線粒體與椎間盤退變

張　鈺　劉志禮　黃山虎

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，江西　南昌　330006)

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線粒體與椎間盤退變

張鈺劉志禮黃山虎

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，江西南昌330006)

椎間盤退變; 線粒體;細(xì)胞凋亡

超過半數(shù)的人一生中會發(fā)生一次以上的下腰痛〔1〕，大多數(shù)下腰痛是因?yàn)樽甸g盤退變引發(fā)的。椎間盤退變性疾病導(dǎo)致的成人勞動能力的喪失已成為現(xiàn)代社會中一個日益嚴(yán)峻的問題〔2〕。椎間盤退變的主要機(jī)制之一是細(xì)胞凋亡，而線粒體在細(xì)胞凋亡中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。本文就目前線粒體在椎間盤退變中細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵作用做一綜述。

1　椎間盤退變的多因素

國內(nèi)外一些學(xué)者以人或動物椎間盤為對象,對椎間盤退變的機(jī)制進(jìn)行了較多的研究,其中對椎間盤退變的原因的研究包括年齡增長〔3〕、過度載荷、外傷〔4〕、 吸煙〔5〕、血管硬化〔6〕、糖尿病〔7〕、遺傳因素〔8〕等,對椎間盤退變的形態(tài)學(xué)研究包括退變椎間盤的組織病理學(xué)改變〔9〕和退變椎間盤的大體形態(tài)學(xué)、鏡下組織學(xué)及磁共振成像(MRI)影像學(xué)分級〔10,11〕；對椎間盤退變的生物化學(xué)研究包括含水量的降低〔12〕、膠原類型及數(shù)量的改變〔13〕、蛋白多糖減少、基質(zhì)金屬蛋白酶的激活〔14〕及炎癥介質(zhì)釋放〔15〕等。椎間盤退變究其本質(zhì)就是一個組織修復(fù)與破壞的平衡失調(diào)〔16〕。也就是椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的降解增加和基質(zhì)內(nèi)細(xì)胞的衰老、凋亡而導(dǎo)致其分泌合成ECM減少，從而不能補(bǔ)充修復(fù)降解的ECM。人類椎間盤退變早期主要是ECM成分的改變，表現(xiàn)為基質(zhì)中膠原、蛋白多糖、蛋白多糖聚合體數(shù)量的減少及髓核含水量的變化〔17〕。椎間盤退變是一個復(fù)雜的過程，多種因素均參與其中。

2　椎間盤細(xì)胞凋亡與椎間盤退變

細(xì)胞凋亡在椎間盤退變的中的作用近年來逐漸受到重視〔18〕，研究表明，退變椎間盤中存在著椎間盤細(xì)胞大量凋亡。細(xì)胞凋亡是椎間盤退變的重要病理變化之一〔19〕。Kerr 等〔20〕首先提出了細(xì)胞凋亡的概念之后，細(xì)胞凋亡成為研究機(jī)體發(fā)育、疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。Gruber 等〔21〕最早采用原位末端標(biāo)記(TUNEL)方法證實(shí)人體退變椎間盤組織中存在細(xì)胞凋亡，并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡率與年齡相關(guān)。隨后學(xué)者們開始重視椎間盤細(xì)胞凋亡與椎間盤退變的相關(guān)性研究。研究〔22,23〕證實(shí)凋亡影響椎間盤細(xì)胞功能和存活，在椎間盤退變中發(fā)揮十分重要作用，衰老和退變引起髓核細(xì)胞死亡，反過來髓核細(xì)胞死亡又加速椎間盤退變的過程。

3　線粒體在椎間盤細(xì)胞中凋亡的作用

線粒體是真核細(xì)胞三磷酸腺苷(ATP)的生產(chǎn)中心，對維持細(xì)胞能量代謝及正常功能起非常重要的作用，并且是大多數(shù)凋亡通路的主要細(xì)胞器。 研究〔24,25〕表明，在細(xì)胞外的刺激如射線、機(jī)械應(yīng)力、缺氧及藥物作用，細(xì)胞內(nèi)刺激氧化、DNA損傷、蛋白錯構(gòu)等都可能會導(dǎo)致細(xì)胞通過線粒體發(fā)生凋亡，表現(xiàn)出細(xì)胞凋亡的各種形態(tài)特征，即胞質(zhì)濃縮，DNA的大規(guī)模片段化，最后細(xì)胞膜內(nèi)陷而形成凋亡小體。弄清線粒體在細(xì)胞凋亡中的作用機(jī)制，對研究細(xì)胞凋亡的調(diào)控機(jī)制具有重要的理論意義。

