椎間盤退變分子機(jī)制及相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究進(jìn)展

朱健 鄧易 胡栩策 史建剛

椎間盤退變導(dǎo)致的慢性下腰痛在全球范圍造成極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1-2]。然而引起椎間盤退變的確切機(jī)制還未被闡明，目前，包括手術(shù)在內(nèi)的治療措施都是針對(duì)個(gè)體的癥狀緩解和支持治療，而非直接針對(duì)椎間盤退變的治療[3-4]。椎間盤退變的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，由生物力學(xué)損傷所導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡和自噬，促炎性因子的釋放，以及基質(zhì)分解代謝增加等均被認(rèn)為是其可能的發(fā)病機(jī)制[5-8]。椎間盤退變被認(rèn)為與椎間盤衰老密切相關(guān)。

1 椎間盤細(xì)胞衰老的誘因

激活細(xì)胞衰老的分子機(jī)制具有起源依賴性[9-10]，所以闡明細(xì)胞衰老的起源和誘因具有重要意義。與椎間盤細(xì)胞衰老和椎間盤退變相關(guān)的誘因包括以下幾方面。

1.1 端粒變短與DNA損傷

端粒會(huì)隨著復(fù)制而不斷變短，這也是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞衰老相關(guān)的因素。端?？s短是限制真核細(xì)胞復(fù)制能力的重要機(jī)制，其可通過激活p53-p21-Rb信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路介導(dǎo)衰老。端粒會(huì)隨著椎間盤衰老的進(jìn)展而不斷變短[11-12]，細(xì)胞通過激活DNA損傷反應(yīng)以應(yīng)對(duì)端粒變短。因此，廣義上來說，DNA損傷是細(xì)胞衰老的內(nèi)在誘因。研究發(fā)現(xiàn)，包含電離輻射和氮芥在內(nèi)的DNA損傷因子均可增加野生型小鼠髓核中p16陽性細(xì)胞的數(shù)量。BRCA1、XRCC4和DNA連接酶Ⅳ等DNA修復(fù)基因失活也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞衰老[13-16]。DNA損傷能夠激活p53-p21-Rb和p16-Rb信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[17-18]?？紤]到端?？s短和DNA損傷是重要的與衰老相關(guān)的分子機(jī)制，我們推測衰老的椎間盤細(xì)胞隨著年齡增長而積聚于椎間盤中，并最終導(dǎo)致椎間盤退變。然而與我們的猜測不同，許多研究并沒有發(fā)現(xiàn)椎間盤細(xì)胞的衰老與患者年齡相關(guān)[12,19-20]。

1.2 氧化應(yīng)激

椎間盤退變的惡劣微環(huán)境特點(diǎn)為營養(yǎng)不良，細(xì)胞因子升高，以及氧化應(yīng)激等[21-22]。這些惡劣因素的刺激導(dǎo)致椎間盤細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰。氧化應(yīng)激是引起細(xì)胞衰老的主要因素。髓核細(xì)胞是活性氧(ROS)的主要來源之一，椎間盤內(nèi)的ROS水平隨著椎間盤退變的進(jìn)展而升高。過氧化氫可明顯抑制髓核細(xì)胞增殖并顯著促進(jìn)H2A.X foci(髓核細(xì)胞DNA損傷的標(biāo)記)的形成，還可增加衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)陽性的椎間盤細(xì)胞的數(shù)量。此外，過氧化氫可激活衰老的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，誘導(dǎo)髓核細(xì)胞的細(xì)胞周期停滯在G0/G1期[23-24]。這些研究表明，退變的椎間盤微環(huán)境中，氧化應(yīng)激是椎間盤細(xì)胞衰老的誘因。

