老化椎間盤細(xì)胞中的相關(guān)信號(hào)通路研究進(jìn)展

葉雨辰，張長(zhǎng)春，朱坤，許剛

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·綜 述·

老化椎間盤細(xì)胞中的相關(guān)信號(hào)通路研究進(jìn)展

葉雨辰1，張長(zhǎng)春2，朱坤2，許剛2

椎間盤老化； 衰老細(xì)胞； 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路； 綜述

椎間盤老化是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間分子細(xì)胞損傷的積累過(guò)程，此過(guò)程損傷了組織細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)及最終生理功能上的衰退。許多類型的損失與老化的進(jìn)程相關(guān)：損傷性蛋白的累積、線粒體損傷及功能障礙、端?？s短、DNA損傷、質(zhì)量控制機(jī)制失調(diào)。以及組織特異性祖細(xì)胞及組織再生能力消失。這些不同類型的損傷后果通過(guò)不同的老化特征來(lái)進(jìn)行分類：基因組不穩(wěn)定性、端粒缺失、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞缺失及細(xì)胞間交流異場(chǎng)等[1]。這些椎間盤退變老化的誘因所知甚少。本文對(duì)椎間盤老化的特征及其中的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路加以總結(jié)綜述如下。

1 椎間盤老化的特征

椎間盤出現(xiàn)年齡相關(guān)性退變要早于身體中的其他組織?；趯?duì)人類及不同動(dòng)物模型的研究。這些年齡相關(guān)性改變包括組織裂紋增多增大、顆粒性雜質(zhì)存在以及纖維環(huán)由外向內(nèi)的新生血管形成。隨著年齡的增長(zhǎng)，髓核因其蛋白多糖及水分的喪失而呈現(xiàn)多纖維狀，并逐漸出現(xiàn)裂紋以及尺寸的縮小和高度的降低。隨著年齡的增長(zhǎng)，以及氧化基質(zhì)蛋白不斷的積累，年輕時(shí)的透明、凝膠狀的髓核漸漸轉(zhuǎn)變成老年時(shí)黃色的纖維組織，其原因是棕色的色素沉著，如產(chǎn)生于脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的脂褐素等。終板軟骨的骨化及變薄、相鄰軟骨下骨的裂紋、骨質(zhì)硬化及終板軟骨中血管數(shù)量的急劇減少均可見于老化的機(jī)體中。終板軟骨中血供的減少會(huì)導(dǎo)致椎間盤中營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的下降，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞廢物的堆積以及內(nèi)環(huán)境酸度和其它應(yīng)激因子的增加，最終影響細(xì)胞功能。因此，闡述椎間盤老化機(jī)制將會(huì)為改善年齡相關(guān)性椎間盤退變提供可能。

2 老化椎間盤中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

生物分子損傷如DNA損傷等均會(huì)引發(fā)異常的信號(hào)級(jí)聯(lián)放大，如果未加抑制將會(huì)造成進(jìn)一步的分子損傷。眾所周知，除了環(huán)境因素及行為特性以外，遺傳學(xué)因素也會(huì)影響細(xì)胞的預(yù)期生命周期。大多數(shù)從不同模式中已經(jīng)確認(rèn)的長(zhǎng)壽基因涉及到細(xì)胞中三分之一的主要信號(hào)通路：胰島素/胰島素樣生長(zhǎng)因子-1、長(zhǎng)壽蛋白及mTOR。這三個(gè)通路調(diào)控著各種各樣的細(xì)胞進(jìn)程，包括細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞增殖、蛋白合成和轉(zhuǎn)錄機(jī)制。盡管已知當(dāng)表達(dá)與髓核細(xì)胞中的SIRT1抑制椎間盤基質(zhì)的新陳代謝和增殖時(shí)[2]，胰島素樣生長(zhǎng)因子-1誘導(dǎo)椎間盤合成代謝活動(dòng)，但信號(hào)通路在老化椎間盤中起到的作用還沒(méi)有被探索。然而，除此三種通路之外也有信號(hào)被認(rèn)為參與到應(yīng)激反應(yīng)和應(yīng)激性衰老中，包括NF-κB，MAPK和HIF-1α等。

2.1 年齡相關(guān)性椎間盤退變中的NF-κB信號(hào) NF-κB信號(hào)在細(xì)胞對(duì)炎癥、應(yīng)激和損傷的反應(yīng)中起重要作用。NF-κB是由一大類結(jié)構(gòu)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子組成，在哺乳類動(dòng)物中是由五種蛋白亞單位，RelA 或 p65，c-Rel，RelB，p50和p52。NF-κB作為一個(gè)同源二聚體或異源二聚體存在，其中p50-p65異源二聚體是控制NF-κB主要調(diào)控基因表達(dá)的最常見形式。NF-κB的長(zhǎng)期激活與組織老化和年齡相關(guān)性退變疾病有關(guān)，包括骨骼肌肉疾病和骨質(zhì)疏松癥等。

