O-GlcNAc转移酶通过FoxO1/EGR1轴调控腰椎小关节骨关节炎软骨退变的新机制

《Cell Death Discovery》：O-GlcNAc transferase influences the progression of degenerative cartilage disease in lumbar facet joint osteoarthritis through FoxO1 and EGR1

本研究针对腰椎小关节骨关节炎(FJOA)软骨退变机制不明确的临床难题，通过体内外实验首次揭示O-GlcNAc转移酶(OGT)通过稳定FoxO1蛋白（关键位点T317/S550/T648/S654/T627）并调控下游EGR1表达，维持软骨细胞稳态。研究发现OGT缺失会加剧年龄相关性FJOA进展，而FoxO1过表达可逆转软骨基质合成障碍和细胞凋亡，为FJOA提供了新的治疗靶点。

　　

腰痛是困扰现代人的常见健康问题，而腰椎小关节骨关节炎(FJOA)作为慢性腰痛的重要病因，其发病率随年龄增长显著上升。由于早期诊断困难，患者往往在软骨严重破坏后才就诊，错过了最佳干预时机。更棘手的是，约20%的FJOA患者并不伴有椎间盘退变，提示其存在独特的发病机制。面对这一临床挑战，南通大学第二附属医院陈楚团队将目光投向了蛋白质翻译后修饰领域的重要调控机制——O-GlcNAc糖基化修饰。

在《Cell Death Discovery》发表的这项研究中，研究人员首次揭示了O-GlcNAc转移酶(OGT)/FoxO1信号轴在FJOA发病中的关键作用。他们发现，随着FJOA进展，软骨细胞中OGT和O-GlcNAc修饰水平显著下降，这与膝骨关节炎中观察到的O-GlcNAc水平升高形成鲜明对比，凸显了不同关节部位软骨退变机制的差异性。

为了探究OGT的功能，研究团队构建了软骨特异性OGT条件性敲除(OGTCKO)小鼠模型。8月龄OGTCKO小鼠出现了典型的小关节退变特征：软骨表面蛋白聚糖丢失、出现垂直裂隙，甚至侵蚀至钙化区。显微CT分析显示软骨下骨硬化加剧，骨体积分数(BV/TV)升高而骨表面积体积比(BS/BV)下降，小梁骨厚度(Tb.Th)增加而分离度(Tb.Sp)减小。特别有趣的是，通过向小鼠L4/5小关节腔内注射AAV2-cre特异性敲除OGT后，CatWalk步态分析发现其后爪摆动速度和步幅显著减小，站立时间延长，但平均触地强度不变，说明运动功能障碍主要源于神经控制协调异常而非肌力下降。

在细胞层面，OGT过表达显著增强了ATDC5和SW1353软骨细胞的活力、迁移能力并抑制凋亡，而OGT敲低则产生相反效果。机制探索发现OGT与FoxO1存在直接相互作用，并能通过抑制泛素-蛋白酶体途径降解来稳定FoxO1蛋白。通过质谱分析和点突变实验，团队鉴定出T627与T317、S550、T648、S654五个关键O-GlcNAc修饰位点，其中T627A单点突变对FoxO1转录活性影响有限，但五点位联合突变(4A+T627A)可使转录活性降低约50%。

挽救实验证实FoxO1过表达可逆转OGT缺失引起的病理改变。在体实验中，AAV2-FoxO1干预显著改善了OGTCKO小鼠的软骨破坏程度，OARSI评分下降，TUNEL阳性细胞减少。体外实验显示FoxO1过表达恢复了OGT敲低导致的蛋白聚糖合成障碍，上调软骨基质基因ACAN和COL2A1表达，同时抑制炎症因子IL-6产生。

通过RNA测序联合分析，研究团队发现EGR1(早期生长反应1)是OGT/FoxO1轴的关键下游靶点。EGR1在OGT敲低和FoxO1敲除组中表达下调，而在OGT过表达组中上调。功能实验表明EGR1敲低会抑制软骨细胞增殖迁移并促进凋亡，证实了其在维持软骨稳态中的重要作用。

本研究主要采用以下关键技术：收集4例正常人及4例FJOA患者小关节软骨样本进行Western blot检测；构建Col2a1-creERT/OGT^f/f条件性敲除小鼠模型，通过显微CT进行骨微结构分析；使用CatWalk XT系统进行步态行为学评估；利用ATDC5和SW1353细胞系进行功能获得/缺失实验；通过免疫共沉淀-质谱联用技术鉴定O-GlcNAc修饰位点；采用RNA测序进行转录组差异分析。

研究结果部分显示，OGT缺失会诱发自发性FJOA（图1），改变运动行为（图2），并调控软骨细胞生物学行为（图3）。分子机制上，O-GlcNAc修饰通过特定位点调控FoxO1蛋白稳定性和转录活性（图4），而FoxO1补充能缓解FJOA进展（图5-6）。最终发现OGT/FoxO1通过调控EGR1影响软骨细胞功能（图7）。

该研究首次绘制了OGT/FoxO1/EGR1信号轴在FJOA中的调控网络（图8），不仅解释了特定O-GlcNAc修饰位点对FoxO1稳定性的精细调控机制，还揭示了EGR1作为新型下游效应分子的功能。这些发现为开发针对FJOA的精准治疗策略提供了理论依据，特别是为靶向O-GlcNAc修饰的治疗方法开辟了新途径。未来研究可进一步探索EGR1在软骨退变中的具体调控网络，为临床转化奠定基础。