賽業(yè)生物《每周一鼠》，每周五更新，為大家講解一個小鼠模型的故事，希望對大家了解不同的小鼠模型有所幫助。今天和大家見面的是Mmp13基因敲除小鼠。

Mmp13基因
MMP13屬于基質金屬蛋白酶家族，是一種膠原酶，該家族蛋白參與如胚胎發(fā)育、組織重塑等正常生理過程，還參與疾病過程中的細胞外基質分解。該蛋白的主要功能除了參與骨關節(jié)中的Col II降解外，還可以降解軟骨中其他類型的膠原如IV型、IX型，和軟骨基質成分蛋白多糖等。MMP13及其抑制劑（MMPIS）的失衡是導致Col II降解的起始因素，正常情況下，二者以1:1的比例存在于軟骨細胞的胞外基質中，進而維持基質的相對平衡。
 

圖1. Mmp13基因基本信息^【4】。

研究人員發(fā)現(xiàn)，MMP13在人類正常的組織中含量較低，而在骨關節(jié)炎患者中MMP13含量在結締組織中有很高的表達量。MMP13表達下調會在一定范圍內控制骨關節(jié)炎（Osteoarthritis，OA）發(fā)病進程；而MMP13轉錄水平一旦上調，軟骨細胞內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)平衡就會遭到破壞，進而使疾病更加嚴重。除此之外，MMP13還與脊椎干骺端發(fā)育不良有關。與之相關的通路包括AGE/RAGE信號傳導通路和激酶級聯(lián)反應中的G蛋白信號傳導GTP酶信號傳導通路相關。GO分析顯示該基因與鈣離子結合活性和金屬內肽酶活性相關。
 

圖2. MMP13蛋白結構預測^【3】。

Mmp13敲除小鼠
純合Mmp13敲除小鼠有肥大軟骨細胞區(qū)的寬度增加以及小梁骨增加的表型

Stickens D等人為了評估骨骼中哪些細胞表達Mmp13，在軟骨骨化過程的不同階段對小鼠脛骨進行原位雜交。在胚胎期15天，Mmp13在肥大軟骨細胞和原發(fā)性骨化中心新募集的骨細胞中表達（圖3左）。在生長板建立后，Mmp13的表達僅限于肥大軟骨細胞群末端和小梁成骨細胞（圖3右）。
 

圖3. Mmp13在骨化過程中的表達^【5】。

左圖通過對胚胎期15天野生型小鼠脛骨的原位雜交檢測Mmp13表達。Mmp13信號用紅色表示。黃色虛線表示骨化前沿。藍色表示Hoechst復染劑。在肥大軟骨細胞群（HC）和原發(fā)性骨化中心（PO）中能觀察到Mmp13表達，在增殖軟骨細胞 （PC） 群中沒有觀察到Mmp13的表達。右圖通過原位雜交檢測1周齡野生型小鼠趾骨上的Mmp13表達。結果與在左圖中觀察到的表達模式相反，Mmp13表達僅限于肥大軟骨細胞的最末端（箭頭指示），TB代表小梁骨。

在軟骨成骨過程中，MMP13的缺乏導致生長板結構改變和骨小梁增加

用茜素紅和阿爾新藍對Mmp13敲除小鼠的整個骨骼進行染色表明，與野生型同窩小鼠相比，所有骨骼無明顯差異且長度基本相等（圖4A）。因為脛骨和跖骨在生長板的閉合上存在較大差異，因此研究人員著重對其進行微觀分析。跖骨大約在四周齡的時候生長板就會閉合，而在完全發(fā)育的脛骨中，會保留一小部分生長板軟骨。在15日齡，跖骨和脛骨都能觀察到骨化中心的形成（圖4D），在這個階段，有文獻結果顯示，Mmp13的mRNA在肥大軟骨細胞中高表達，并與X型膠原蛋白共定位，Mmp13還會在向礦化軟骨基質的成骨細胞中表達。

在該研究中，15日齡的Mmp13敲除和野生型小鼠的長骨之間沒有明顯的差異（圖4B,C）。因此，在缺少Mmp13的情況下，軟骨骨化的初始階段似乎沒有受到影響。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在動物1周齡之前，Mmp13敲除小鼠跖骨的肥大區(qū)也變得明顯（圖4D,E）。這種表型的嚴重程度與骨骼的類型具有很高的相關性，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，跖骨肥大區(qū)的擴張比脛骨更明顯（圖4F,G）。Mmp13敲除小鼠在出生后5周齡，表型都會隨著骨生長而變得嚴重。5周后，骨生長速度減慢，同時肥大的軟骨細胞群逐漸恢復到正常的數(shù)量。到12周齡時，生長板相關表型得到改善（圖4H,I）。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，番紅素O對突變的生長板具有更高的染色附著力，這表明，Mmp13有助于蛋白多糖的轉換。
 

圖4. Mmp13敲除小鼠中生長板缺陷的組織學檢查^【5】。
（A）2周齡野生型和Mmp13敲除小鼠整體骨骼的茜素紅/阿爾新藍染色，結果顯示不同基因型之間的整體骨骼結構沒有明顯差異。
（B, C）對胚胎期15天野生型和Mmp13敲除小鼠的脛骨進行染色，結果顯示兩種基因型的骨干中都存在礦化組織。在不同基因型中，增殖軟骨細胞（PC）區(qū)、肥大軟骨細胞（HC）區(qū)和原發(fā)性骨化中心（PO）都沒有明顯差異。
（D, E）10日齡野生型和Mmp13敲除小鼠的跖骨番紅O染色結果
（F, G）10日齡野生型和Mmp13敲除小鼠的脛骨番紅O染色結果。Mmp13敲除小鼠生長板的肥大軟骨細胞（HC）區(qū)域擴大（黑條雙箭頭表示的長度）。
（H，I）12周齡的野生型和 Mmp13敲除小鼠的脛骨番紅O染色結果。之前觀察到的肥大軟骨擴張表型得到改善，但番紅O在突變小鼠生長板中附著力更強，TB代表小梁骨。

治療方法
Mmp13敲除小鼠會有骨發(fā)育相關的問題，而人的Mmp13與OA具有很強的關聯(lián)性。OA是臨床上最常見的慢性關節(jié)疾病，OA對全球3.03億患者造成病痛，患病率隨著年齡增長逐漸增加，對中老年人的身體健康造成嚴重威脅。

OA 的治療方式分為基礎治療、藥物治療和手術治療，其中藥物治療是OA的重要治療方法，廣泛適用于中早期的OA患者，中老年患者易于接受。傳統(tǒng)OA治療藥物有對乙酰氨基酚、非甾體抗炎藥、氨基葡萄糖和軟骨素、糖皮質激素、透明質酸、透明質酸、5-羥色胺和去甲腎上腺素再攝取抑制劑、醫(yī)用幾丁糖、雙醋瑞因和富血小板血漿，大多以緩解癥狀為主。

新型OA藥物包括白介素-1（IL-1）抑制劑、腫瘤壞死因子（TNF-α）抑制劑、成纖維細胞生長因子 18、β-神經生長因子、轉化生長因子-β 抑制劑、Wnt 信號通路抑制劑、骨形態(tài)蛋白-7。