Сустав это где две кости приходят в соприкосновение (Fig. 1; Goldring and Goldring 2005). Synarthroses это неподвижные суставы. В этих суставах тонкий фиброзный слой соединительной ткани соединяет кости. Швы черепа являются примером неподвижных суставов. Amphiarthroses являются слегка подвижными суставами. В этом типе суставов кости соединяются с помощью гиалинового хряща или волокнистого хряща. Рёбра соединены с грудиной с помощью реберных хрящей, а лонное сочленение и межпозвоночные диски являются примерами этого типа. Большинство суставов во взрослом теле это diarthroses или свободно движущиеся суставы. В этом типе суставов концы противостоящих костей покрыты гиалиновым хрящом, суставным хрящом и они разделяются пространством, наз. суставной полостью. Компоненты суставов заключены в плотную фиброзную суставную капсулу. Внутренний слой капсулы является синовиальной мембраной, которая секретирует синовиальную жидкость в полость сустава для смазки. Поскоьку все эти суставы имеют синовиальную мембрану, то иногда они наз. синовиальными суставами (Fig. 1).
Остеоартрит (OA) это болезнь суставов, которая затрагивает большую часть населения старших возрастов, основными признаками которого являются повреждения поверхности суставного хряща, обширное субхондральное ремоделирование кости, воспаление синовиальной оболочки с утолщением суставной капсулы и образование osteophyte (костных шпор) по краям суставов (Little and Fosang 2010). На сегодня не существует лечения для поврежденного суставного хряща помимо хирургического замещения искусственным суставом.
Молекулярные механизмы, лежащие в основе образования суставов, ещё полностью не выяснены (Kingsley 2001). Хорошо изученная модель образования синовиального сустава это на фалангах пальцев. Метатарзальные; проксимальные, медиальные и дистальные фаланги; и суставы между одними и теми же косточками возникают из одиночных конденсатов, наз. пальцевыми лучами. Первым указанием на развитие сустава в пальцевых лучах являются образование промежуточной зоны, специализированной области из более высокой плотности клеток внутри конденсатов. Промежуточная зона превращается в трехслойную интерзону, состоящую из двух регионов с более высокой плотностью клеток, между которыми в виде сэндвича область низкой плотности клеток. Клетки в зоне низкой плотности постепенно исчезают, возможно в результате запрограммированной клеточной гибели и таким образом образуется суставная полость. Два региона более высокой плотности клеток, как полагают, дифференцируются в суставное хрящевое покрытие суставных поверхностей соседних костей. Суставная капсула-т.e., связки и синовиальная выстилка-и сухожилия развиваются из конденсатов, расположенных по бокам от пальцевых лучей. Следовательно, интеграция развития эндохондральных костей и развития суставов в пальцах приводит к формированию функциональных синовиальных суставов: двух костей, чьи суставные поверхности покрыты суставным хрящом, разделенных заполненной синовиальной жидкостью узкой полостью и соединенных суставной капсулой. Растворимые белки, такие как GDF5, Wnt14 и Noggin и транскрипционные факторы. такие как Sox5, Sox 6 и Hif-1? являются основными регуляторами развития суставов (Brunet et al. 1998; Storm and Kingsley 1999; Hartmann and Tabin 2001; Provot et al. 2007; Dy et al. 2010). Однако всё ещё в основном неясно, как эти разные сигналы интегрируются, чтобы сформировать суставы.
Подобно хондроцитам в развивающейся ростовой пластинке хондроциты, образующие суставную поверхность синовиального сустава, являются клетками, которые продуцируют и поддерживают уникальный и обильный внеклеточный матрикс. Этот хрящевой матрикс содержит два компонента: протеогликаны и коллагены. Коллагены обеспечивают структуру и силу матрикса (Olsen 1996). Протеогликаны являются макромолекулами, содержащими стержневой белок со множественными прикрепленными GAGs (glycosoaminoglycans) (Knudson and Knudson 2001). Благодаря высокому в них содержанию GAGs, протеогликаны сильно гидратированы. Одним из наиболее важных внеклеточных протеогликанов являются aggrecan, преобладающий протеогликан в суставном хряще. Aggrecan образует крупные агрегаты, которые придают хрящу его уникальные гель-подобные свойства и его устойчивость к деформациям. Центральным компонентом этих агрегатов является длинная молекула hyaluronan (Bastow et al. 2008). Гиалуронан является единственным внеклеточным олигосахаридом, который не связан ковалентно с белком, поскольку он связан с aggrecan нековалентным способом. Связующий белок, который связан с аггрекановым белком и гиалуронаном, облегчает подобное связывание. GAGs, прикрепленные ковалентно к аггрекану это keratan sulfate и chondroitin sulfate.
