细胞促炎因子分泌的增加，最终导致关节局部炎症的发生，软骨细胞死亡增加，从而导致关节软骨退行性改变，骨性关节炎发生。