Col10a1基因表达、软骨细胞肥大与骨关节炎发病及进展

Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative joint disorder in the elderly. Articular chondrocytes of OA usually undergo pathological hypertrophy with increased COL10A1, which mimics chondrocyte hypertrophic differentiation during endochondral ossification. Due to the limited repairing capacity of articular cartilage, it only gets worse upon OA progression, and currently, there is no medicine that can prevent or delay its progression. However, based on our long-standing interest and studies on mouse Col10a1 gene regulation, we speculate that inhibition of Col10a1 transactivators or stimulation of Col10a1 inhibitors might provide us a strategy to prevent, delay, or even reverse the progression of OA. Here, we aim to delineate the effect of Col10a1 regulators, Runx2 and Gdf7, upon chondrocyte hypertrophy and OA development. Specifically, in Aim #1, we will determine the effect and mechanism of OA induction in mice selectively ablated Runx2 or Col10a1 in hypertrophic chondrocytes. In Aim #2, we will investigate the role of Gdf7 in regulation of Col10a1 and to determine whether accelerate chondrocyte hypertrophy in Gdf-7 deficient mice promotes OA progression. In Aim #3, we will perform functional studies of candidate Col10a1 regulators, especially candidate Col10a1 repressor Tbx5, so as to provide biological and genetic evidence for targeting OA treatment.

骨关节炎 (OA) 是中老年人最常见的关节退行性病变。OA的关节软骨细胞通常病理性肥大并伴有COL10A1升高，类似于软骨内成骨时软骨细胞成熟的过程。但由于受关节软骨自我修复能力的限制，OA的病程呈进行性加重，目前无有效的药物可以阻止或延缓这一进程。然而，基于多年来对Col10a1基因调控的研究，我们推测抑制COL10A1基因激活子或是增强其抑制子的功能，可望阻止、延缓、甚至于逆转骨关节炎的进程。本研究旨在阐明Col10a1 基因候选调节因子Runx2与 Gdf-7在软骨细胞成熟和OA发生中的作用。我们将1）在肥大性软骨细胞敲除Runx2 或 Col10a1，观察其诱导OA的效应；2）研究Gdf-7对 Col10a1基因的调控并确定Gdf-7缺陷小鼠加速的软骨细胞成熟对OA的影响；3）鉴定Col10a1候选调节因子，尤其是转录抑制子Tbx5的功能，为靶向治疗OA提供重要的生物学和遗传学依据

本研究最初的目标旨在阐明Col10a1基因候选激活因子Runx2与Gdf-7在软骨细胞成熟和OA发生中的作用，同时分离鉴定Col10a1候选调节因子，尤其是潜在转录抑制子，如Tbx5等基因的功能。在前期的进展报告中我们已经阐明在MCT和ATDC5两种高表达Col10a1基因的肥大型软骨细胞中，只有Tbx5基因的表达都降低。提示Tbx5与Col10a1基因的高表达呈负相关，并且抑制软骨细胞的成熟分化，是潜在的Col10a1基因表达和软骨细胞成熟的抑制因子。由于骨关节炎的关节软骨细胞通常病理性肥大并伴有COL10A1升高，因此，我们推测可以通过增强其抑制因子如Tbx5的功能,有望实现减低COL10A1基因的表达和阻止软骨细胞成熟，从而延缓、甚至于逆转骨关节炎的进程。为此我们构建了肥大性软骨细胞过表达-Tbx5的转基因表达载体（Col10a1-Tbx5），以进行深入的体内实验，包括与骨关节炎的相关性研究。我们和无锡兰诺生物公司合作，建立了多个Col10a1-Tbx5的转基因小鼠品系，这些小鼠品系经PCR基因分型和基因表达验证表明，均在肥大性软骨细胞特异过表达Tbx5。进一步的研究结果表明，Tbx5体内抑制肢体长骨在E17.5和P1时期Col10a1基因的表达，同时导致转基因小鼠软骨细胞增殖期Col2a1和Sox9基因表达的升高。胚胎期小鼠骨骼染色（茜素红染色）的结果表明，转基因小鼠的软骨内成骨进程具有轻-中度的发育延迟。目前我们正在深入地进行转基因小鼠各阶段的骨骼发育以及可能发生的疾病或保护（如易发骨关节炎或出现关节保护的可能性）的表型分析。此外，我们还推测可以通过抑制Col10a1基因激活子的功能，同样可以减低COL10A1基因的表达和阻止软骨细胞成熟，从而延缓、甚至于逆转骨关节炎的进程。我们在深入的Col10a1基因表达调控的研究中，还发现了Dlx5与Col10a1基因增强子结合，是其潜在转录激活因子。我们课题组还成功地建立了肥大性软骨细胞特异表达Cre重组酶的转基因小鼠品系。在肥大型软骨细胞中，选择性地敲除Dlx5基因，理论上可减低COL10A1基因的表达和阻止软骨细胞成熟，不易于发生骨关节炎，起到关节保护的作用。我们坚信本研究将为骨骼发育与疾病尤其是骨关节炎相关研究领域，以及其潜在的诊断与治疗提供新的思路和靶点。