1.3 營養(yǎng)缺乏

營養(yǎng)缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生物學(xué)行為的改變。不同的營養(yǎng)成分對(duì)椎間盤細(xì)胞的衰老有不同影響。血清成分對(duì)調(diào)節(jié)椎間盤細(xì)胞周期至關(guān)重要。大量血清來源的生長因子已被證明可以促進(jìn)椎間盤細(xì)胞的增殖，它們包括胰島素樣生長因子(IGF)、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)和血小板來源生長因子(PDGF)。IGF-1可抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的椎間盤細(xì)胞衰老。然而，這些生長因子對(duì)椎間盤細(xì)胞的有效性取決于它們通過軟骨終板從血管擴(kuò)散到椎間盤中心的速度。軟骨終板的通透性可由于終板鈣化或糖尿病引起的微血管病變而降低[25-26]，導(dǎo)致營養(yǎng)分子到達(dá)椎間盤中心的主要路徑被阻斷，椎間盤中生長因子的效能降低，加速椎間盤細(xì)胞衰老。

1.4 促炎性細(xì)胞因子

隨著椎間盤退變的進(jìn)展，退變椎間盤內(nèi)促炎性細(xì)胞因子水平升高。包括腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細(xì)胞介素(IL)-1α、IL-1β、IL-6、IL-17和各種趨化因子在內(nèi)的細(xì)胞因子被普遍認(rèn)為是引起椎間盤退變的介質(zhì)。這些介質(zhì)使細(xì)胞外基質(zhì)的分解代謝增加，椎間盤的炎癥反應(yīng)增高，導(dǎo)致椎間盤結(jié)構(gòu)和功能的惡化。近年來，一些學(xué)者針對(duì)細(xì)胞因子對(duì)椎間盤細(xì)胞衰老的影響進(jìn)行了研究。研究表明，TNF-α可以增加由器官培養(yǎng)的牛椎間盤中SA-β-Gal陽性細(xì)胞數(shù)量，并誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)從合成代謝轉(zhuǎn)向分解代謝[27]。在用TNF-α和IL-1β處理的大鼠髓核細(xì)胞中同樣觀察到SA-β-Gal陽性細(xì)胞數(shù)量的顯著增加，表明細(xì)胞因子在退行性椎間盤中是強(qiáng)大的促進(jìn)細(xì)胞衰老的因素[27-28]。

1.5 異常的機(jī)械負(fù)荷

異常的機(jī)械負(fù)荷是引起椎間盤退變的危險(xiǎn)因素之一。對(duì)大鼠進(jìn)行前肢截肢處理建立與人類直立姿勢(shì)相似的大鼠直立姿勢(shì)模型。研究表明，長時(shí)間的直立姿勢(shì)會(huì)導(dǎo)致各個(gè)方向的機(jī)械負(fù)荷異常，進(jìn)而導(dǎo)致一系列椎間盤退變的改變，包括膠原結(jié)構(gòu)紊亂，纖維環(huán)破裂，椎間盤高度降低，以及基質(zhì)合成代謝減少與分解代謝增加。異常負(fù)荷可以使SA-β-Gal陽性細(xì)胞數(shù)量增加,并上調(diào)衰老相關(guān)性基因的表達(dá),包括p16、p27、Rb、張力蛋白同源性10號(hào)染色體缺失的磷酸酶基因(PTEN)、p27KIP、p19ARF和晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)等[29]。這表明異常的機(jī)械負(fù)荷可以促進(jìn)椎間盤細(xì)胞的衰老。機(jī)械應(yīng)力增加了ROS產(chǎn)生，并促進(jìn)應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰發(fā)生[30]。這些結(jié)果為椎間盤細(xì)胞衰老在椎間盤退變發(fā)病機(jī)制中的作用提供了進(jìn)一步的證據(jù)。

2 椎間盤細(xì)胞衰老相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

對(duì)椎間盤細(xì)胞衰老相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的探索還處于起步階段。在此，我們對(duì)幾個(gè)主要且已得到較明確闡述的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路進(jìn)行討論。