Деградация аггрекана является важным проявлением OA (Roughley 2001; Little and Fosang 2010). Поскольку потеря аггрекана из хряща являются ранним и обратимым событием, in vitro и in vivo, и поскольку аггрекан может оказывать защитную роль в предупреждении деградации хряща, то большое количество исследований было сфокусировано на aggrecanolysis на молекулярном уровне. Aggrecanases являются принципиальными протеиназами, ответственными за деградацию аггрекана в суставном хряще (Little and Fosang 2010). Др. критическими энзимами, участвующими в патогенезе OA являются matrix metalloproteinases (MMPs) (Little et al. 2009); aggrecanases активны на ранней фазе OA, тогда как деградация коллагенового внеклеточного матрикса хряща с помощью MMPs является поздним событием.
ADAMTS-4 b ADAMTS-5 являются наиболее эффективными aggrecanases, и в целом считается, что они наиболее вероятные кандидаты на роль в патологических механизмах OA (Ameye and Young 2006; Little and Fosang 2010). ADAMTS-4 и ADAMTS-5 являются членами zinc металлопротеиназами "A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs" (ADAMTS) семейства генов. Они состоят из одиночной сигнальной последовательности, prodomain, каталитического домена, disintegrin-подобного домена, спейсерной области и thrombospondin мотивы (TSP), которые помогают регулировать их активность и специфичность к субстрату. ADAMTS-5очень маленький член семейства ADAMTS, имеет только два TSP мотива, а ADAMTS-4 является одним из наиболее коротких только с одним TSP мотивом. Однако экспрессия металлопротеаз ADAMTS-4 и ADAMTS-5, регулируемая на транскрипционном уровне, является противоречивой. ADAMTS-5 является основной aggrecanase в хряще мышей (Glasson et al. 2005; Stanton et al. 2005), в то время всё ещё неясно, является ADAMTS-5 или ADAMTS-4 основной aggrecanase в хрящах человека (Hardingham 2008; Little and Fosang 2010). Отметим, что ADAMTS-5-дефицитные мыши (Glasson et al. 2005; Stanton et al. 2005), но не ADAMTS-4-дефицитные мыши, защищены от эрозии хряща в моделях экспериментального артрита (Glasson et al. 2004; Little and Fosang 2010). Tissue inhibitor of metalloproteinase-3 (TIMP3) является наиболее важным эндогенным внеклеточным ингибитором aggrecanases, идентифицированным в хряще (Little and Fosang 2010). ADAMTS-5 экспрессируется в многих тканях; однако его функция в тканях, иных чем хрящ остается неизвестной (Little and Fosang 2010).
В данном номере Genes & Development, Miyaki et al. (2010) , используя мышиную генетику, предоставили солидные и строгие доказательства, что miR-140, которая почти уникально и обильно экспрессируется в хондроцитах (Tuddenham et al. 2006), играет важную роль в развитии кости, по крайней мере, частично контролируя пролиферацию. Это первое сообщение, идентифицировавшее miRNA с критической ролью в развитии и гомеостазе хряща
in vivo.
miRNAs, development, and diseases
miRNAs действуют как репрессоры транскрипции, соединяясь с 3' untranslated region (UTR) целевой мРНК и подавляя её (Bartel 2004). miRNAs впервые были идентифицированы в 1993, когда две независимые группы исследователей показали. что делеция гена lin-4 у Caenorhabditis elegans необходима для корректного пост-эмбрионального развития (Lee et al. 1993). Неожиданно этот ген не кодировал белка, а небольшую в 22-nt РНК, позднее названной miRNA. Изучение этого фрагмента РНК позволило показать, что lin-4 комплементарна гену lin-14 и негативно регулирует его экспрессию. Однако значение этого открытия не было ясным до 2001, когда было найдено большое количество малых РНК со сходными функциями, что и lin-4 как у позвоночных, так и беспозвоночных (Lagos-Quintana et al. 2001; Lau et al. 2001; Lee and Ambros 2001).
