目的:骨性关节炎(OA)是一种常见的关节软骨退变性疾病,也是引起中老年人关节疼痛和残疾的主要原因之一。最新的文献报道蛋白质异戊二烯化修饰及甲羟戊酸途径的中间产物在调控软骨肥大及调节软骨细胞合成分解代谢中发挥重要作用,因此我们提出科学假设:蛋白质异戊二烯化过程中的重要调控酶香叶基香叶基二磷酸合酶(GGPPS)在骨关节炎发病过程中起着重要的调控作用。本研究目的在于揭示GGPPS与OA发病的内在联系并探究其中的相关调控机制。从而为研究临床OA的治疗提供好的药物靶点。研究方法与实验结果:针对上述研究背景,我们从三个方面对GGPPS在骨性关节炎发病中的调控作用展开研究。首先,我们首次揭示GGPPS蛋白表达量与OA的发生存在显著的相关关系。通过选取临床上OA患者的手术标本与正常人的关节软骨(每组4个样本)进行关节软骨GGPPS免疫组化染色实验,我们发现OA患者GGPPS表达量的较对照组下降多达40.5%,有显著统计学意义。这一结论在小鼠骨关节炎模型中也得到验证。我们利用DMM手术诱导小鼠发生骨关节炎并检测手术后小鼠关节面GGPPS表达变化。免疫组化染色定量发现DMM手术诱导的OA小鼠GGPPS表达量也显著降低。骨性关节炎发生的一个重要原因就是自然衰老过程,因此我们检测了 4月龄正常成年鼠及14月龄老年鼠关节软骨GGPPS表达情况,我们发现老年鼠软骨中GGPPS表达也明显降低。上述研究结果表明,GGPPS与骨性关节炎之间存在密切联系。并且GGPPS表达量的降低可能是骨性关节炎发生和加重的原因。为了验证GGPPS对OA发病的抑制作用,我们利用基因敲除打靶技术在动物水平证实了 GGPPS的稳态是软骨发挥正常功能的必要条件。我们采用collagen-Ⅱ cre与Floxp小鼠杂交后并经过他莫昔芬诱导后获得了 GGPPS软骨条件性敲除小鼠。对GGPPS cKO小鼠及同窝对照小鼠右膝关节在8周时行DMM手术诱导OA,分别在术后8周和10周处死小鼠取关节切片进行番红O及甲苯胺蓝染色可以发现GGPPS cKO组OARSI评分较对照组明显增高,敲除组小鼠关节退变加重明显。这部分实验首次在动物水平证实了 GGPPS的缺失会促进加重小鼠OA发展。我们猜测GGPPS随着衰老表达量的下降是导致老年人发生OA软骨退变的重要因素,因此我们探究了在非手术诱导下GGPPS敲除之后对软骨退变的影响。分别对cKO小鼠与对照小鼠在4个月及10个月时取关节组织行甲苯胺蓝染色,并进行蛋白多糖丢失评分。我们发现cKO小鼠在潮线以上的软骨基质蛋白多糖都有明显的丢失,并随着时间呈明显加重趋势。这一部分实验证明了 GGPPS敲除后在DMM手术诱导及老年性两个OA模型中都会加重软骨退变的发生。最后,我们进行了一些可能机制的探索。软骨基质合成、降解的失衡是OA发生进展的一个重要原因,并且动物实验发现关节软骨面有大量蛋白多糖的丢失,因此我们在细胞水平检测了软骨基质分解相关基因的表达。我们选用类软骨细胞系SW1353软骨肉瘤细胞系,采用小干扰RNA转染细胞的方法,对MMP-1、MMP-3、MMP-13、ADAMTS5、ADAMTS4等软骨代谢关键基因进行检测。我们发现MMP-13、ADAMTS5等软骨分解代谢基因都有不同程度的升高。另外,DMM术后8周基因敲除鼠软骨关节面表现出明显的软骨细胞凋亡现象,因此我们检测了 DMM术后2周时GGPPS cKO与WT组细胞凋亡情况。TUNEL凋亡实验证明cKO组在术后软骨细胞凋亡明显较对照组增加。结论:在本研究中,我们首次提出GGPPS的表达量降低与OA的发生发展存在重要联系。动物实验证明敲除GGPPS后直接会导致DMM诱导小鼠关节退变加重及老年自发骨关节退变。而引起这一现象的原因可能与GGPPS缺失后的软骨细胞早期凋亡增加、软骨细胞外基质的分解增强等因素相关。以GGPPS和蛋白质异戊二烯化修饰为靶点的新药可能为OA治疗提供新的选择。