2.1 中心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

p53-p21-Rb通路和p16-Rb通路是介導(dǎo)椎間盤細(xì)胞衰老的中心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

p53-p21-Rb通路在端粒侵蝕及DNA損傷反應(yīng)誘導(dǎo)的衰老中被激活。抑癌基因p53在生物體內(nèi)細(xì)胞生理中的作用非常廣泛。在細(xì)胞衰老方面，p53對(duì)端?？s短或DNA損傷作出反應(yīng)，從而啟動(dòng)不可逆性細(xì)胞周期阻滯的第一步。在DNA損傷位點(diǎn)的組蛋白2AX(H2AX)被特異性磷酸化為γ-H2AX。γ-H2AX參與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,募集細(xì)胞循環(huán)檢查點(diǎn)激酶(Chk)-1和DNA修復(fù)蛋白[共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變蛋白(ATM)和共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因相關(guān)蛋白(ATR)]。ATM可直接磷酸化p53使之激活。ATM和ATR也可通過磷酸化Chk-1和Chk-2間接激活p53[31]。在p53下游，p21抑制細(xì)胞周期激素依賴激酶(CDK)2, 而CDK2抑制Rb磷酸化。由于細(xì)胞周期從G1期到S期的進(jìn)展依賴于Rb的過磷酸化，這種去磷酸化Rb無法激活轉(zhuǎn)錄因子E2F來促進(jìn)G1期到S期進(jìn)展所需基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯[32]。

與上述通路不同，p16-Rb通路被不同的刺激(尤其是氧化應(yīng)激)激活，從而導(dǎo)致應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰發(fā)生。p16是CDK4和CDK6的抑制劑，當(dāng)p16被氧化應(yīng)激激活時(shí)抑制CDK4和CDK6，導(dǎo)致Rb去磷酸化和細(xì)胞周期停止。研究表明，衰老椎間盤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)p16表達(dá)，且椎間盤組織中p16陽性細(xì)胞數(shù)量與椎間盤退變的組織學(xué)分級(jí)呈正相關(guān)。

綜上所述，椎間盤細(xì)胞衰老主要由p53-p21-Rb和p16-Rb途徑介導(dǎo)。這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路匯聚于Rb，調(diào)節(jié)椎間盤細(xì)胞的細(xì)胞周期。在椎間盤退變過程中，DNA損傷和各種刺激均可激活這兩條通路，進(jìn)而使衰老椎間盤細(xì)胞的細(xì)胞周期阻滯。

2.2 微囊蛋白-1與椎間盤退變

細(xì)胞質(zhì)膜微囊是細(xì)胞膜上的內(nèi)陷小泡。微囊蛋白(Caveolin)-1是質(zhì)量為21～24 kDa的完整膜蛋白，對(duì)微囊的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。研究已證實(shí)，在退變椎間盤內(nèi)有Caveolin-1表達(dá)，且其表達(dá)與p16的表達(dá)呈正相關(guān)[33]，這提示Caveolin-1在髓核細(xì)胞應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰中發(fā)揮一定作用。同時(shí)，Caveolin-1的表達(dá)與p53上調(diào)有關(guān)，提示Caveolin-1在p53依賴的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮作用。Caveolin-1和p53可能協(xié)同作用誘導(dǎo)椎間盤細(xì)胞的復(fù)制衰老[34]。不過，對(duì)Caveolin-1調(diào)控椎間盤細(xì)胞衰老中心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的確切機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究來闡明。

2.3 p38-絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰是由p38-絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路介導(dǎo)的，細(xì)胞因子和生長因子，氧化應(yīng)激，原癌基因等多種外部刺激均可激活該通路[35]。在氧化應(yīng)激下，p38被MAPK激活酶(MKK)3和MKK6激活。隨后p16被激活，Rb被去磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞周期進(jìn)程停止。同時(shí)，p38-MAPK介導(dǎo)的氧化應(yīng)激還可激活DNA損傷反應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞衰老。p38上調(diào)煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化酶的表達(dá)，從而產(chǎn)生更多導(dǎo)致DNA損傷的過氧化物，隨后激活p53-p21-Rb信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[36]。研究表明，在體內(nèi)退變的纖維環(huán)內(nèi)p38表達(dá)上調(diào)，這為p38-MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在椎間盤細(xì)胞衰老中的作用提供了證明[37]。

