1、研究背景

骨关节炎(Osteoarthritis, OA)为多种病因如肥胖、性别差异，关节劳损、创伤、先天性遗传缺陷等引起的骨关节软骨和关节下骨退行性病变，是中老年人最常见的骨关节疾病，60岁后男女患病率分别高达10%及18%，临床表现为缓慢发展的关节疼痛、僵硬、肿胀、活动受限和关节畸形，缺乏有效药物治疗，严重患者需行关节置换手术。在细胞水平，骨关节炎的发生发展与氧化应激失衡，过度炎症反应，以及软骨细胞合成，分解代谢相关蛋白表达异常密切相关。尽管许多患者具有类似的病理诱因，但罹患骨关节炎的易感性，病情严重程度及对治疗的反应不一，影响病情，疗效和预后的判断。近来众多研究表明表观遗传DNA甲基化异常能够导致骨关节炎相关蛋白表达紊乱，部分解释了骨关节炎发病和病程的个体差异，但这些病理改变是骨关节炎的诱因或是结果，以及哪些表观遗传敏感基因控制骨关节炎的发生发展依旧不明。

基因转录子PPARγ是核激素受体家族成员，广泛分布于各种组织细胞，主要参与调控脂肪组织分化和代谢，同时也是重要的骨关节保护蛋白。PPARγ启动子含有经典的CpG岛，是表观遗传DNA甲基化修饰的敏感位点，但PPARγ是否在骨关节炎发生发展中受表观遗传DNA甲基化异常调控及功能相关性尚无报道。

南京大学医学院曹望森教授和蒋青教授（共同通讯作者）在骨关节炎表观遗传病理机制研究中取得重要进展，研究成果荣登国际风湿病及骨关节炎学科原创研究排名第一杂志Annals of the Rheumatic Diseases/《风湿病年鉴》。该研究揭示了骨关节炎表观遗传DNA甲基化异常的关键调控通路和基因靶点，为进一步研发靶向DNMT/PPARγ通路的有效制剂治疗骨关节炎和相关疾病提供新的理论指导。该论文第一作者为朱晓波硕士，博士研究生陈芳，陆克和韦嗳提供了转基因小鼠等技术支持。

 

2、研究内容及结果

➤1、 PPARγ对OA发展至关重要以及在OA患者和DMM小鼠的关节软骨中受到抑制

研究人员对骨关节炎患者和小鼠膝关节内侧半月板失稳术DMM (destabilization of medial meniscus)造模的骨关节炎关节软骨采用WB检测发现PPARγ蛋白水平明显下降，与此同时OA患者中导致软骨退化的主要酶MMP13和Adamts5表达上升，软骨基质蛋白Aggrecan表达下降，这与预测结果一致。与野生型小鼠相比，PPARγ基因敲除小鼠的骨关节炎损伤更加严重。这些结果表明PPARγ对OA有保护作用，其在关节软骨中的抑制与OA的发展密切相关。

Figure 1. PPARγ is critical for osteoarthritis (OA) development and suppressed in articular cartilage of OA patients and destabilisation of medial meniscus (DMM) mice.

➤2、DNMT1和DNMT3a表达上调引起PPARγ启动子超甲基化导致PPARγ下调

采用MSP（Methylation specific PCR）和BSP（Bisulfite sequencing PCR）技术进一步检测PPARγ下降的上下游病理过程/信号通路，发现在OA病人和DMM小鼠关节软骨中PPARγ启动子呈现DNA超甲基化。WB和IHC免疫学实验证实DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase) DNMT1和DNMT3a特异性表达上升。

Figure 2. DNMT1 and DNMT3a elevations cause PPARγ promoter DNA hypermethylation and PPARγ suppression.

➤3、5Aza恢复PPARγ平衡IL-1β引起氧化应激以及过度的炎性反应

体外培养的软骨细胞和小鼠骨关节研究证实DNMT1/3a抑制剂5-氮杂-2′-脱氧胞嘧啶核苷(5Aza, 5-Aza-2′-deoxycytidine) 能够有效去除IL-1β及DMM诱导的PPARγ启动子超甲基化，缓解PPARγ下调及相关的氧化应激失衡和过度的炎症反应， 改善骨关节炎相关蛋白的表达和骨关节损伤。

Figure 3. 5Aza restoration of PPARγ balances IL-1β-incurred oxidative stress and excessive inflammation in chondrocytes.

➤4、PPARγ通过5Aza在体内对软骨有至关重要的保护作用

进一步对野生型小鼠和PPARγ基因敲除小鼠的比较研究表明药理性抑制DNMT1/3a能够显著的缓解野生型小鼠的骨关节炎病理改变，但对PPARγ基因敲除小鼠的保护作用不明显，说明PPARγ是骨关节炎表观遗传DNA甲基化紊乱病理机制中的关键效应蛋白，其上游DNMT1/3a的异常升高能够导致PPARγ启动子超甲基化及PPARγ表达下降，降低了PPARγ拮抗骨关节氧化应激失衡和过度炎症反应能力，最终诱导并加重骨关节炎的发生发展。

Figure 4. PPARγ is essential for the cartilage-protective effects of 5Aza in OA mice.

 

文章小结

这些研究结果表明DNMT1/3a/PPARγ轴在表观遗传失常和关节炎发生发展中起重要作用，揭示了骨关节炎表观遗传DNA甲基化异常的关键调控通路和基因靶点，提示由于家庭遗传或环境因素，过去疾病或服药史导致该通路相关基因表达失常有可能增加罹患骨关节炎的风险或加重骨关节炎病程。该研究还为进一步研发靶向DNMT/PPARγ通路的有效制剂治疗骨关节炎和相关疾病提供新的理论指导。