骨關節炎（OA）是最常見的滑膜關節退行性疾病，由于疼痛和相關的關節功能障礙可導致慢性殘疾。目前，沒有任何治療方法可以有效地阻止OA的進展，許多受影響的患者最終需要進行關節置換手術。健康軟骨的結構完整性是通過軟骨細胞中細胞外基質（ECM）成分的合成代謝和分解代謝之間的微調平衡來維持的。軟骨細胞在關節軟骨的不同層之間表現出區域特異性異質性。然而，在OA發病過程中，軟骨基質由于軟骨細胞響應生化和生物力學刺激而產生的多種基質破壞酶，特別是基質金屬蛋白酶MMP3、MMP13和aggrecanase-2（ADAMTS5）的過度表達而逐漸降解。因此，探索合成代謝和分解代謝途徑之間失衡的分子機制有望幫助確定OA的新治療靶點。
據報道，MicroRNAs（miRNAs）通過抑制其靶基因來調節OA期間的各種病理過程。補充那些報道的個體miRNAs已被證明能誘導可檢測到的對OA的保護水平，但沒有強有力的修復。那些報道的miRNAs的靶點幾乎總是局限于單一的分解代謝因子，而一個有希望的OA治療選擇可能需要同時抑制多種基質降解酶。也許多個miRNAs的組合使用是一種選擇，除非可以鑒定出一個microRNA同時靶向多種（如果不是全部）關鍵的OA相關基質降解酶。
MiR-17-5p（miR-17）屬于miR-17~92簇，該microRNA簇的失調已被發現與人類骨骼畸形和相關生長缺陷有關。最近的報道顯示，通過該簇內4個種子家族成員的連續突變，只有miR-17種子家族的缺失導致椎體轉化和第五中指骨縮短，表明miR-17在控制骨骼發育中具有深遠的作用。然而，miR-17~92簇，尤其是miR-17，在成人軟骨維持和OA進展中的功能尚未完全闡明。miR-17~92簇在心臟發育過程中可受BMP家族蛋白（包括BMP2/4）的調節。另一個BMP家族成員，生長分化因子5（GDF-5）在關節形態發生過程中發揮關鍵作用。與Gdf5基因轉錄減少相關的功能性單核苷酸多態性目前是人群中成人OA發病最一致的風險因素。有趣的是，由miR-17~92簇功能障礙導致的骨骼缺陷顯示出指骨元件的縮短和關節的骨融合，這在GDF5缺失時也觀察到，表明GDF5和miR-17之間存在相互聯系。
近日，Nature Communications期刊發表了題為Dual functions of microRNA-17 in maintaining cartilage homeostasis and protection against osteoarthritis的研究論文。報道了miR-17在維持軟骨穩態和預防OA方面的雙重功能，表明miR-17可能是一個潛在的OA藥物靶點。
本研究使用在軟骨細胞中鑒定的前30個豐富表達的miRNAs以及miRNA靶點預測程序進行計算機篩選，以鑒定能同時靶向MMP13和ADAMTS5的miRNAs，結果篩選出4個miRNAs（miR-17、miR-20a、miR-140-3p和miR-27-3p）。有趣的是，miR-17和miR-20a恰好位于miR-17~92簇中。因此，研究人員探索了GDF-5和miR-17~92簇之間的可能關系，結果發現miR-17是該簇中表達最高且強烈上調的miRNA，以響應GDF-5。因此，研究人員選擇miR-17進行進一步研究。
通過使用內側半月板失穩（DMM）誘導的小鼠OA模型，研究人員發現骨關節炎軟骨細胞中miR-17的表達降低。為了探討miR-17減少在OA進展中的作用，研究人員通過功能缺失性（關節內注射3nmol劑量的antagomir-17）和獲得性（關節內注射1.5 nmol agomir-17）實驗證實了miR-17的降低有助于OA的進展。
Fig1. MiR-17缺乏加劇了DMM誘導的OA中的軟骨破壞
為了探索miR-17在OA進展過程中抑制軟骨破壞的機制，研究人員通過靶點預測、體內實驗、熒光素酶報告基因等實驗發現補充外源性miR-17或由GDF-5內源性誘導的miR-17，通過同時靶向包括基質金屬蛋白酶3/13（MMP3/13）、aggrecanase-2（ADAMTS5）和一氧化氮合酶2（NOS2）在內的病理分解代謝因子來保護軟骨免受破壞，從而有效地預防了OA。
Fig2. miR-17通過靶向多種病理分解代謝因子抑制軟骨破壞
最后，研究人員發現在未進行DMM手術的miR-17~92 cKO小鼠中，軟骨細胞MiR-17~92缺乏會引發軟骨退變。為了探索miR-17~92缺乏導致軟骨退變的潛在機制，研究人員對從股骨內側髁分離的細胞進行了單細胞RNA測序（scRNA-seq），結果揭示了兩個不同的表層軟骨細胞群（C1/C2）。C1表達包括MMP2在內的生理分解代謝因子，C2具有滑膜特征，C3位于中間區域。生理條件下，MiR-17在表層和中間層軟骨細胞中均高度表達，并可能通過限制HIF-1α信號來維持生理分解代謝和合成代謝平衡（維持軟骨穩態）。
Fig3. MiR-17在關節軟骨細胞亞群中維持合成代謝和分解代謝平衡
總之，本研究發現miR-17在關節軟骨的表層和中間區域高度表達，其通過同時靶向包括MMP3、MMP13、ADAMTS5和NOS2在內的病理分解代謝因子來防止DMM誘導的軟骨破壞。此外，本研究還發現GDF-5上調內源性miR-17表達以發揮其對OA的保護作用。對miR-17~92敲除軟骨細胞的ScRNA-seq分析和進一步的實驗表明，miR-17還可能通過限制HIF-1α的積累來正向調節參與軟骨穩態的生理分解代謝和合成代謝因子。
Fig4. miR-17在維持軟骨穩態和預防OA中的機制模型示意圖
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30119-8
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