NF-κB同時(shí)也參與年齡相關(guān)性椎間盤退變[3]。在椎間盤組織中，NF-κB的活性是用來(lái)顯示與氧化應(yīng)激和老化退變之間的聯(lián)系[4]。通過(guò)藥理及基因手段進(jìn)行的系統(tǒng)性的NF-κB活性抑制在大鼠齡相關(guān)性椎間盤退變模型中年顯示出一定的延緩及改善作用。大多數(shù)其他研究專注于NF-κB在延緩椎間盤退變及炎癥方面的作用。椎間盤退變疾病中均可發(fā)現(xiàn)NF-κB活性的增高[3]。相比較于無(wú)癥狀的椎間盤，有癥狀的椎間盤具有較高的促炎癥細(xì)胞因子水平，被認(rèn)為典型的是NF-κB靶基因，如TNF-α，IL-1β，IL-6 及 IL-8[5]。總之，這些發(fā)現(xiàn)支持NF-κB慢性活性度紊亂在促進(jìn)椎間盤退變及年齡相關(guān)性椎間盤退變中起到的作用。

2.2 椎間盤生物學(xué)及椎間盤老化中的MAPK信號(hào) 絲裂原活化的蛋白激酶(MAPKs)是一類調(diào)控細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外分子做出應(yīng)答的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如激素、生長(zhǎng)因子、炎癥因子及電離輻射和滲透壓力等環(huán)境因素[6-7]。在哺乳類動(dòng)物中，這些不同的信號(hào)至少激活三個(gè)主要的MAPKs亞家族，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)，JNKs和p38亞型[8]。MER/ERK及JNK的激活會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞衰老。另一方面，p38MAPK的激活既是細(xì)胞衰老的標(biāo)志又在衰老相關(guān)性分泌表型的形成過(guò)程中起到重要作用[9]。與體外數(shù)據(jù)一致，在通過(guò)激光捕獲顯微切割分離出來(lái)的衰老纖維環(huán)細(xì)胞中，p38MAPK表達(dá)的上調(diào)已經(jīng)被報(bào)道。

分解代謝過(guò)程中的多種組分(如MMPs, ADAMTSs,COX-2, PGE2, iNOS等)均由MAPK蛋白家族所調(diào)控。許多分解syndecan-4盤組織中，主要的促炎癥細(xì)胞因子有IL-1β與TNF-α、激活的ERK和/或p38以及分解代謝分子如ADAMTs-4，MMP-3或syndecan-4[10-13]。激活MAPK的抑制物會(huì)阻滯這些進(jìn)程，這意味著MAPK的調(diào)節(jié)可能會(huì)起到延緩椎間盤退變及老化的作用[11]。

椎間盤細(xì)胞過(guò)度增殖和細(xì)胞簇的形成是椎間盤退變的特征。這被認(rèn)為是由于生長(zhǎng)因子及其受體的超表達(dá)所造成[14]。生長(zhǎng)因子如PDGF，IGF-1或bFGF等會(huì)通過(guò)ERK刺激細(xì)胞增殖，間接證明了MAPK在椎間盤退變中起到的作用[15]。相反，高滲條件會(huì)阻滯ERK并通過(guò)激活p38MAPK暫停G2/M期，同時(shí)抑制生長(zhǎng)因子的促分裂效應(yīng)，這意味著退變椎間盤中的滲透濃度降低會(huì)刺激細(xì)胞增殖。椎間盤老化是否參與到細(xì)胞增殖及聚集的信號(hào)通路中還需要進(jìn)一步的研究。

2.3 椎間盤生物學(xué)及老化椎間盤中的HIF-1α信號(hào) 許多椎間盤老化在分子層面的討論認(rèn)為髓核及內(nèi)部纖維環(huán)細(xì)胞的生理改變十分重要。處于缺氧和高滲狀態(tài)下的髓核細(xì)胞會(huì)形成一套受轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α和HIF-2α活動(dòng)支配的新型缺氧信號(hào)通路[16-17]。髓核細(xì)胞在含氧量正常條件下所結(jié)構(gòu)性表達(dá)的HIF-1α和HIF-2α不同于其他細(xì)胞類型HIF-1α蛋白在缺氧狀況下所表現(xiàn)的活性及穩(wěn)定性。事實(shí)上，髓核細(xì)胞部分或完全耐受于丙基羥化酶依賴的降解[18-19]。同樣，髓核細(xì)胞中的HIF-1抑制因子同其它類型細(xì)胞一樣無(wú)法控制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性[20]。HIF-1的基本表達(dá)會(huì)對(duì)髓核細(xì)胞產(chǎn)生重要的代謝影響，全過(guò)程需要進(jìn)行糖分解及需氧呼吸。除了代謝改變，HIFs還通過(guò)上調(diào)幾種關(guān)鍵基因提升了髓核細(xì)胞的活力及功能，其中包括蛋白多糖、半乳凝素-3，β-1,3葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶1[21]以及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子-A。在鼠類脊索中通過(guò)Foxa2-Cre條件敲除HIF-1α基因會(huì)導(dǎo)致髓核細(xì)胞在出生時(shí)大量凋亡或死亡的試驗(yàn)證明了HIF-1對(duì)于髓核細(xì)胞生存是不可或缺的[22]。因此，HIF信號(hào)在髓核細(xì)胞生理性適應(yīng)及功能中所起到的重要作用意味著其調(diào)節(jié)異常會(huì)促使細(xì)胞老化和退變。

