蛋白聚糖与软骨结构、功能及骨关节病的关系

蛋白聚糖与软骨结构、功能及骨关节病的关系曹峻岭【摘要】Proteoglycan, a type of glycoconjugate, consists of a core protein and one or more covalently attached glycosaminoglycan chains. It is an important component of cell membrane, fundus membrane, especially in extracellular matrix. It is also related to the histological structure and function of cells. With the advances in scientific research, proteoglycan metabolism has been found to have association with the growth and degradation of bone, cartilage and neural tissues. Recent studies also indicate that it is related to the development of cardiovascular diseases and tumors. The relationship of proteoglycan metabolism with the structure and function of cartilage and pathogenesis of osteoarthropathy will be discussed in this paper.%蛋白聚糖是一类由核心蛋白与1条或多条共价连接的氨基聚糖所组成的糖复合物,是细胞膜、基底膜、特别是细胞外基质的重要组成成份,与组织细胞的结构和功能息息相关.随着科学研究的发展,人们逐渐认识到蛋白聚糖代谢与骨软骨发育和退变、神经组织的发育和退变、心血管疾病和肿瘤的发生发展关系密切.本文仅对蛋白聚糖代谢与软骨结构和功能及骨关节病发病机制的研究进行探讨.【期刊名称】《西安交通大学学报（医学版）》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】6页(P131-136)【关键词】蛋白聚糖;硫酸化修饰;软骨;细胞外基质;骨关节病;大骨节病【作者】曹峻岭【作者单位】西安交通大学医学院地方病研究所;教育部环境与疾病相关基因重点实验室;卫生部微量元素与地方病重点实验室,陕西西安710061【正文语种】中文【中图分类】R684.1软骨变性坏死是许多骨关节疾病的共同问题。

目前，国内外对退行性骨关节炎（osteoarthritis，OA）和风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）的分子发病机制有了较多的研究。

大骨节病（Kaschin-Beck disease，KBD）是以四肢关节透明软骨变性坏死为特征的一种地方性骨关节病，至今病因未明，研究较多的主要有环境低硒、真菌毒素和水中有机物中毒，发病机制研究也有待进一步深入［1］。

近年来，糖生物学的作用已成为生命科学中的新前沿，糖复合物糖链修饰的改变与很多疾病的发生相伴随，其中蛋白聚糖（proteoglycan，PG）是存在于全身各组织间质中极为重要的糖复合物，是正常软骨细胞外基质的主要组成成分。

PG结构的完整性在维持软骨功能中起重要调控作用［2］。

1 PG的基本构成、分类和功能PG是一类由氨基聚糖和核心蛋白所组成的化合物，其含糖量可高达95%以上，因而化学性质更类似于多糖而不是蛋白质，实际为含蛋白的多糖。

氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）是由重复二糖单位所组成的一类杂多糖，其糖链含有许多酸性基团，如羧基（-COOH）、硫酸基（-OSO3H）和磺基（-SO3H）。

重要的GAG有透明质酸（HA）、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸皮肤素、硫酸肝素等。

PG的组成和结构具有两个显著特点：①分子巨大；②分子上具有许多酸性基团。

因此，蛋白聚糖是一种高分子阴离子化合物。

按照蛋白聚糖的组织分布和功能表现可以分为以下3类：1.1 结合在细胞膜上的PG 几乎在所有的组织中都有表达，为多配体PG，其核心蛋白均是贯穿细胞外区域（带有不同GAG侧链）、细胞膜区域和细胞内区域的一条肽链。

已证明与多种生理功能和病理变化有关，如在早期胚胎发育、肿瘤、创伤愈合；神经和心血管系统的表达。

1.2 基底膜结合的PG 主要存在于动物血管上皮细胞的基底膜中，如基底膜PG：主要功能是调节细胞分化和形态的建成，调节胚胎血管形成、储存生长因子功能和调控肿瘤的发展。

乙酰胆碱受体聚集因子：主要是引导乙酰胆碱受体在神经肌肉接头处聚集。

此外，还调控胚胎发育、血脑屏障形成、维持微血管的通透性。

Bamcan硫酸软骨素PG：与组织的形态构建有关。

1.3 细胞外基质PG 主要功能之一是维持细胞外基质的结构，其共同特点是核心蛋白分子量最大，有大量GAG侧链，均可与HA和凝集素结合（图1）。

研究最多的是多聚蛋白聚糖（aggrecan，AG）。

它是软骨中的主要成分，与HA形成的聚集体充填于细胞间隙，缓冲机体和组织对关节的压强；另外，AG还影响组织发育，硫酸软骨素参与调节发育中的外周神经系统，推测其对神经突触的生长有定向作用。

多功能PG：表达受许多生长因子调节（PDGF、TGF等），其调节通过不同的信号传递系统来进行，往往在一些肿瘤组织过表达。

神经PG：与神经细胞粘附分子高亲和性结合，进而抑制N-CAM同嗜性粘附和突触生长，影响脑组织发育［2］。

图1 细胞外基质中的PGs（源于Bruce Caterson教授）Fig.1PGs in cell ECM （from Prof.Bruce Caterson）2 软骨细胞外基质结构的完整性与软骨功能的关系人的关节软骨主要由软骨细胞、AG、胶原纤维和水构成。

