MSX2在骨关节炎中具有软骨保护作用：来自表达分析和功能验证研究的见解

《Evolving Earth》：MSX2 serves as a chondroprotective factor in osteoarthritis: insights from expression analysis and functional validation studies

本研究通过分析多个GEO数据集及实验模型，发现MSX2在骨关节炎中下调，其敲低加剧软骨退变和炎症，而过表达具有保护作用，影响COL2、ACAN、MMP13及TNFα表达，证实MSX2为维持软骨稳态的关键因子，潜在治疗靶点。

　　

崔帅|李斌|陶福林|宋文浩|张国明|王瑞|田周斌

山东第一医科大学附属山东省立医院关节外科，济南250012，中国

摘要

目的

尽管骨关节炎（OA）的发病率很高，但软骨破坏的分子机制仍不完全清楚。本研究探讨了肌肉节段同源框2（MSX2）在骨关节炎发病机制中的表达模式和功能作用。

方法

使用三个独立的基因表达组（GEO）数据集（GSE55457、GSE12021和GSE114007）进行差异基因表达分析，以检测骨关节炎软骨与正常软骨中MSX2的表达情况。通过Western blot和定量逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）在人类骨关节炎患者的原代软骨细胞和小鼠骨关节炎模型中验证了表达模式。功能研究采用了失活和激活两种方法，分别通过关节内注射表达MSX2特异性短发夹RNA（shRNA）或MSX2过表达构建体来实现。通过组织学分析、免疫组化和末端脱氧核苷酸转移酶脱氧尿苷三磷酸缺口末端标记（TUNEL）染色来评估软骨形态、蛋白聚糖含量、软骨细胞凋亡、基质标志物和炎症反应。

结果

在所有数据集中，MSX2在骨关节炎样本中均显著下调，验证结果显示人类患者和小鼠模型中的MSX2蛋白和信使核糖核酸（mRNA）水平均降低（p < 0.05）。MSX2敲低显著加剧了软骨退化，增加了软骨细胞凋亡，并通过降低合成标志物II型胶原（COL2）和聚集蛋白聚糖（ACAN）而破坏了基质稳态，同时上调了基质金属蛋白酶13（MMP13）。此外，MSX2敲低增强了炎症反应，表现为巨噬细胞浸润增加和肿瘤坏死因子-α（TNFα）表达升高。相反，MSX2过表达表现出软骨保护作用，改善了软骨形态并减少了凋亡。

结论

MSX2是一种关键的软骨保护因子，维持着软骨的稳态。其下调通过破坏基质稳态、促进软骨细胞凋亡和增强炎症反应而促进骨关节炎的发病机制。这些发现表明MSX2可能是骨关节炎治疗的潜在靶点。

引言

骨关节炎（OA）是全球最常见的退行性关节疾病，其特征是软骨进行性丧失、软骨下骨重塑和慢性炎症，最终导致关节功能障碍和残疾[1]、[2]、[3]。尽管其发病率高且具有重要的社会经济负担，但目前的治疗方法主要是对症治疗，这突显了迫切需要寻找新的分子靶点并理解驱动软骨破坏的病理生理机制[4]。

转录因子在调节软骨发育、稳态和疾病进展中起着关键作用[5]、[6]、[7]。其中，肌肉节段同源框（MSX）基因家族已成为骨骼发育和组织重塑的重要调节因子[8]、[9]。MSX2是该家族的成员，编码一种含有同源框结构的转录因子，已被证明参与多种发育过程，尤其是骨骼和软骨的形成[10]、[11]。在胚胎发育过程中，MSX2对于正确的骨骼模式形成至关重要，并已被证明可以调节关键软骨相关基因和信号通路的表达[10]、[12]。

最近的证据表明，MSX2可能在关节生物学和炎症性关节炎中发挥重要作用。Yagi等人证明，MSX2与Osterix协同作用，调节FRZB（frizzled相关蛋白B）的转录，FRZB是一种Wnt拮抗剂，对软骨发育至关重要，并与骨关节炎的发病机制有关。他们的研究发现，BMP2通过直接结合Osterix和MSX2到FRZB基因启动子来诱导FRZB的表达，提示MSX2可能参与软骨稳态的调节网络[13]。此外，Stec等人报告称，非经典单核细胞中的MSX2-mRNA表达与脊柱关节炎患者的外周关节炎呈正相关，表明MSX2失调可能促进炎症性关节疾病[14]。

然而，尽管有这些有趣的发现，MSX2在骨关节炎发病机制中的具体作用仍不清楚。虽然MSX2已在骨骼发育和某些炎症条件下进行了研究，但其在骨关节炎软骨中的表达模式、功能意义和调节机制尚未系统研究。MSX2在软骨退化中的潜在保护或致病作用、其对软骨基质代谢的影响以及其在骨关节炎特征性炎症过程中的作用仍有待阐明。

鉴于MSX2在骨骼发育中的重要作用及其与关节疾病的新兴关联，我们假设MSX2可能在骨关节炎发病机制中起重要作用。将MSX2确定为潜在的关键调节因子可以为理解软骨破坏的分子机制提供新的见解，并为骨关节炎治疗提供新的靶点。

因此，本研究旨在全面探讨MSX2在骨关节炎中的表达模式和功能作用。我们分析了多个独立骨关节炎样本数据集中的MSX2表达，并在人类患者样本和实验小鼠模型中验证了我们的发现。此外，我们还进行了功能研究，以确定MSX2失调对软骨基质稳态、软骨细胞存活和炎症反应的影响。我们的发现表明，MSX2是软骨稳态中的关键保护因子，其下调显著促进了骨关节炎的病理生理过程。

部分摘录

伦理声明

本研究得到了山东第一医科大学附属山东省立医院伦理委员会的批准。所有人类实验均严格遵循该伦理委员会的指导原则，并在样本收集前获得了所有参与者的书面知情同意。所有人类实验均符合赫尔辛基宣言的要求。

在多个数据集中，MSX2在骨关节炎中始终下调

为了研究骨关节炎中MSX2的表达模式，我们使用了三个独立的GEO数据集进行差异基因表达分析。火山图分析显示，在所有三个数据集中，MSX2在骨关节炎样本中均显著下调（图1）。在GSE55457（10个正常样本 vs 10个骨关节炎样本）、GSE12021（9个正常样本 vs 10个骨关节炎样本）和GSE114007（18个正常样本 vs 20个骨关节炎样本）中，MSX2均显著下调（log2

讨论

我们的研究首次证明，在多个独立数据集和实验模型中，MSX2在骨关节炎软骨中的表达始终下调，这种下调在软骨退化和炎症过程中起着关键作用。通过互补的失活和激活实验，我们提供了有力证据，表明MSX2是一种关键的软骨保护因子，对其操作可以显著影响骨关节炎

作者贡献声明

田周斌：撰写 – 审稿与编辑，方法学。张国明：验证，监督。王瑞：可视化。崔帅：撰写 – 初稿，正式分析，数据管理。李斌：撰写 – 初稿，软件。陶福林：方法学，正式分析。宋文浩：监督，软件

伦理批准

本研究得到了山东第一医科大学附属山东省立医院伦理委员会的批准（批准编号2023-0030）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突

数据可用性声明

本研究使用的数据集可应要求向相应作者索取。

资助

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的特定资助。

利益冲突声明

所有作者均已批准提交并声明没有利益冲突。