HIF信號(hào)在機(jī)體老化中所起到的作用最近已經(jīng)闡明。由于細(xì)胞核NAD+含量的下降所導(dǎo)致的HIF-1α的活動(dòng)失調(diào)會(huì)干擾到細(xì)胞核與線粒體之間的協(xié)調(diào)性活動(dòng)，并導(dǎo)致線粒體功能障礙及老化加速[23]。然而，其他研究表明HIF-1會(huì)在抑制細(xì)胞衰老中起到作用[24]?？紤]到穩(wěn)定的HIF-1α表達(dá)對(duì)于髓核細(xì)胞存活及功能的重要性，為了闡述失調(diào)的HIF信號(hào)會(huì)促使細(xì)胞老化這項(xiàng)結(jié)論，這些矛盾的結(jié)果需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。在病理狀況下，存在一種可能的機(jī)制參與到HIF與NF-κB通路交聯(lián)之中[25-26]。TNF-α通過(guò)NF-κB通路控制著PHD2,3的表達(dá)，而PHDs依次用于控制NF-κB中的p65/RelA的反式激活。重要的是，PHDs通過(guò)促使細(xì)胞因子與趨化因子表達(dá)來(lái)控制依賴TNF的炎癥反應(yīng)[25-26]。梳理HIF與NF-κB通路之間復(fù)雜的相互作用與可能的調(diào)節(jié)異常在椎間盤老化中的作用機(jī)制則需要更多的研究。

3 從信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)角度延緩椎間盤退變的潛在治療方案

從切斷異常信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)角度來(lái)治療年齡相關(guān)性椎間盤退變成為可能。一個(gè)可能的途徑如下，NF-κB通路的長(zhǎng)期激活與年齡相關(guān)性疾病密切相關(guān)。先前的研究證明了對(duì)NF-κB活動(dòng)的阻滯可以延緩椎間盤的退變[27]。此外，在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中，于椎間盤內(nèi)注射NF-κB誘導(dǎo)的寡核苷酸被證明對(duì)恢復(fù)椎間盤高度部分有效，這意味著椎間盤外基質(zhì)成分的丟失與NF-κB激活的失調(diào)有關(guān)。

4 展望

在老化椎間盤中細(xì)胞衰老和NF-κB信號(hào)的失調(diào)近期已被揭露，研究還闡明了椎間盤組織中其他重要的老化標(biāo)志物如線粒體功能障礙、干細(xì)胞衰竭、細(xì)胞間通訊改變以及基因表型改變。椎間盤獨(dú)特的生物特性包括機(jī)械負(fù)荷、養(yǎng)分匱乏及缺氧環(huán)境等均為探索椎間盤區(qū)別于其他組織的衰老機(jī)制提供了優(yōu)越的條件。重要的是，椎間盤老化是一個(gè)系統(tǒng)性的過(guò)程，其并不會(huì)孤立地發(fā)生，并且會(huì)受脊柱中其他鄰近結(jié)構(gòu)、循環(huán)因素以及遠(yuǎn)處組織和器官的老化所影響。因此，不僅僅是椎間盤，全脊柱老化的研究在未來(lái)是個(gè)重要的方向。廣泛的多層次的研究途徑對(duì)于研究延緩脊柱年齡相關(guān)性疾病的治療方案的發(fā)展是十分必要的。隨著人口老齡化現(xiàn)象的普遍存在，衰老則成為椎間盤退變相關(guān)性慢性疼痛和功能障礙的一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)因素。

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1.蚌埠醫(yī)學(xué)院 研究生部,安徽 蚌埠 233030;2.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 骨科,安徽 蚌埠 233030

葉雨辰(1991-)，男，在讀研究生。

10.14126/j.cnki.1008-7044.2017.01.054

R 681.5

A

1008-7044(2017)01-0121-03

2016-04-25)