沉默信息調(diào)節(jié)因子 1 在椎間盤退變中作用的研究進展

劉旭雯 孫紅 彭國璇 楊華

椎間盤退變是導致腰背部疼痛的主要原因，其發(fā)病率隨著年齡的增長而升高，給社會和個人造成了沉重的經(jīng)濟負擔。髓核細胞數(shù)量減少或功能降低、細胞外基質(zhì)成分改變或水分減少等多種因素均加速了椎間盤的退變進程。目前，臨床可應用的治療方法主要為保守治療及手術治療，然而治療效果不甚理想。因此，尋找新的治療方法迫在眉睫。沉默信息調(diào)節(jié)因子 1 ( silent information regulator 1，SIRT1 ) 等多個 sirtuins 蛋白家族成員已被證明能夠調(diào)節(jié)髓核細胞的自噬與凋亡、細胞外基質(zhì)降解以及緩解炎癥因子對椎間盤損害，在椎間盤退變中的穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)發(fā)揮了關鍵作用。近年來，SIRT1 在椎間盤退變過程中的分子生物學機制成為近年來的研究熱點?，F(xiàn)筆者就目前關于 SIRT1 在椎間盤退變中作用及機制的最新進展作如下綜述。

一、SIRT1 概述

SIRT1 是 sirtuins 蛋白家族的一員，是目前研究較為廣泛的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白脫乙酰酶，在多種細胞中發(fā)揮抗炎、抗凋亡、抵抗應激損傷、延緩細胞衰老等作用。SIRT1 為核蛋白，主要位于常染色體區(qū)域，可在細胞核和細胞質(zhì)中穿梭調(diào)節(jié)。其通過催化組蛋白和轉錄因子的賴氨酸去乙?；揎棧瑥亩绊懠毎鲋?、衰老與代謝等生理活動，并且已被證實在心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥、骨關節(jié)炎等衰老相關疾病扮演重要角色。2011 年，Zhang 等首次證實了人類髓核細胞能夠表達SIRT1，其含量在椎間盤早期變性階段顯著升高。在關節(jié)組織有關的研究中發(fā)現(xiàn)，人軟骨細胞能夠表達 SIRT1，并且該因子參與了軟骨細胞凋亡的調(diào)節(jié)。SIRT1 增加了關節(jié)組織中蛋白聚糖、Ⅱ 型膠原、Ⅸ 型膠原等特異性基因的表達，在骨關節(jié)炎的發(fā)展過程中起重要作用。

二、椎間盤退變機制

椎間盤由髓核、纖維環(huán)、軟骨終板以及供應營養(yǎng)的毛細血管床構成，位于相鄰兩個椎體間，起到承重、維持椎體穩(wěn)定性和活動性的作用。髓核外周被纖維環(huán)包繞，細胞外基質(zhì)中富含 Ⅱ 型膠原蛋白和蛋白聚糖。椎間盤是體內(nèi)最大的無血管結構，其通過周圍的毛細血管組織進行物質(zhì)交換，因此，椎間盤極易發(fā)生退化性病變。營養(yǎng)缺失、高血糖、過度受壓、缺氧、應激、遺傳和免疫力降低等多種因素均會導致椎間盤退變的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，在退變的椎間盤組織中，髓核細胞或終板軟骨細胞功能降低、數(shù)量減少，并且 Ⅱ 型膠原蛋白和蛋白聚糖等細胞外基質(zhì)生成減少、降解增加，致使髓核細胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶 ( matrix metalloproteinases，MMPs ) 等來維持微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。這一過程影響了髓核細胞的發(fā)育、代謝、增殖與凋亡，使椎間盤抗壓能力下降，進而導致其結構破壞。SIRT1 能夠促進細胞內(nèi)合成代謝，調(diào)節(jié)細胞的凋亡及自噬，減少細胞外基質(zhì)中功能成分的降解以及降低椎間盤對應激和炎癥因子的反應，大大減緩了椎間盤退化的進程。

三、SIRT1 在椎間盤退變中的調(diào)控作用

SIRT1 改善椎間盤退變的主要作用機制為促進髓核細胞自噬從而減少凋亡。細胞自噬是一種保守的細胞自我降解的方式，通過膜包裹受損的細胞器與蛋白質(zhì)形成自噬體，與溶酶體融合降解后再利用，從而維持細胞的穩(wěn)態(tài)，完成細胞器的更新。髓核細胞的自噬能夠減少其衰老與凋亡，從而極大延緩了椎間盤的退變進程。細胞凋亡又稱程序性死亡，是由基因介導的細胞主動結束生命的過程，通過消除缺陷細胞來維持組織的穩(wěn)態(tài)。凋亡主要通過線粒體途徑和死亡受體途徑實現(xiàn)，使細胞收縮、DNA降解并形成凋亡小體。研究發(fā)現(xiàn)，在退變的椎間盤中存在大量的凋亡細胞，而 SIRT1 對髓核細胞的凋亡有抑制作用。腫瘤壞死因子-α ( tumor necrosis factor-alpha，TNF-α )常作為髓核細胞凋亡的誘導因子，而 sirtuins 家族多種蛋白參與 TNF-α 表達調(diào)控。

