摘要
骨关节炎（OA）是一种常见的慢性退行性疾病，目前关于其发病机制未能完全明确。近年来，雌激素在OA发生发展中的作用引起学者关注，特别是Ｇ蛋白偶联受体（GPCRs）这类人体内最大的膜家族受体，GPCRs可触发多种细胞内信号通路，对细胞外刺激产生应答。已有研究表明，GPCRs在OA相关的发病机制中发挥着重要作用，如软骨基质降解、滑膜炎、软骨下骨重塑和骨质增生的形成。然而，目前的药物治疗大多是对症治疗，迄今为止改变OA疾病的药物还很少。激活G蛋白偶联受体120（GPR120）能够抑制基质金属蛋白酶和含血小板反应蛋白的解聚素样金属蛋白酶的表达，从而减少软骨细胞外基质中胶原蛋白和蛋白聚糖的分解，保护软骨结构的完整性。靶向GPCRs能够抑制软骨基质降解和滑膜炎，上调软骨基质合成，为OA提供了一种新的治疗策略。本文从GPCRs的结构、功能以及其在OA中发病机制和治疗新作用进行综述，探讨GPCRs与骨关节炎的关系，为今后进一步可能的研究方向提供参考。
骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨下骨结构失衡、软骨基质降解、关节骨赘增生及关节滑膜炎为特征，并引起患者关节疼痛、活动功能受限、严重可致残疾的关节疾病[1]。常由多因素共同导致，包括性别不同（女性绝经后激素水平下降及生理性解剖差异）、肥胖、地理区域、机械负荷及炎症等[2-4]。据统计，我国膝骨关节炎发病率女性为10.3%，明显高于男性的5.7%[5]，且OA在女性50岁之前发病率较低，大于50岁发病率显著上升[6]。现代研究发现，女性体内卵巢功能衰减自然绝经后雌激素缺乏与OA形成及严重程度密切相关[7-8]。部分OA的发生因雌激素水平及雌激素受体活性降低所致[9]，因此国外学者采样雌激素替代疗法用于绝经后女性，发现雌激素或其调节剂能够降低OA发生率并缓解疼痛[10]。雌激素在人体内通过与相应受体结合发挥其生理效应，除了经典的雌激素受体α和β外，仍发现了一种属于G蛋白偶联受体（G protein coupled receptors，GPCRs）家族的膜受体，能够与雌激素结合发挥雌激素样效应参与调控骨及软骨组织功能。GPCRs是目前已知人体最广泛的膜受体蛋白，能够应答细胞外刺激和激活多种细胞内信号通路。目前，针对OA的药物治疗主要是症状性的，缺乏改变疾病进程的药物，因此GPCRs在OA的发病机制和治疗中的作用受到了广泛关注。本文综述了GPCRs的结构、生物功能以及其在OA发病和治疗中的新作用
1 GPCRs的结构
GPCRs是一类跨膜受体蛋白，其数量及类型在所有细胞表明受体均表现最多[11]，基因组编码超过800个成员，几乎参与所有生命活动，负责调控细胞对激素、神经递质、趋化因子等的表达，对维持正常生命健康活动具有重大意义[12]。GPCRs的蛋白结构可以分为三部分[11]：1）胞内区：由第8段螺旋、3段胞内环区和羟基端区域组成，参与识别G蛋白信号分子并调控与相关信号分子结合，进而达到传递信号作用[13-14]；2）跨膜区：由7段跨膜螺旋组成，是GPCRs蛋白的骨架结构，其能够识别与其对应的底物，参与底物分子结合，并调节对受体的不同活性[15]；3）胞外区：由N末端和3段胞外环区组成，内含两个半胱氨酸残基及生成的二硫键，具有稳定蛋白空间结构的功能，同时带有糖基化修饰[16-17]。GPCRs蛋白编码基因在人类基因组占比超过2%[18]。根据GPCRs家族氨基酸序列将其分为分泌素类、谷氨酸盐类、黏附类、紫红质类和卷曲蛋白类家族[19]。