AG和胶原是构成细胞外基质（ECM）的主要生物大分子，而ECM则是与软骨细胞代谢密切相关的，它构成了软骨细胞生长的微环境。

ECM的合成和降解在正常情况下保持着动态平衡，维持着相对的稳定性，而这一稳态平衡是保证软骨正常结构、维持软骨正常功能的关键。

一旦ECM分子修饰和结构发生改变就会降解丢失。

科学家们在研究类风湿性关节炎（RA）和退行性骨关节炎（OA）时发现：AG的过度降解／解聚和丢失是软骨在这些关节疾病中最早发生的代谢变化，甚至早于关节软骨出现病理改变［3］。

这说明致病因素所导致的AG过度降解／解聚和丢失可以视为关节软骨代谢失衡的始动环节。

若此始动环节持续存在，引起关节软骨胶原过度降解和表型表达改变，以及各种炎性和信息因子的释放，继而引发瀑布效应，则关节软骨的整体结构彻底被打破，使关节软骨含水量减少、弹性丢失，最终导致关节软骨的损毁和关节功能的丧失。

3 AG代谢和修饰与软骨基质结构和功能的关系及骨关节病的研究AG是由一条核心蛋白多肽链和大量硫酸软骨素及硫酸角质素（重要的糖胺聚糖GAG）为侧链所组成的瓶刷状分子，含有大量的酸性基团（特别是SO4基），可吸纳大量的水分以保证软骨的黏弹性和抗压能力［4－5］。

在正常软骨基质中，大部分AG以聚集体的形式存在，是AG单体通过连接蛋白与透明质酸（唯一不含硫酸的GAG）相连呈大瓶刷状的复合物（图2），充填于胶原纤维网架中相互交联形成稳定结构，并影响胶原纤维的形成［5－6］。

与 AG 中 GAG 结合的配体可引起：①在合成位点固定蛋白质；②调节酶的活性；③将配体结合到发信号的受体；④防止配体发生降解；⑤作为未来流动的配体流动库。

在某些情况下，这种相互作用取决于GAG链中被修饰糖的非专一性序列［7］。

图2 聚集蛋白聚糖单体及其聚合体的电镜照片（源于Bruce Caterson教授）Fig.2The monomer and polymer of aggrecan（TEM，from Prof.Bruce Caterson）参与AG代谢和修饰的生物大分子很多，根据其在AG代谢中发挥的作用可以分为两类：降解性和合成性。

降解性的主要是基质金属蛋白酶（MMPs）和多聚蛋白聚糖酶（aggrecanases）；而合成性的主要是组织金属蛋白酶抑制剂（TIMP）和α2-巨球蛋白（α2-macroglobulin，α2M）。

研究发现，MMPs和aggrecanase是软骨分解代谢中最重要的两类酶［8－9］。

Aggrecanases主要降解软骨多聚蛋白聚糖，具有很高的特异性；MMPs主要参与胶原的降解，同时在多聚蛋白聚糖的降解中起辅助作用。

TIMP作为MMPs和aggrecanases，尤其是aggrecanases的抑制剂，具有极强的抑制作用，其抑制活性具有量效关系［10］。

α2M作为最新发现的aggrecanases的体内抑制剂，对于aggrecanases的活性抑制亦具有量效关系［11］。

这四种生物大分子在关节软骨中的表达情况直接影响着AG的代谢。

在正常情况下四者之间相互制约、相互作用，维持着AG的代谢平衡。

但是，在病理状态下，TIMP和α2M活性下降，aggrecanases和 MMPs活性升高，造成AG持续性降解，进而影响ECM的代谢平衡。

软骨细胞的功能状态和ECM中AG代谢紧密相联。

它们之间存在着大量的信息、能量和物质交流。

而软骨细胞通过CD44、HA和连接蛋白（LP）与AG发生联系，感知ECM的变化，调节ECM的代谢。

因此，CD44、HA和LP可以看作是软骨细胞与ECM之间的‘桥梁’。

这一桥梁三联结构对于软骨细胞与胞外基质的信息、物质交流具有极为重要的作用［12－13］。

若这三联结构的任一环节发生改变，都会造成ECM代谢异常、基质降解和细胞变性坏死，导致关节软骨受损。

已有证据显示，在OA和RA中，CD44、HA的表达是增加的，而AG的合成是减少的。

同时ECM中的HA是减少的，这样的结果是最终造成ECM的降解。

近年的研究还发现：正常关节软骨硫酸酯酶表达很低，且局限于软骨表层，OA软骨硫酸酯酶mRNA和蛋白水平升高，可能引起蛋白聚糖硫酸化修饰及生长因子活性改变，从而导致OA软骨细胞活性异常和软骨降解；晚期OA滑膜液GAG含量显著降低，aggrecanase产生的代谢碎片在早期OA即可检测到，说明蛋白聚糖降解增加［14］；OA软骨退化早期合成蛋白聚糖的硫酸软骨素超微结构改变［15］；OA患者软骨中4，6-重硫酸-N-乙酰半乳糖胺（galNAc4，6S）末端硫酸化降低，并伴有 N-乙酰半乳糖胺4硫酸（galNAc4S）硫酸化升高；动物模型中OA与软骨中N聚糖表达改变有关；OA软骨中有异常硫酸软骨素蛋白聚糖表达，其表达情况随软骨损伤发展而改变［16］。