白藜蘆醇 ( 3，5，4’-三羥基 - 反式 - 二苯乙烯，resveratrol，RSV ) 是一種自然界中發(fā)現(xiàn)的酚類衍生物，主要存在于葡萄皮和種子中。此化合物在組織細胞中能發(fā)揮抗炎、抗氧化以及延緩衰老等作用，在糖尿病、肥胖、心血管疾病和癌癥等慢性疾病發(fā)揮積極作用。近年來，眾多學者發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇能夠減少髓核細胞的凋亡和衰老，并促進細胞外基質(zhì)中蛋白多糖的合成，從而延緩椎間盤退變的進程。并且，多篇文獻已證實白藜蘆醇對于下游信號分子 SIRT1 的激活作用。現(xiàn)如今，白藜蘆醇已作為 SIRT1 激活劑廣泛運用于相關實驗中。SIRT1 通過以下機制延緩椎間盤退變進程 ( 圖1 )，并參與延緩椎間盤退變多條通路 ( 表1 )。

圖1 SIRT1 在椎間盤退變中的作用機制。不同 circRNA 與miRNA，以及氧化應激因素，通過促進或抑制 SIRT1 的表達作用于椎間盤退變的進程。而 SIRT1 主要通過促進髓核細胞自噬、終板軟骨細胞自噬，以及促進細胞外基質(zhì)的合成從而延緩椎間盤退變Fig.1 Mechanism of SIRT1 in intervertebral disc degeneration.CircRNA, miRNA and oxidative stress factors acted on the progression of disc degeneration by promoting or inhibiting SIRT1 expression.SIRT1 delayed disc degeneration mainly by promoting autophagy in endplate chondrocytes and nucleus pulposus cells, and promoting the synthesis of extracellular matrix

表1 SIRT1 在椎間盤退變中的作用及機制Tab.1 The roles and mechanisms of SIRT1 in the degeneration of intervertebral disc

1.SIRT1 與髓核細胞：髓核細胞的凋亡和自噬過程由細胞內(nèi)檢測機制調(diào)節(jié)，兩者相互關聯(lián)、相互影響。髓核細胞自噬過程受阻時，細胞調(diào)控凋亡的敏感性增加，從而促進了髓核細胞凋亡的發(fā)生。同時，SIRT1 對人髓核細胞的自噬誘導還能防止營養(yǎng)剝奪誘導的線粒體凋亡。Wang 等的研究結果表明，在椎間盤退變的早期階段，SIRT1 通過 Akt 抗凋亡信號通路能顯著抑制髓核細胞凋亡，在很大程度上減慢椎間盤退變發(fā)展過程。Zhang 等使用紫鉚因 ( Butein ) 處理高血糖致使椎間盤退變的大鼠的髓核組織，結果顯示出 Sirt1 增加，乙酰 p53 降低。因此，紫鉚因可能通過激活 Sirt1 來抑制 p53 的乙?；?，并保護髓核細胞免受高血糖誘導的細胞凋亡和衰老。Wang等通過實時熒光定量聚合酶鏈式反應 ( quantitative real time polymerase chain reaction，qRT-PCR ) 發(fā)現(xiàn)，RSV 通過腺苷酸活化蛋白激酶 ( AMP-activated protein kinase，AMPK ) / SIRT1 信號通路激活自噬，從而減弱了 TNF-α 誘導的人細胞中 MMP-3 的表達。Jiang 等利用實時定量PCR 發(fā)現(xiàn)，SIRT1 通過磷酸化 Erk1 / 2 信號使椎間盤髓核細胞中的自噬小體數(shù)量增多，促進了髓核細胞的自噬，減少了凋亡的發(fā)生。He 等通過評估不同椎間盤變性階段的特征，確定椎間盤退變的早期為 Pfirrmann Ⅲ 級，椎間盤高度正常，并指出輕度退行性髓核細胞可能是椎間盤退變分子生物學干預的關鍵靶點。SIRT1 通過 Akt / ERK 信號通路激活自噬，保護人類輕度退行性髓核細胞免受凋亡。酪醇 ( Tyrosol ) 是一種多酚化合物，具有抗氧化、抗凋亡和抗炎作用。Qi 等研究表明，酪醇上調(diào) Sirt1 可抑制細胞凋亡和炎癥，并通過激活 PI3K / Akt 途徑調(diào)節(jié) IL-1β刺激的人類髓核細胞的細胞外基質(zhì) ( extracellular matrix，ECM ) 重塑。

