作者：句朝晖北京积水潭医院

生长和分化因子5（GDF5）是骨关节炎（OA）的主要危险位点，OA是最常见的关节疾病，其特征是关节软骨逐渐丧失、软骨下骨重塑、软骨骨赘形成和滑膜炎。跨越130个大的常见变体 kb间隔可导致髋关节和膝关节OA的风险。一个研究充分的SNP位于GDF5基因的5′UTR（rs143383），OA易感性等位基因导致GDF5表达降低。
Gdf5在关节形成过程中起着重要作用。它是胚胎关节间区中最早表达的基因之一，注定会产生关节组织，包括关节软骨、滑膜、半月板和韧带。在整个发育过程中，表达Gdf5的祖细胞不断被招募到关节间区，其子代在成年时仍保持骨骼关节干/祖细胞活性。关节表面损伤后，Gdf5谱系间充质基质/干细胞（MSCs）通过转录辅因子Yes相关蛋白（Yap）的活性增殖，支持滑膜增生并迁移至损伤部位，修复软骨。
GDF5的功能缺失突变与先天性疾病有关，包括Hunter-Thompson综合征、短趾型C16和DuPan综合征。这些综合征在短肢畸形（bp）小鼠中有部分现象复制，其携带GDF5编码突变。纯合子bp小鼠的膝盖畸形缺乏十字韧带。杂合子bp鼠，该模型模拟了导致GDF5表达降低的人类GDF5变异体，未表现出明显的表型，但在实验挑战下表现出对OA的敏感性增加。
最近使用携带BAC转基因小鼠的研究揭示了人和小鼠之间GDF5的保守顺式调控结构。控制发育中和成人关节中GDF5表达的调控序列分布在100千碱基以上，包括其编码外显子的上游和下游区域。虽然Gdf5在发育中的膝关节中的表达受上游和下游调节序列的驱动，但在成人中下游调节区域是唯一使用的，这表明调节体内稳态期间成人膝关节中Gdf5/Gdf5持续表达的基因组序列可能是不同的。值得注意的是，这些下游地区存在许多膝OA的遗传风险变体。
在本研究中，我们使用BAC Gdf5 LacZ报告小鼠来绘制与OA发展或急性软骨损伤和修复相关的成人膝关节组织重塑过程中Gdf5的表达，并确定Gdf5表达的差异调节是否与此类事件相关。
GDF5基因座的等位基因变体与OA风险相关，表明GDF5在终身关节维护中发挥重要作用。据报道，Gdf5在小鼠和人类的成人关节软骨中表达，在OA中表达上调。关于Gdf5表达对急性关节表面缺陷的反应，人们知之甚少，因为急性关节表面缺损在没有修复的情况下或在OA的不同阶段可能会进展为OA。这里，我们使用两个BAC LacZ报告小鼠菌株，在重塑关节组织中显示了Gdf5的表达，这两个小鼠菌株具有Gdf5位置的不同但部分重叠的区域。关节表面损伤后，Gdf5在新形成的软骨修复组织内的软骨细胞和相邻的应力软骨中都高度表达。同样，Gdf5在早期OA的软骨中上调，特别是在初始损伤区域，并且在形成软骨植物中检测到。鉴于已知的Gdf5软骨生成活性，我们的研究结果表明，Gdf5在成年损伤事件后的新软骨形成中发挥作用，可能代表修复关节损伤的尝试。在骨性关节炎晚期，晚期软骨损伤区域的LacZ染色明显减少，这与之前的研究报道的炎症性关节炎或退行性关节炎小鼠广泛受损软骨中Gdf5表达减少一致。这些数据支持Gdf5在成年期关节软骨的维护和修复中的作用，并为施用外源性Gdf5以帮助OA治疗中的软骨修复提供了理论基础。
我们发现，Gdf5在损伤后和OA期间的表达依赖于超过30个DNA序列 Gdf5编码区下游的kb。该下游序列包含关节特异性调节元件，并且能够并且对于挽救小鼠的bp膝表型是必要的。重要的是，它包含许多OA的常见风险变体，其中一些存在于已知的增强子中。我们的研究结果表明，这些下游变异可能通过调节成人膝关节中Gdf5的表达来应对损伤事件，从而影响关节的维护和修复过程，从而部分导致OA风险。他们进一步表明，人类变异体（如UTR中的rs143383 SNP）的作用可能依赖于下游顺式调节元件中存在的顺式作用变异体，而下游顺式调控元件对Gdf5的充分表达至关重要。参与修复的下游调节元件是否与参与OA发展的调节元件不同尚待确定。
识别调节Gdf5表达的分子将为关节的形成、维持和疾病提供重要的见解。据我们所知，迄今为止尚未报道，我们已经揭示了一种调节机制，将Yap活性与Gdf5表达联系起来。在静止的滑膜中无法检测到Gdf5，损伤后滑膜中活化的软骨祖细胞中Gdf5开启，同时Yap下调。在软骨形成的MSCs中，Yap抑制Gdf5的表达，但不抑制Wnt9a的表达，已知可诱导Gdf5表达。我们的数据表明Yap负调节Gdf5，可能是Wnt9a下游的Gdf5表示，我们建议Yap需要下调，以使Gdf5表现成为软骨形成的主要祖细胞。实际上，Yap可阻止体外MSC软骨分化。可能与Yap合作调节Gdf5的候选转录因子包括Sox，据报道可直接调节Gdf4的表达，并发现与人OA软骨中Gdf5的表达相关，以及ZEB1，因为ZEB1结合位点存在于Gdf5启动子区域的增强子上游，并且据报道ZEB1和Yap之间存在直接相互作用。
总之，Gdf5在应力软骨中上调，在软骨祖细胞中启动，并在膝关节损伤后组织重塑过程中在新形成的软骨中表达。这取决于下游调节序列的活动，无论损伤是急性还是慢性关节不稳定，都会发生这种情况，这表明Gdf5调节与特定的损伤事件无关。了解Gdf5在重塑、修复和OA发病机制方面的调节，将对关节表面再生治疗和OA治疗具有重要意义。