В последние годы miRNAs стали чрезвычайно популярны, т.к. они участвуют в огромном количестве биологических процессов и патологических состояний (Pasquinelli and Ruvkun 2002; Garzon et al. 2009). miRNAs в основном транскрибируются с помощью RNA polymerase II (Fig. 2, step 1), хотя описаны и транскрипты, получаемые с помощью RNA polymerase III (Winter et al. 2009). Их классическая структура это маленький ген, расположенный в межгенной области и с автономным промотором (Lagos-Quintana et al. 2001; Lau et al. 2001; Lee and Ambros 2001). Ген транскрибируется в ~70-nt транскрипт, который образует расширенную stem-loop структуру, формой похожей на шпильку с частичной комплементарной последовательностью в области ствола, которой обладает будущая miRNA: эта структура называется pri-miRNA. Созревание pri-miRNA происходит в ядре с помощью Drosha. Этот высоко законсервированный RNase III-типа энзим действует вместе с DGCR8 (DiGeorge critical region 8) белком (Winter et al. 2009) , чтобы эндонуклеотически расщепить шпильку и дать т. наз. pre-miRNA (Fig. 2, step 2a).
Существенное количество miRNAs обнаруживается в полицистронных единицах, которые являются кластерами геномных областей, которые кодируют более одной miRNA (Fig. 2, step 2b). Они также формируются посредством расщепления с помощью Drosha. Интересным примером является кластер miR-17-92, хорошо известный онкоген, но также мощный регулятор развития (Mendell 2008). Наконец, некоторые, miRNAs генерируются из интронов мРНК, такие как miR-140, посредством не до конца ясного механизма, который использует spliceosome (Fig. 2, step 2c; Winter et al. 2009).
В ядре pre-miRNA распознается с помощью Exportin5 (XPO5) и в комплексе с Ran-GTP, транспортируется в цитозоль посредством nuclear pore complex (NPC) (Fig. 2, step 3). Цитоплазматическая RNase III Dicer осуществляет свое действие на pre-miRNA (Fig. 2, step 4) путем разрезания петли и высвобождения дуплекса miRNA:miRNA* с 2 nt, выпячивающимися с каждого 3' конца (Fig. 2, step 5; Winter et al. 2009).
Действие miRNA имеет место в miRNA-induced silencing complex (miRISC). Специфическая АТФ-зависимая helicases может разворачивать дуплекс miRNA, хотя helicases не являются строго необходимы, т.к. белок Argonaute 2 (Ago2) облегчает раскручивание и загрузку на RISC (Fig. 2, step 6; Winter et al. 2009). Теоретически обе нити могут генерировать две зрелые miRNAs, но обычно только одна с термодинамически менее стабильным 5' концом инкорпорируется в RISC, тогда как др. нить деградирует. Как только miRISC:miRNA комплекс спаривается со своей мишенью 3' UTR мРНК (Fig. 2, step 7), он может действовать как репрессор трансляции или он может деградировать мишень мРНК. Критические нуклеотиды в последовательности miRNA обычно находятся в позиции 2-8, наз. miRNA зерно, которая почти в точности комплементарна 3' UTR элементам (Bartel 2004).
Трансляция может быть репрессирована путем блокирования как сборки аппарата трансляции, так и синтеза зарождающегося полипептида (Fig. 2, step 8a). Комплекс miRISC содержит Ago2, который конкурирует с фактором инициации eIF4E за связывание mRNA Cap, также как и с anti-association фактором eIF6, который ингибирует сборку рибосом на мРНК (Wu and Belasco 2008). Преждевременное завершение синтеза полипептида и деградация вновь сформированной цепи также вносит вкладв ингибирование трансляции, но этот процесс до конца не понят. Напротив, распад мишени мРНК достигается с помощью эндонуклеолитического расщепления мРНК с помощью Ago2- если имеется почти совершенное спаривание зерна miRNA:mRNA региона-или с помощью RISC-обеспечиваемого нахождения 3' polyA хвоста, чтобы сделать его чувствительным к действию deadenylase (Fig. 2, step 8b; Wu and Belasco 2008). Ингибирование трансляции с помощью miRNA представляет собой динамичный тонкий контроль в противоположность распаду мРНК, который является необратимым-хотя и более эффективным-механизмом пост-транскрипционной негативной регуляции.
