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骨发育的重要因子——Mmp13【每周一鼠】

Mmp13基因

赛业生物《每周一鼠》,每周五更新,为大家讲解一个小鼠模型的故事,希望对大家了解不同的小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是Mmp13基因敲除小鼠。

 

Mmp13基因

MMP13属于基质金属蛋白酶家族,是一种胶原酶,该家族蛋白参与如胚胎发育、组织重塑等正常生理过程,还参与疾病过程中的细胞外基质分解。该蛋白的主要功能除了参与骨关节中的Col II降解外,还可以降解软骨中其他类型的胶原如IV型、IX型,和软骨基质成分蛋白多糖等。MMP13及其抑制剂(MMPIS)的失衡是导致Col II降解的起始因素,正常情况下,二者以1:1的比例存在于软骨细胞的胞外基质中,进而维持基质的相对平衡。

Mmp13基因

图1. Mmp13基因基本信息【4】

 

研究人员发现,MMP13在人类正常的组织中含量较低,而在骨关节炎患者中MMP13含量在结缔组织中有很高的表达量。MMP13表达下调会在一定范围内控制骨关节炎(Osteoarthritis,OA)发病进程;而MMP13转录水平一旦上调,软骨细胞内环境的稳态平衡就会遭到破坏,进而使疾病更加严重。除此之外,MMP13还与脊椎干骺端发育不良有关。与之相关的通路包括AGE/RAGE信号传导通路和激酶级联反应中的G蛋白信号传导GTP酶信号传导通路相关。GO分析显示该基因与钙离子结合活性和金属内肽酶活性相关。

Mmp13基因

图2. MMP13蛋白结构预测【3】

 

Mmp13敲除小鼠

纯合Mmp13敲除小鼠有肥大软骨细胞区的宽度增加以及小梁骨增加的表型

 

Stickens D等人为了评估骨骼中哪些细胞表达Mmp13,在软骨骨化过程的不同阶段对小鼠胫骨进行原位杂交。在胚胎期15天,Mmp13在肥大软骨细胞和原发性骨化中心新募集的骨细胞中表达(图3左)。在生长板建立后,Mmp13的表达仅限于肥大软骨细胞群末端和小梁成骨细胞(图3右)。

Mmp13基因

图3. Mmp13在骨化过程中的表达【5】

左图通过对胚胎期15天野生型小鼠胫骨的原位杂交检测Mmp13表达。Mmp13信号用红色表示。黄色虚线表示骨化前沿。蓝色表示Hoechst复染剂。在肥大软骨细胞群(HC)和原发性骨化中心(PO)中能观察到Mmp13表达,在增殖软骨细胞 (PC) 群中没有观察到Mmp13的表达。右图通过原位杂交检测1周龄野生型小鼠趾骨上的Mmp13表达。结果与在左图中观察到的表达模式相反,Mmp13表达仅限于肥大软骨细胞的最末端(箭头指示),TB代表小梁骨。

 

在软骨成骨过程中,MMP13的缺乏导致生长板结构改变和骨小梁增加

 

用茜素红和阿尔新蓝对Mmp13敲除小鼠的整个骨骼进行染色表明,与野生型同窝小鼠相比,所有骨骼无明显差异且长度基本相等(图4A)。因为胫骨和跖骨在生长板的闭合上存在较大差异,因此研究人员着重对其进行微观分析。跖骨大约在四周龄的时候生长板就会闭合,而在完全发育的胫骨中,会保留一小部分生长板软骨。在15日龄,跖骨和胫骨都能观察到骨化中心的形成(图4D),在这个阶段,有文献结果显示,Mmp13的mRNA在肥大软骨细胞中高表达,并与X型胶原蛋白共定位,Mmp13还会在向矿化软骨基质的成骨细胞中表达。

 

