透明軟骨纖維化通常被認為是骨關節炎的終末期病理特征，可緻軟骨細胞外基質改變，使組織更加偏向纖維化表型。當透明軟骨損傷或退變為纖維軟骨時，軟骨外基質的主要成分Ⅱ型膠原被Ⅰ型膠原逐步取代。新生的纖維軟骨由于缺乏透明軟骨的生物和機械特性，不能正常發揮關節軟骨的功能。然而，迄今為止，大量的研究集中于軟骨降解分子機制的闡明，關于透明軟骨纖維化研究仍鮮有報道，其關鍵分子機制亟待揭示。
伟徳国际官网登录入口伟徳国际官网登录入口、醫藥生物技術全國重點實驗室孫洋教授、徐強教授團隊首次闡明RNA解旋酶DDX5不僅抑制骨關節炎早期軟骨退變，還直接阻止了晚期透明軟骨的纖維化，該過程是通過選擇性剪接和G-四鍊體解旋雙重作用模式所介導，研究人員還借助DDX5基因療法實現了軟骨損傷的逆轉。
鑒于軟骨與腫瘤微環境均具有乏氧的特征，而腫瘤乏氧微環境下可變剪接發生紊亂，研究人員受此啟發，發現了骨關節炎病理條件下細胞外基質相關基因存在差異可變剪接，并篩選參與調控可變剪接的分子發現RNA解旋酶DDX5下調最顯著。一方面，DDX5與透明軟骨marker COL2表達正相關而與纖維軟骨marker COL1負相關，骨關節炎相關病理性刺激因子如IL-1β和TNF-α可緻軟骨細胞DDX5表達減少；另一方面，敲減DDX5後軟骨細胞系ATDC5由圓球型變成長條型的纖維狀，一些軟骨降解相關基因如MMP13、NOS2、ADAMTS5等表達均上調。進一步構建軟骨細胞誘導性DDX5敲除的小鼠，發現DDX5敲除顯著加重小鼠DMM骨關節炎造模後的關節損傷，且未造模的DDX5條敲鼠在9月齡會出現自發骨關節炎表型（自發的蛋白多糖丢失、COL1/COL2比例上調以及軟骨降解酶高表達）。與之相對，AAV-DDX5腺相關病毒關節腔注射過表達DDX5則可顯著改善關節軟骨損傷。以上結果綜合提示DDX5可能是骨關節炎軟骨纖維化及退變進程中的關鍵分子開關。
進一步研究人員借助RNA-seq及蛋白質組學發現DDX5敲低的ATDC5細胞，其炎症和纖維化等相關通路被顯著富集。利用rMATS軟件挖掘差異剪接基因，發現DDX5的缺失可導緻Fn1和Plod2剪接全長轉錄本的上調，分别促進纖維軟骨表型和細胞外基質的降解，而兩個全長轉錄本的敲減則可顯著抑制纖維化及細胞外基質降解相關基因表達，并在體内部分逆轉DDX5缺乏誘導的骨關節炎加重表型。然而，有意思的是，Fn1和Plod2全長轉錄本的敲減并不影響COL2的表達，但DDX5條敲鼠中COL2表達是下調的，提示DDX5可能還存在其他調節COL2表達的機制。
鑒于DDX5作為解旋酶，不僅具有RNA剪接功能，還可以解旋DNA G-四鍊體（G4）結構。研究人員受此啟發，通過核磁共振技術（NMR）篩選Col2啟動子689-707區域存在G4特征峰并解析了其為3+1型的拓撲結構，結合ChIP-qPCR實驗、免疫熒光以及NMR等多種技術方法驗證了DDX5可與Col2-DNA G4結合并解旋其G4，從而促進COL2的表達；而DDX5的缺失緻Col2-DNA G4形成使得COL2含量降低，導緻透明軟骨表型的喪失。
DX5通過可變剪接和G-四鍊體解旋雙重作用模式阻止透明軟骨纖維化和降解的新機制
綜上所述，該研究勾勒出DDX5在軟骨修複中“既破又立”的雙重作用模式：一方面，DDX5通過調控Fn1和Plod2的可變剪接阻止透明軟骨纖維化和基質降解（破）；另一方面，DDX5還發揮了RNA解旋酶的非經典功能，可直接促進透明軟骨編碼基因Col2-DNA G-四鍊體解旋從而增強COL2表達（立）。該研究為洞悉早期軟骨退變及晚期纖維化的分子開關以及幹預策略提供了重要的線索和思路。相關成果近日以題為DDX5 inhibits hyaline cartilage fibrosis and degradation in osteoarthritis via alternative splicing and G-quadruplex unwinding的研究長文發表在Nature Aging雜志。
伟徳国际官网登录入口劉倩倩博士後和韓明睿博士生、北京大學前沿交叉學科研究院吳志桂博士生、中科院強磁場科學中心付文強博士是該論文的共同第一作者，伟徳国际官网登录入口孫洋教授和徐強教授是該論文的共同通訊作者。該研究還得到華東師範大學伟徳国际官网登录入口賴玉平教授、中科院上海藥物所譚敏佳研究員和翟琳輝副研究員、中科院強磁場科學中心張鈉研究員、伟徳国际官网登录入口醫學院附屬鼓樓醫院蔣青教授和史冬泉教授、伟徳国际官网登录入口醫學院附屬口腔醫院季駿主任、伟徳国际官网登录入口醫學院附屬金陵醫院孫梓熒博士以及伟徳国际官网登录入口陳迪俊教授和劉雯助理準聘教授的幫助，在此一并表示感謝！該工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後及江蘇省博士後科學基金、中科院上海藥物所原創新藥研究全國重點實驗室開放課題和伟徳国际官网登录入口登峰人才計劃等資助。
原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s43587-024-00624-0