髓核間充質(zhì)干細胞 ( nucleus pulposus mesenchymal stem cells，NPMSCs ) 是存在于椎間盤中一類具有分化潛能的細胞，由于其內(nèi)源性修復功能，可促進椎間盤的再生。Ou等從椎間盤退變患者中提取 NPMSCs。然后，用 SIRT激活因子、單核細胞趨化蛋白 1 ( monocyte chemotactic protein 1，MCP1 ) 和趨化因子受體 2 ( chemokine receptor-2，CCR2 ) 抑制劑治療 NPMSC。結果可得出 SIRT1 過表達停用MCP1 / CCR2 軸，改善了軟骨分化，降低了 NPMSC 的凋亡，從而降低了大鼠椎間盤退變水平。

環(huán)狀 RNA ( circRNA ) 與微小 RNA ( miRNA ) 為一類近年來新發(fā)現(xiàn)的細胞內(nèi)調(diào)控因子，參與細胞內(nèi)多種分子信號的傳導。Wang 等指出，miR-138-5p 是 TNF-α 誘導的人髓核細胞凋亡的新調(diào)控因子。敲除 miR-138-5p 可以通過直接靶向其 3’UTR 來上調(diào) SIRT1 的表達，SIRT1 通過 PTEN / PI3K / Akt 信號介導髓核細胞自噬。同樣，Xie等的實驗中，環(huán)狀 RNA hsa_circ_0051470 ( circERCC2 )能夠抑制椎間盤退變大鼠模型中 miR-182-5p 的生成，從而靶向提高 SIRT1 的水平，并且能夠激活線粒體并阻止髓核細胞凋亡的發(fā)生。Ji 等認為，miR-141 能夠通過靶向和耗盡核因子-κB ( nuclear factor-κ-gene binding，NF-κB ) 通路的負調(diào)控因子 SIRT1 來促進椎間盤退變的發(fā)展。因此，在體內(nèi)阻斷 miR-141 可通過 miR-141 / SIRT1 / NF-κB 通路靶向調(diào)控髓核細胞凋亡。Chen 等通過生物信息分析表明，circRNA-CIDN 與 miRNA-34a-5p 具有互補序列。進一步的研究表明，miRNA-34a-5p 可能通過靶向 SIRT1 3’UTR抑制 SIRT1 的表達。Xiang 等證明 circRNA-CIDN 通過miR-34a-5p / SIRT1 軸減輕了人髓核細胞的壓縮負荷引起的損傷，而壓縮應力可以在 IDD 進展過程中誘導髓核細胞凋亡和細胞外基質(zhì)降解。

氧化應激誘導的髓核細胞的衰老是導致椎間盤退變的重要原因之一。He 等的研究表明，Akt-FoxO1 通路作為 SIRT1 的上游，通過影響 SIRT1 的表達，參與調(diào)控 HO誘導的大鼠髓核細胞的衰老。PTEN 誘導激酶 1( PTEN induced putative kinase 1，PINK1 ) 是一種關鍵的有絲分裂調(diào)節(jié)劑，PINK1 的耗盡，損害了有絲分裂，并阻斷了SIRT1 對髓核細胞壓縮誘導衰老的保護作用。Wang 等指出，SIRT1 在減輕機械壓縮誘導的髓核細胞衰老和線粒體功能障礙方面起著保護作用，其機制與 PINK1 依賴性有絲分裂的調(diào)節(jié)有關。髓核細胞有絲分裂減少直接導致髓核細胞增殖能力的減弱，髓核細胞數(shù)量的減少，椎間盤功能降低。而 SIRT1 能夠介導髓核細胞的增殖過程，改善椎間盤退變的進程。p16 可以使衰老髓核細胞增殖能力減弱，Xia 等研究表明，SIRT1 的激活抑制了 p16 的表達，同時能夠促進了椎間盤細胞中增殖的細胞核抗原和 Ⅱ 型膠原的表達。

炎癥也是引起髓核細胞凋亡的重要原因。IL-10 和TGF-β 已被證明能夠抑制退變椎間盤細胞釋放炎癥因子，實驗中常用 IL-1β 作為椎間盤炎癥的誘導劑，模擬退變的椎間盤組織。Shen 等通過 SIRT1 去乙?；?RelA /p65 來抑制 NF-κB 的核易位，從而抑制炎癥。另一方面，IL-1β 通過激活 Toll 樣受體 2 ( toll-like receptor 2，TLR2 ) 下調(diào) SIRT1 的表達。而 SIRT1 通過 TLR2 / SIRT1 / NF-κB 通路對 IL-1β 介導的炎癥反應具有抵抗作用。Wuertz 等研究表明，RSV 作為 SIRT1 激活劑，能夠在體外降低促炎細胞因子的水平，在治療髓核細胞介導的疼痛方面有相當大的潛力。1，4-二氫吡啶 ( 1，4-dihydropyridine，DHP ) 作為一種新的 SIRT1 的激活劑，具有抗氧化的作用。Song 等發(fā)現(xiàn)，DHP 通過激活人類髓核細胞中的 SIRT1 來抑制活性氧 ( reactive oxygen species，ROS ) 炎癥反應和細胞外基質(zhì)降解。Cai 等實驗顯示，退變椎間盤相關的初始炎癥反應中有 MCP1 的激活。SIRT1 通過抑制激活蛋白-1 ( activator protein 1，AP-1 ) 中的 c-Fos 和 c-Jun 蛋白的磷酸化來抑制退化髓核細胞中 MCP1 的產(chǎn)生，從而抑制椎間盤退化。

