自噬相关蛋白ATG7调控软骨干细胞衰老在骨性关节炎中的作用和机制研究

Osteoarthritis (OA) is one of the most prevalent chronic joint diseases and is characterized by unclear pathological mechanism and poor treatment results. Recently it has been reported that abnormality of cartilage stem/progenitor cells (CPSCs) can lead to OA. ATG7 is a key gene regulating autophagy and plays an important role in stem cell homeostasis and cartilage development. We found that deletion of ATG7 in mouse CPSCs promotes the progression of cartilage degeneration, which indicates that ATG7 participated in the homeostasis of CPSCs and pathogenesis of osteoarthritis. Senescence of cells within joint tissues play a pathological role in the causation of OA, and we found that the ATG7 deficient mice are characterized with premature aging phenotype of CPSCs. These results suggested that ATG7 may play a vital role in OA through regulating CPSCs senescence. In this study, we will generate mouse models with ATG7 deletion in CPSCs, and aging associated spontaneous OA model and destabilization induced OA model were established in these mouse models. By analyzing the cartilage phenotypes of these mice，and using cell culture experiments to study the mechanism of the regulation of ATG7 on CPSCs senescence and OA. This study will deepen our understanding of the mechanism of OA in aspect of autophagy and stem cell senescence, and provide experimental basis for development of clinical treatment for OA.

骨性关节炎（OA）发病率高，其发病机制不清且缺乏有效的治疗手段。新近研究发现软骨干细胞（CPSCs）功能异常可以导致OA的发生。ATG7是调控自噬的关键基因，在干细胞稳态维持和软骨发育中发挥重要作用。我们发现CPSCs中缺失ATG7基因的小鼠关节软骨退变加快，提示ATG7参与了CPSCs稳态维持和OA发生，但机制不清。软骨细胞衰老是OA发病的重要机制，并且我们研究发现CPSCs中缺失ATG7基因的小鼠，其CPSCs提前衰老。据此，我们认为ATG7可能通过调节CPSCs的衰老在OA中发挥重要作用。本课题拟建立在CPSCs中特异敲除ATG7的小鼠，通过对比观察软骨退变和CPSCs衰老情况，结合细胞和分子实验，明确ATG7是否通过调节CPSCs衰老参与OA发生发展及其可能的机制。本课题的实施将深化对ATG7在CPSCs稳态维持和OA发生中的认识，为研发OA治疗措施提供理论和实验依据。

骨性关节炎（OA）发病率高，其发病机制不清且缺乏有效的治疗手段。在OA的发病过程中，关节软骨表层是最先受累的结构。最近研究发现关节软骨表层细胞是一类具有长期自我更新能力、克隆形成能力和多向分化潜能的软骨干细胞（CSPCs），在关节软骨稳态维持和OA中发挥重要作用。ATG7是调控自噬的关键基因，在干细胞稳态维持和软骨发育中发挥重要作用。细胞衰老在OA发病中起重要作用，而ATG7参与了细胞衰老和OA发病过程。但是ATG7在CSPCs稳态维持、衰老以及OA中的作用及其机制不清。本研究中，我们建立了在CPSCs中特异敲除ATG7的小鼠（CKO），通过老年自发性关节炎模型和创伤性关节炎模型，发现CKO小鼠关节软骨退变加快，同时CKO小鼠关节表层CSPCs数目减少、衰老细胞增加。体外细胞实验中，我们采用IL-1β处理CSPCs，模拟关节炎炎症环境，IL-1β处理可以导致CSPCs中ATG7表达降低和自噬功能障碍，诱导CSPCs衰老，同时IL-1β处理导致CPSCs中线粒体膜电位降低，ROS增加，而采用抗氧化剂NAC处理可以明显缓解IL-1β导致的ROS增加和CPSCs衰老。进一步研究显示，敲除ATG7的CPSCs表现出增殖减慢、成软骨分化能力降低和衰老表型，同时敲除ATG7的CPSCs中ROS增加、线粒体堆积和线粒体膜电位降低。采用自噬激动剂雷帕霉素处理可以明显缓ATG7敲除导致的ROS增加、CPSCs衰老和成软骨分化降低。采用抗氧化剂NAC处理可以明显缓解ATG7敲除导致的CPSCs衰老。综上所述，我们的研究发现，ATG7敲除后CPSCs自噬功能障碍，导致线粒体功能障碍和ROS升高，从而引起CPSCs衰老，最终导致OA的发生。本研究为从促进自噬，延缓干细胞衰老角度治疗 OA提供了理论依据。