组蛋白去乙酰化酶4在骨关节炎早期关节软骨退变中的作用及机制研究

Early intervention plays a key role in the treatment of Osteoarthritis (OA). Our preliminary studies indicate that the level of histone deacetylase 4 (HDAC4) is dramatically decreased and Caspase-3 degrades HDAC4 into HDAC4-N and HDAC4-C during OA development. We further noticed the decreased HDAC4 promotes chondrocyte hypertrophy and the HDAC4-N induces cell death and further increases Caspase-3 activity. However, the mechanism how the decreased HDAC4 and HDAC4-N terminal induce cell death is not clear. Our hypothesis is that the decrease of HDAC4 and increased HDAC4-N terminal not only promote the chondrocyte hypertrophy and cartilage degeneration, but also induces chondrocyte apoptosis. Thus, the elevated HDAC4 and prevents HDAC4 degradation may block OA process. To test our hypothesis, this project will test: 1) If the decreased HDAC4 results in early OA degeneration; 2) The mechanism of decreased HDAC4 and increased HDAC4 - N terminal protein induces cartilage degeneration; 3) If supplemental exogenous HDAC4 and /or inhibition of HDAC4 degradation can attenuate OA cartilage degeneration by genetic overexpress and knockdown approaches. If successful in demonstrating our hypotheses, it would yield an entirely new therapy.

早期阻断软骨退变进程是治疗骨关节炎（OA）的关键。前期研究发现：OA发病过程中, Caspase-3诱导HDAC4降解，使其含量显著降低, 致软骨细胞发生肥大样改变、进而软骨退变；另一方面降解产物HDAC4-N诱导软骨细胞凋亡的同时也进一步增高Caspase-3活性，形成恶性循环。但该过程具体机制及是否参与OA早期退变，阻断此循环是否可早期治疗OA尚不清楚。因此假设：HDAC4降解作用可能在OA早期发挥作用，抑制HDAC4降解可能阻断恶性循环早期治疗OA。本项目拟利用小动物活体荧光断层成像系统动态观察OA早期HDAC4变化情况；利用条件性HDAC4 基因敲除小鼠、活细胞工作站（动态监测HDAC4蛋白核内外穿梭）、新型脂质纳米颗粒递送系统（在体递送Caspase-siRNA进入软骨细胞）及基因筛查等方法研究其机制；通过突变降解位点的HDAC4维持HDAC4的在体水平早期治疗OA，并观察疗效。

软骨退变是导致骨关节炎的关键因素。前期研究发现，HDAC4在OA发病过程中至关重要，但具体作用机制及是否参与OA早期退变暂不清楚。该项目主要研究内容如下：1、观察成人膝关节 OA患者软骨组织中 HDAC4 的表达情况，利用条件性敲除体内HDAC4基因小鼠以观察膝关节炎的发生，并检测与HDAC4 相关的细胞因子表达，探究 HDAC4 在骨关节炎中的作用及其机制。2、探讨HDAC4是否可通过抑制内质网应激介导的软骨细胞凋亡延缓OA关节软骨退变。3、研究突变Caspase-3 裂解位点及14-3-3 蛋白结合位点的HDAC4是否可通过增加软骨细胞核中HDAC4含量，进而增强抑制软骨细胞肥大，维持软骨细胞正常功能并促进软骨细胞增殖，同时利用转录组测序技术对其分子机制进行初步探讨。4、研究HDAC4裂解产物HDAC4-N末端对软骨细胞凋亡的影响以及机制。重要结果如下：1、HDAC4 主要表达于肥大化软骨细胞中，且其在肥大化软骨细胞中表达量随着OA 的发生与发展而逐渐降低。2、在OA病理过程中，关节软骨中降低的HDAC4对ATF4的抑制作用减弱，导致ATF4内质网应激信号通路持续激活，触发软骨细胞大量凋亡，从而促进OA关节软骨退变。3、突变HDAC4 caspase-3 裂解位点及14-3-3蛋白结合位点，可有效增加HDAC4在细胞核内的表达，与野生型HDAC4相比，突变的HDAC4可更有效地促进软骨细胞增殖，抑制软骨细胞肥大分化。4、HDAC4-N末端可以诱导软骨细胞发生凋亡，并且其诱导凋亡的机制可能与上调促凋亡因子Caspase-3和Caspase-12有关。关键数据：1、随着OA严重程度的增加，HDAC4含量显著降低。2、HDAC4 基因敲除后，小鼠开始呈现软骨退变。3、OA软骨细胞的凋亡率明显高于相对正常软骨组织。4、离体实验发现上调HDAC4可降低ATF4等基因表达.而下调HDAC4，软骨细胞凋亡显著增加。5、突变HDAC4 Caspase-3裂解位点及14-3-3结合位点可有效增加细胞核内HDAC4含量。6、突变HDAC4 Caspase-3裂解位点及14-3-3结合位点可有效抑制软骨细胞肥大，维持正常软骨细胞功能并促进软骨细胞增殖的作用。7、核糖体功能改变可能在HDAC4的分子机制中发挥重要作用。8、HDAC4-N末端可以诱导软骨细胞发生凋亡。