Детальное описание биогенеза miRNA и пост-транскрипционного действия лежит за пределами наших целей (см.Bartel 2004; Wu and Belasco 2008; Winter et al. 2009).
miRNAs принадлежат почти исключительно геномам Metazoan, хотя недавно сообщалось, что одноклеточная зеленая водоросль, Chlamydomonas reinhardtii, также имеет miRNAs (Zhao et al. 2007). Количество miRNAs коррелирует со сложностью организма, в котором они идентифицированы и даже среди позвоночных эволюция miRNA отражает из таксономическую иерархию, с увеличением количества miRNAs у приматов по сравнению с др. порядками (Peterson et al. 2009). Согласно рессурсу microRNA.org data (http://www.microrna.org), на April 2010, было идентифицировано 677 miRNAs у человека и 491 у мыши (Betel et al. 2008), тогда как miRBase (http://www.mirbase.org) сообщает о 721 miRNAs у человека и 579 miRNAs у мыши (Griffiths-Jones et al. 2008). miRNA гены в целом законсервированы, постоянно добавляются и почти никогда не теряются геномом.У очень примитивных организмов появление новых miRNAs прекрасно коррелирует с эволюцией новых органов или тканей (Christodoulou et al. 2010). В согласии с этим наблюдением более рано появившиеся miRNA в геноме, большинство их экспрессируется и очень существенно для выживания организма (Peterson et al. 2009).
miRNAs важны для развития и органогенеза. Значение регуляции miRNA у развивающихся эмбрионов выявляется при универсальном нокауте Dicer и Argonaute, соотв., у мышей (Bernstein et al. 2003; Liu et al. 2004). Потеря Dicer у мышей ведет к эмбриональной летальности на 7.5 эмбриогенеза (E7.5) (Bernstein et al. 2003). Потеря Argonaute вызывает тяжелые дефекты развития на ст. E10.5 (Liu et al. 2004). Получение условных Dicer нокаутов в разных органах выявляет важную роль miRNAs в их развитии. Прекрасным примером является нокаут Dicer в мезенхиме конечностей (Harfe et al. 2005; Kobayashi et al. 2008).
Эмбриональные стволовые (ES) клетки, которые обладают уникальным набором miRNAs (Houbaviy et al. 2003), не дифференцируются соотв. образом, если аппарат преобразования miRNA нарушен (Kanellopoulou et al. 2005). См. обзор Stefani and Slack (2008).
В скелетно-мышечной системе miR-1 и miR-133 являются мышце-специфическими miRNAs (Chen et al. 2006). Идентифицировано множество предполагаемых мишеней для miR-1, включая транскрипционные факторы, которые регулируют пролиферацию в противовес дифференцировке, такие как histone deacetylase 4 (HDAC4), и в целом в результате экспрессии
miR-1 осуществляется мышечная дифференцировка. miR-133 транскрибируется вместе с miR-1 транскриптами, но её экспрессия противоположна по результату на миогенез, т.к. она усиливает общую пролиферацию и снижает дифференцировку миоцитов, супрессируя экспрессию мышечных генов посредством репрессии serum response factor (SRF) (Chen et al. 2006). Противоположное действие близко родственных miRNAs представляет важную информацию о деликатном балансе и выраженной сложности это регуляторной системы.
miR-140
Ген miRNA-140 располагается между экзонами 16 и 17 гена E3 ubiquitin protein ligase
Wwp2, на мышиной хромосоме 8 и на коротком плече хромосомы 16 у человека. Впервые установлено, что эта miRNA преимущественно экспрессируется в хряще во время развития как длинных, так и плоских костей (Tuddenham et al. 2006). Первое исследование с участием miR-140 сообщало, что HDAC4 подавляется с помощью этой miRNA (Tuddenham et al. 2006). В последующих исследованиях было подтверждено, что химиорезистентность ксенографов опухолевой остеосаркомы обеспечивается частично с помощью miR-140-зависимой супрессии HDAC4, вместе с индуцированной экспрессией p52 и p21 (Song et al. 2009). Напротив, в глиомах избыточная экспрессия
miR-140 коррелирует со злокачественным разрастанием опухоли (Malzkorn et al. 2009).
miR-140 and OA
В последние годы предполагаемая роль miRNAs в патогенезе OA была подтверждена (Miyaki et al. 2009; Yamasaki et al. 2009; Akhtar et al. 2010). В ранее опубликованном исследовании, Asahara с коллегами (Miyaki et al. 2009) было показано, что обычный суставной хрящ у человека экспрессирует miR-140, и что эта экспрессия существенно снижается в OA ткани и что in vitro обработка хондроцитов с помощью IL-1?, цитокина, классически участвующего в патогенезе OA, супрессирует экспрессию miR-140. Напротив, трансфекция хондроцитов с помощью miR-140 подавляет IL-1?-индуцированную экспрессию ADAMTS5 (Miyaki et al. 2009).