结构不同的GPCRs识别并结合不同的配体，导致G蛋白、G蛋白偶联受体激酶（GRK）和β-抑制蛋白（β-arrestin）信号激活，进而启动细胞内信号级联反应，其中G蛋白是GPCRs信号转导中的关键介体，由α、β和γ亚基组成[20]，G蛋白激活后，释放GDP并使GTP与G蛋白结合，从而分离Gα亚单位与受体和Gβγ亚基，活性的Gα通过包括环磷酸腺苷（cAMP），腺苷酸环化酶通路，细胞内Ca2+浓度等方式介导包括细胞增殖和凋亡在内的各种细胞生物学效应[21]。GRK在信号反馈调节机制中起稳定性作用。β-arrestin通过GRK的磷酸化激活GPCR并终止G蛋白信号转导，进而控制GPCRs的内化及脱敏[22-23]，β-arrestin同时能够介导包括表皮生长因子受体（EGFR）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）和原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src（Src激酶）等多种信号通路的传递。
GPCRs参与了人体内众多生理进程，因此作为药物标靶重要靶点，在心血管疾病、免疫性疾病、代谢性疾病和癌症等重大疾病中发挥重要作用，随着现代研究技术的精进，对GPCRs的受体晶体结构进行测定，为基于结构的药物制作提供基础[24]，美国FDA批准关于靶向GPCRs的药物占准许上市药物三成左右[25]。研究发现，多个GPCRs，如G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPR）68、GPR40、G蛋白偶联雌激素受体（G protein-coupled estrogen receptor，GPER）等，可通过介导软骨细胞增值、分化，抑制炎症因子分泌，修复软骨损伤，参与OA的生理及病理进程[26-28]。
2 GPCRs在OA中的作用
雌激素在骨代谢过程中发挥重要作用，能够同时参与关节软骨及软骨下骨的生理代谢[29]。GPCRs是骨骼系统中含有的一类多样性细胞膜受体，能够应答炎性因子、剪切应力及激素等外部信号，调节关节炎症、软骨细胞的分化及修复[30]。研究发现趋化因子、激肽B2、补体因子等多种GPCRs受体，广泛分布于关节处。GPCRs超家族中不同受体与不同的配体或信号分子结合表达不同的生理特性，激活下游相关信号通路，促进或抑制OA的进程，具体机制及调控OA功能见表1。
表1相关GPCR调控OA功能一览表
注：GPR30为G蛋白偶联受体30；GRK6为G蛋白偶联受体激酶6；GPR4为G蛋白偶联受体4；GRK2为G蛋白偶联受体激酶2; TGR5为G蛋白偶联胆汁酸受体
3 GPCRs在OA中介导的信号通路
GPCRs在人体中正常运转对维持健康至关重要，从众多学者研究中收集人类GPCRs的435个疾病相关突变上，发现高达1/4的突变发生在GPCRs的共同激活通路上[12]。不同GPCRs超家族成员与相应配体结合并被激活，不同的GPCRs受体，如GPR30、GPR4，介导不同的下游通路在OA进程中发挥不同生理效益（图1）。
图1OA相关GPCR信号转导通路
3.1 GPR30/PI3K/Akt-mTOR信号转导通路
GPR30存在于细胞膜、线粒体、内质网及高尔基体上，在骨、心血管、子宫、下丘脑等器官及组织中高表达[39]，主要与雌激素的快速反应和第二信使介导的细胞内信号传导级联激活功能相关[40]。研究发现，GPR30参与植物雌激素及异种雌激素的非基因组雌激素作用，激活后的GPR30能够刺激包括MAPK、PI3K/Akt、ERK等下游信号的传导，参与细胞的增值及凋亡生理病理等活动[41]。GPR30被活化后，G蛋白中α亚基激活腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC）并促进AMP生成cAMP的作用，随着cAMP表达的增强，蛋白激酶A及PKA下游的多种激酶同时激活，使其能够调节正常生理功能[42]。研究发现，GPR30通过MAPK/ERK通路[43]开启下游Fos和Jun原癌基因蛋白转录，管控周期蛋白的表达，进而影响细胞的分化及增值凋亡。在一项体外细胞试验研究中发现，G1激活GPR30后，促进细胞周期S期的细胞数量增长，c-fos及cyclin D1分泌增多，加快了细胞增殖和迁徙[44]。同时GPR30能够随着细胞环境的改变激活或抑制NF-kB的活性，发挥炎症调节功能[45]。