已有的證據(jù)表明，在各種刺激因素作用下，細(xì)胞內(nèi)任何一種或多種凋亡信號傳導(dǎo)途徑被活化，最終都將集中于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)家族〔26〕。在哺乳動物中，外源性死亡受體途徑和內(nèi)源性線粒體凋亡途徑是導(dǎo)致效應(yīng)器——Caspase激活的兩個主要的信號通路。其中，在哺乳動物細(xì)胞凋亡發(fā)生過程中，Caspase-8、Caspase-9、Caspase-3均起著關(guān)鍵作用，而最終凋亡效應(yīng)的發(fā)揮大都要經(jīng)過Caspase-3這一核心作用。Caspase-3的作用底物是細(xì)胞內(nèi)重要的功能蛋白質(zhì)，分別參與DNA修復(fù)、mRNA剪接、細(xì)胞骨架重建及膽固醇生物合成。當(dāng)它們被Caspase-3破壞或滅活后，將導(dǎo)致細(xì)胞核DNA斷裂、細(xì)胞膜發(fā)泡、細(xì)胞皺縮等細(xì)胞凋亡的特征性變化。

大多數(shù)凋亡途徑中，線粒體起著起始、放大的關(guān)鍵作用，因此被認(rèn)為是凋亡通路中的“門衛(wèi)”。在各種線粒體死亡通路反饋循環(huán)和交叉使線粒體成為凋亡通路最重要的部件〔27〕。

3.1死亡受體活化途徑(膜受體途徑)對于大多數(shù)細(xì)胞，細(xì)胞外死亡信號參與了線粒體通路，在這些細(xì)胞中相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)通路。線粒體凋亡途徑也可以通過死亡配體激活，如細(xì)胞膜表面死亡受體Fas/CD95是腫瘤壞死因子(TNF)受體家族中的成員〔28〕，如干擾素誘導(dǎo)TNF相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體和Fas/FasL引起Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白的激活，后者依次激活Caspase-8及下游的Caspase-8家族〔29〕，Caspase-8的激活可裂開促凋亡蛋白Bid，導(dǎo)致線粒體膜電位崩解并引起細(xì)胞凋亡〔30〕。由死亡配體誘導(dǎo)的凋亡信號有兩種轉(zhuǎn)導(dǎo)方式：①通過一系列的級聯(lián)反應(yīng)直接激活效應(yīng)器Caspase-3，引起細(xì)胞凋亡。②通過凋亡相關(guān)蛋白(如Bid),誘導(dǎo)線粒體外膜通透性的改變，引起凋亡相關(guān)因子的釋放，激活Caspase-3，最后激活效應(yīng)器Caspase-9，進(jìn)入內(nèi)源性線粒體凋亡途徑，最終引起細(xì)胞凋亡。

3.2線粒體途徑線粒體作為細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器之一，不僅在細(xì)胞能量代謝中有較為明確的作用外，在細(xì)胞凋亡的調(diào)控方面也起著重要作用。線粒體是多種促細(xì)胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的靶點(diǎn)，又是細(xì)胞死亡的整合元件。內(nèi)源性線粒體凋亡途徑可以通過多種應(yīng)力刺激激活，如紫外線、γ 射線、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和 DNA 斷裂等。這些應(yīng)力刺激引起的線粒體信號最終導(dǎo)致線粒體外膜的改變，線粒體DNA損傷可分為 DNA單鏈斷裂、雙鏈斷裂、堿基修飾和 DNA 鏈交聯(lián)等，線粒體的損傷在凋亡細(xì)胞中明顯增多〔31〕。針對線粒體DNA的修復(fù)酶可以加強(qiáng)線粒體DNA的修復(fù)，同時可以提高各種細(xì)胞的生存率及防止細(xì)胞發(fā)生凋亡〔32〕。線粒體DNA直接暴露于氧化磷酸化過程所產(chǎn)生的活性氧類(ROS)和自由基中，無組蛋白保護(hù)，幾乎完全由編碼區(qū)組成，缺乏有效的修復(fù)系統(tǒng)等，因此突變頻率較高〔33〕。線粒體DNA突變可影響線粒體復(fù)合酶Ⅰ的活性〔34〕。這些改變將導(dǎo)致線粒體外膜通透性的增加，正常情況下存在于線粒體內(nèi)外膜之間的凋亡相關(guān)蛋白將擴(kuò)散至細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)胞色素C的釋放是內(nèi)源性凋亡途徑中的主要步驟。釋放到細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞色素C與凋亡蛋白酶激活因子結(jié)合，形成細(xì)胞色素C/凋亡蛋白酶激活因子凋亡體，此復(fù)合物可促進(jìn)Caspase-9前體的自身活化，加速活化的Caspase-9前體激活Caspase-3前體，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，此復(fù)合物還可以引起質(zhì)膜對稱的改變，致使核質(zhì)皺縮、DNA片段化和細(xì)胞死亡〔35〕。