Та же самая группа теперь в данном номере Genes & Development сообщает, что miR-140 играет критическую роль в патогенезе OA с помощью механизма, который, по крайней мере, частично связан с регуляцией ADAMTS5. В серии элегантных экспериментов
in vivo и с помощью достижений мышиной генетики, Miyaki et al. (2010) предоставили солидные и четкие доказательства того, что хотя miR-140 не обязательна для образования суставного поверхностного хряща, универсальный нокаут miR-140 предрасполагает к связанным с возрастом OA изменениям, и напротив избыточная экспрессия
miR-140 в хондроцитах защищает от OA. Это исследование важно и высоко значимо по многим причинам. Оно впервые продемонстрировало, что miRNAs контролируют гомеостаз суставного хряща
in vivo; и тем самым предоставляет новую информацию о механизмах, управляющих регенерацией суставного хряща, что потенциально важно для терапевтических вмешательств. В целом оно расширяет наше понимание роли miRNAs в физиологическом гомеостазе ткани и в патологических условиях. Наконец, получены убедительные доказательства, что мРНК ADAMTS5 является мишентью для miR-140, это открывает новый взгляд на всё ещё мистические механизмы, которые регулируют экспрессией aggrecanase. Исследователи поставлены перед задачей показать недвусмысленно, что это в самом деле miR-140-зависимая регуляция мРНК ADAMTS5 в хондроцитах суставной поверхности является основным молекулярным механизмом, обеспечивающим критическую роль miR-140 в патогенезе OA.
miR-140 and growth plate development
В том же исследовании, Miyaki et al. (2010) также сообщили, что mir-140 выполняет nonredundant роль в развитии ростовой пластинки. Развитие скелета зависит от двух механизмов: внутримембранного и эндохондрального (Karsenty and Wagner 2002). Первый. при котором мезенхимные клетки развиваются непосредственно в остеобласты, связан с образованием плоских костей черепа. Второй, предназначен для развития большинства др. костей, связан с двухступенчатым механизмом, при котором хондроциты формируют каркасную матрицу-ростовую пластинку-которая затем замещается костью. Во время эндохондрального развития кости хондроциты ростовой пластинки подвергаются сильно упорядоченным и контролируемым фазам клеточной пролиферации, созревания и гибели. Пролиферативные хондроциты синтезируют collagen type II и формируют слой палочковидных клеток, затем они прекращают пролиферацию и дифференцируются в постмитотические гипертрофические клетки. Гипертрофические хондроциты экспрессируют collagen type X и мигрируют в окружающий их матрикс. Этот уникальный процесс дифференцировки сопровождается либелью гипертрофических хондроцитов, инвазией кровеносных сосудов и, наконец, замещением хрящевого матрикса на костный (Kronenberg 2003).
Было показано, что miRNAs критически используются в развитии конечностей. В частности, условная делеция Dicer в мезенхиме зачатка конечности на ранних стадиях эмбрионального развития ведет к образованию значительно меньших в размере конечностей в результате массивной клеточной гибели (Harfe et al. 2005), тогда как отсутствие Dicer исключительно в хондроцитах нарушает пролиферацию хондроцитов и ускоряет из дифференцировку в плодной ростовой пластинке (Kobayashi et al. 2008). Miyaki et al. (2010) теперь показали, что универсальный нокаут mir-140 ведет к умеренной карликовости возможно в результате нарушения пролиферации. Фенотип-хотя определенно умеренный-всё ещё существенный. Интересно, что отсутствие miR-140 не воспроизводит отсутствие Dicer в хондроцитах, указывая тем самым. что др. молекулы помимо mir-140 могут быть критическими нижестоящими мишенями для Dicer в регуляции биологии хондроцитов. Интересно, что избыточная экспрессия miR-140, по-видимому, не затрагивает развития хряща всегда.
Сайт создан в системе
uCoz 