2.4 Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

研究發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活物氯化鋰可抑制椎間盤細(xì)胞增殖，促進(jìn)椎間盤細(xì)胞衰老,這表明Wnt/β-catenin信號(hào)可觸發(fā)椎間盤細(xì)胞衰老。Wnt與各種受體結(jié)合，與下游的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)器共同激活不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。c-myc蛋白和細(xì)胞周期蛋白D1對(duì)髓核細(xì)胞的細(xì)胞周期進(jìn)程都是必不可少的，而Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制髓核細(xì)胞中c-myc蛋白和細(xì)胞周期蛋白D1的表達(dá)，從而抑制細(xì)胞周期的進(jìn)行[37]。

2.5 哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

衰老的椎間盤細(xì)胞雖然不能復(fù)制，但卻分泌更多的特異性蛋白質(zhì)，且細(xì)胞大小和質(zhì)量均有所增加，這表明細(xì)胞周期阻滯與細(xì)胞衰老表型形成并不偶聯(lián)。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)通路家族的一員，為細(xì)胞獲得衰老表型所必需。只有當(dāng)細(xì)胞周期阻滯和mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活同時(shí)發(fā)生才能導(dǎo)致細(xì)胞衰老，若mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路無激活則僅導(dǎo)致細(xì)胞靜止，而非細(xì)胞衰老[38]。

2.6 1型Sirtuin蛋白

p53除了在mRNA水平和蛋白質(zhì)水平受到調(diào)控外，還受到翻譯后修飾(如乙?；土姿峄?的調(diào)控。早幼粒細(xì)胞白血病蛋白(PML)通過翻譯后的乙?；せ頿53。 1型Sirtuin蛋白(SIRT1)可使 p53去乙?；?，從而延緩PML誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老。而SIRT1在人髓核細(xì)胞中也有表達(dá)，其mRNA水平隨年齡增長而升高。髓核細(xì)胞中的SIRT1也能使p53去乙?；?，從而抑制p53對(duì)椎間盤退變的促進(jìn)作用，即SIRT1可通過抑制p53依賴性退變信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在椎間盤退變過程中發(fā)揮保護(hù)性作用[39]。

圖1為椎間盤細(xì)胞衰老相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的示意圖。

注：+表示促進(jìn)，×表示抑制， →表示介導(dǎo)

圖1椎間盤退變相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路示意圖 椎間盤退變的分子機(jī)制包括細(xì)胞周期阻滯和椎間盤細(xì)胞衰老。p53-p21-Rb和p16-Rb信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在細(xì)胞周期阻滯中起主要作用。Caveolin-1介導(dǎo)p53和p16的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)椎間盤退變，而SIRT1抑制p21和p16的表達(dá)進(jìn)而阻斷椎間盤退變。Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和相關(guān)細(xì)胞因子形成正反饋，促進(jìn)椎間盤退變。此外，mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路也可促進(jìn)椎間盤退變

3 小結(jié)與展望

綜上所述，椎間盤退變是多因素導(dǎo)致的復(fù)雜的綜合性疾病，涉及腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。椎間盤退變的誘因涉及端粒變短，DNA損傷，氧化應(yīng)激，營養(yǎng)缺乏，促炎性細(xì)胞因子增加，異常機(jī)械負(fù)荷等。盡管有證據(jù)表明介導(dǎo)椎間盤細(xì)胞衰老的中心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為p53-p21-Rb通路和p16-Rb通路，但是各信號(hào)分子的確切作用并未得到完全闡明。椎間盤退變具有一定遺傳性，但確切的基因及分子機(jī)制尚處于研究階段。進(jìn)一步開展椎間盤退變的分子機(jī)制及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究對(duì)于精準(zhǔn)調(diào)節(jié)椎間盤退變的疾病進(jìn)程，并最終指導(dǎo)椎間盤疾病的臨床治療具有十分重要的意義。