4　B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(Bcl-2)家族和線粒體

Bcl-2家族蛋白是重要的細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)因子，對線粒體凋亡的調(diào)控起非常重要的作用〔36〕。Bcl-2 家族蛋白表達(dá)變化、線粒體的結(jié)構(gòu)和功能改變、線粒體基質(zhì)內(nèi)凋亡蛋白釋放被認(rèn)為是控制細(xì)胞凋亡進(jìn)程的關(guān)鍵。Bcl-2家族蛋白能協(xié)調(diào)線粒體內(nèi)、外膜的滲透性〔37〕。包括抑制和促進(jìn)細(xì)胞凋亡兩類功能相反的蛋白質(zhì)。哺乳動物抗凋亡蛋白包括Bcl-2、Bcl-x和Bcl-w，促凋亡蛋白包括 Bax、Bak、Bad、Bik、Bim和Bid。其中Bid、Bak、Bad、Bcl是蛋白家族中的重要成員〔38〕。其主要作用部位是線粒體外膜〔39〕。主要通過調(diào)節(jié)孔隙形成蛋白來發(fā)揮作用〔40〕。Bcl-2家族蛋白成員間的相互作用對線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡起調(diào)控作用。研究〔41〕證明，線粒體外膜通透性的改變可引起細(xì)胞凋亡，而這種通透性的改變直接由Bcl-2家族蛋白控制。具體作用機(jī)制主要有：①Bcl-2家族蛋白成員精確地改變線粒體膜的通透性；②Bcl-2家族蛋白能誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔道的開放。Edlich等〔42〕研究表明，在健康細(xì)胞中，易位到線粒體的Bax不斷地被線粒體上的Bcl-2和Bcl-xl等抗凋亡蛋白重移細(xì)胞質(zhì)而阻止線粒體外膜的透化。線粒體功能失調(diào)是導(dǎo)致椎間盤退變的重要細(xì)胞內(nèi)環(huán)節(jié)，損傷線粒體的機(jī)制中已見報道的有：誘發(fā)ROS釋放、導(dǎo)致線粒體膜損傷變性及膜通透性改變、鈣離子內(nèi)流增加、一氧化氮合成增加、誘發(fā)凋亡相關(guān)基因(如Bcl-2家族分子)表達(dá)增加,細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)凋亡等。

由此可見，線粒體在死亡受體活化途徑和線粒體凋亡途徑中都起著關(guān)鍵作用，分別由多種不同的線粒體蛋白調(diào)控。目前已有大量的文獻(xiàn)報道，線粒體在椎間盤細(xì)胞凋亡中的重要作用： Tschoeke等〔43〕在研究損傷因素對椎間盤的退變中認(rèn)為這其中是由線粒體參加的細(xì)胞凋亡途徑介導(dǎo)。Rannou等〔44，45〕在研究壓力對椎間盤細(xì)胞的凋亡過程中指出：由于過度壓力負(fù)荷導(dǎo)致的椎間盤細(xì)胞的凋亡由線粒體途徑介導(dǎo)。Nasto等〔46〕研究表明：線粒體釋放的ROS在年齡相關(guān)的椎間盤退變中起到關(guān)鍵作用。而Gruber等〔47〕研究認(rèn)為椎間盤退變，不是年齡，而是與線粒體損傷為主要因素，并且也牽涉氧化應(yīng)激，線粒體驅(qū)動功能障礙，是椎間盤退變的主要因素。可見椎間盤細(xì)胞的凋亡涉及許多因素，但是線粒體始終在其中充當(dāng)極其重要的角色。

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〔2015-06-17修回〕

(編輯王一涵)

黃山虎(1967-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事椎間盤退變研究。

張鈺(1989-)，男，碩士，主要從事椎間盤退變研究。

R34

A

1005-9202(2016)17-4393-04；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.17.126