学者研究发现[32]，GPR30的蛋白和mRNA存在软骨细胞中，17β-雌二醇能够促进GPR30 mRNA及FGPR30受体蛋白的分泌和表达，同时提升软骨细胞中Akt和mTOR蛋白的活性，使得GPR30/PI3K/Akt-mTOR信号通路开启，进而抑制软骨细胞的线粒体自噬活动，保护软骨细胞。
3.2 GPR4/CXCL12/NF-κB/MEK信号转导通路
质子感应型GPR4是仅有的能够在多种类型的内皮细胞中高表达的质子敏感的受体。在炎症性疾病中，GPR4通过刺激性G蛋白/环磷酸腺苷/环磷酸腺苷直接激活的交换蛋白（Gs/cAMP/Epac）通路调控内皮细胞细胞因子、黏附分子等因子的表达，在炎性病变病理进展中发挥作用[46]。研究发现，骨关节炎关节液的pH值为7.38~7.55[47]，细胞外酸化诱导软骨损伤，PH值越低，软骨损伤越明显，3级损伤软骨组织表面区的pH值为4.5~6.5[48-49]。试验研究发现，关节炎患者和关节炎小鼠中关节软骨较正常软骨组织明显高表达GPR4，GPR4的过度释放促使炎症因子和基质降解酶的生成表达，GPR4的下降能够延缓关节滑膜炎、关节软骨退变并改善关节疼痛，因此GPR4的表达与关节炎的发展呈负相关[35]。有学者研究发现，软骨细胞系中GPR4过度分泌释放促进诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，调控软骨微环境中NO的生成，进而加重软骨组织中缺氧、酸化环境，加快软骨组织的破坏导致骨关节炎[50]。
GPR4易激活的PH值范围在5.6~7.6之间，激活的GPR4调控G蛋白α亚基q/11亚型/磷脂酶C（Gαq/11/PLC）和G蛋白α亚基12/13亚型/Rho GTP酶（Gα12/13/Rho GTPase）信号通路传导生物分子信号[51]。在炎症因子及酸性环境刺激下，软骨细胞上调的GPR4的mRNA及蛋白水平的表达，促使趋化因子释放，激活CXCL12/NF-κB/MEK信号通路加快基质降解酶生成释放，加速软骨细胞外基质降解及软骨组织架构破坏，进而促骨关节炎的发生发展[41]。
4 GPCRs作为OA治疗的潜在靶点
4.1 GPR17
GPR17是一种孤儿受体，在激活超氧化物歧化酶（SOD）的活性和下调细胞内活性氧（ROS）释放，普鲁司特拮抗GPR17能显著抑制氧化应激，进而阻止TNF-α诱导的Ⅱ型胶原蛋白的减少，同时普鲁司特通过阻断GPR17能够抑制基质金属蛋白酶13和基质金属蛋白酶3的分泌和释放，减缓Ⅱ型胶原蛋白的降解。表明GPR17可能是治疗OA的潜在靶点[52]。
4.2 G蛋白偶联受体C类5成员B（GPRC5B）调节自噬
GPRC5B不仅能抑制软骨降解，还能激活软骨新生，从而预防OA。研究观察到GPRC5B缺陷的小鼠在内侧半月板诱导的OA小鼠模型中呈现更严重的OA体征，软骨合成代谢下调，分解代谢因子上调。研究还评估GPRC5B通过介导Akt-mTOR自噬信号通路发挥该生理效应。证明GPRC5B在OA发病机制中起到重要作用，因此，激活GPRC5B可成为延缓OA进展的潜在治疗靶点[53]。
5 小结与展望
本文简要介绍了GPCRs的结构及其家族相关受体的生物学功能，及其在骨关节炎疾病中发挥的作用及作用机制。已有研究表明雌激素及其衍生物生理功能的失衡是骨关节炎发生发展的重要因素之一，GPCRs能够响应不同外部刺激并参与细胞内信号调控，调节骨关节炎的进程。靶向GPCRs主要通过抑制软骨基质降解和滑膜炎症，以及上调软骨基质的合成，从而缓解OA。目前，单细胞组学技术已经被应用于鉴定OA软骨细胞及滑膜细胞中GPCRs含量及细胞与GPCRs相互作用的蛋白复合物，揭示其在炎症反应中的作用。通过定量蛋白质组学可以分析正常和OA组织中GPCRs及其相关信号通路蛋白的表达变化，筛选出差异表达的GPCRs作为潜在的疾病标志物或药物靶点。通过这些技术可以深入理解GPCRs在不同细胞类型和病理状态下的功能和调控机制，为绘制GPCRs相关信号传导机制和药物设计提供基础，揭示其在OA发生发展中的复杂调控机制，为开发新的治疗策略提供理论依据。