在该研究中,15日龄的Mmp13敲除和野生型小鼠的长骨之间没有明显的差异(图4B,C)。因此,在缺少Mmp13的情况下,软骨骨化的初始阶段似乎没有受到影响。研究人员还发现,在动物1周龄之前,Mmp13敲除小鼠跖骨的肥大区也变得明显(图4D,E)。这种表型的严重程度与骨骼的类型具有很高的相关性,通过比较可以发现,跖骨肥大区的扩张比胫骨更明显(图4F,G)。Mmp13敲除小鼠在出生后5周龄,表型都会随着骨生长而变得严重。5周后,骨生长速度减慢,同时肥大的软骨细胞群逐渐恢复到正常的数量。到12周龄时,生长板相关表型得到改善(图4H,I)。此外,研究人员发现,番红素O对突变的生长板具有更高的染色附着力,这表明,Mmp13有助于蛋白多糖的转换。

Mmp13基因

图4. Mmp13敲除小鼠中生长板缺陷的组织学检查【5】

(A)2周龄野生型和Mmp13敲除小鼠整体骨骼的茜素红/阿尔新蓝染色,结果显示不同基因型之间的整体骨骼结构没有明显差异。

(B, C)对胚胎期15天野生型和Mmp13敲除小鼠的胫骨进行染色,结果显示两种基因型的骨干中都存在矿化组织。在不同基因型中,增殖软骨细胞(PC)区、肥大软骨细胞(HC)区和原发性骨化中心(PO)都没有明显差异。 

(D, E)10日龄野生型和Mmp13敲除小鼠的跖骨番红O染色结果

(F, G)10日龄野生型和Mmp13敲除小鼠的胫骨番红O染色结果。Mmp13敲除小鼠生长板的肥大软骨细胞(HC)区域扩大(黑条双箭头表示的长度)。 

(H,I)12周龄的野生型和 Mmp13敲除小鼠的胫骨番红O染色结果。之前观察到的肥大软骨扩张表型得到改善,但番红O在突变小鼠生长板中附着力更强,TB代表小梁骨。

 

治疗方法

Mmp13敲除小鼠会有骨发育相关的问题,而人的Mmp13与OA具有很强的关联性。OA是临床上最常见的慢性关节疾病,OA对全球3.03亿患者造成病痛,患病率随着年龄增长逐渐增加,对中老年人的身体健康造成严重威胁。

 

OA 的治疗方式分为基础治疗、药物治疗和手术治疗,其中药物治疗是OA的重要治疗方法,广泛适用于中早期的OA患者,中老年患者易于接受。传统OA治疗药物有对乙酰氨基酚、非甾体抗炎药、氨基葡萄糖和软骨素、糖皮质激素、透明质酸、透明质酸、5-羟色胺和去甲肾上腺素再摄取抑制剂、医用几丁糖、双醋瑞因和富血小板血浆,大多以缓解症状为主。

 

新型OA药物包括白介素-1(IL-1)抑制剂、肿瘤坏死因子(TNF-α)抑制剂、成纤维细胞生长因子 18、β-神经生长因子、转化生长因子-β 抑制剂、Wnt 信号通路抑制剂、骨形态蛋白-7。

 

小结

本篇内容介绍了Mmp13在骨发育中的作用,该基因与骨关节炎有着很强的联系,未来可能作为一种药物抑制的靶标进行研究。

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参考文献:

1. https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=MMP13&keywords=mmp13

2. http://www.informatics.jax.org/marker/MGI:1340026

3. https://alphafold.ebi.ac.uk/entry/P45452

4. https://rddc.tsinghua-gd.org/

5. Stickens D, Behonick DJ, Ortega N, Heyer B, Hartenstein B, Yu Y, Fosang AJ, Schorpp-Kistner M, Angel P, Werb Z. Altered endochondral bone development in matrix metalloproteinase 13-deficient mice. Development. 2004 Dec;131(23):5883-95. doi: 10.1242/dev.01461. PMID: 15539485; PMCID: PMC2771178.

6. 蒋晓瑞. 高渗诱导因子NFAT5对关节软骨细胞MMP13表达的影响[D].重庆大学,2017.

7. 朴尚. 保护素DX在骨关节炎中的治疗作用和机制研究[D].中国医科大学,2020.DOI:10.27652/d.cnki.gzyku.2020.000330.

 

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