2.SIRT1 與軟骨終板細胞：椎間盤是人體內(nèi)最大的無血管組織，主要營養(yǎng)來源為終板軟骨的營養(yǎng)通路。椎間盤軟骨終板是一層中央凹陷、邊緣隆起的薄層軟骨，其內(nèi)部的終板軟骨細胞與調(diào)控組織穩(wěn)態(tài)的干細胞顯著影響椎間盤的生理狀態(tài)和退行性改變進程。Zhang 等在研究褪黑素與椎間盤退變相關性中發(fā)現(xiàn)，SIRT1 在褪黑素的影響下增強了終板軟骨細胞自噬，降低了終板軟骨凋亡和鈣化的發(fā)生率。Zhou 等在實驗中發(fā)現(xiàn)，椎間盤退行性疾病患者的終板軟骨細胞比與年齡匹配的腰椎椎體骨折患者的終板軟骨細胞衰老表型更為突出。此外，SIRT1 能夠通過p53 / p21 途徑緩解人類氧化應激誘導的終板軟骨細胞衰老。

3.SIRT1 與細胞外基質(zhì)代謝：髓核細胞和終板軟骨細胞能夠產(chǎn)生細胞外基質(zhì)以維持椎間盤的穩(wěn)定性，在退化的椎間盤中，細胞外基質(zhì)的分解是其主要病理生理特征之一。Ⅱ 型膠原和蛋白聚糖是其重要組成成分，當細胞外基質(zhì)的分解代謝大于合成時，Ⅱ 型膠原和蛋白聚糖丟失，使椎間盤組織中的水分丟失，緩沖和抗壓能力下降。MMPs 是降解 Ⅱ 型膠原和蛋白聚糖的主要酶，在退變的椎間盤中高表達，與細胞外基質(zhì)分解密切相關。Liu 等以白藜蘆醇作為 SIRT1 誘導劑，通過 Wnt / β-catenin 信號通路減少應激狀態(tài)下炎癥因子 IL-1β 導致的髓核細胞外基質(zhì)的降解。鐘小明等的研究表明，IGF-1 可促進關節(jié)軟骨細胞分裂增殖和 Ⅱ 型膠原及蛋白多糖的合成，白藜蘆醇通過調(diào)節(jié) SIRT1 活性促進退變椎間盤終板軟骨細胞合成細胞外基質(zhì)，此過程涉及 SIRT1 / IGF-1R / Akt 通路。另外，Wang 等在大鼠髓核細胞中發(fā)現(xiàn)，SIRT1 抑制了TNF-α 誘導的降解細胞外基質(zhì)的蛋白酶 mRNA 的表達，并進一步確認了 NF-κB 信號對于維持髓核細胞中的 SIRT1有重要意義。Shen 等的研究表明，白藜蘆醇靶向調(diào)節(jié)SIRT1，可以在三維海藻酸鹽微球培養(yǎng)中將去分化的髓核細胞的表型還原，并合成更多的細胞外基質(zhì)。

四、展望

SIRT1 作為具有廣泛調(diào)節(jié)作用的生物因子，一方面參與椎間盤的代謝過程，維持椎間盤微環(huán)境的穩(wěn)定，另一方面可以通過促進椎間盤細胞自噬、減少細胞凋亡、增加細胞外基質(zhì)的合成從而延緩椎間盤退變的進程。并且，隨著對 SIRT1 研究的深入，在許多研究中 SIRT1 已作為檢驗髓核細胞發(fā)生自噬與否的標志性物質(zhì)。然而，大部分研究主要集中在臨床前階段，因此需要進一步的動物實驗甚至進行初步臨床試驗來進一步驗證其療效與安全性。雖然 SIRT1 調(diào)控髓核細胞自噬與凋亡的研究正逐漸完善，但對于軟骨終板細胞的調(diào)控方面的成果仍嚴重不足。因此，未來的研究中仍須進一步闡明 SIRT1 更全面的作用機制及其與終板軟骨細胞之間的相互作用，以期發(fā)現(xiàn)更多作用靶點。此外，由于 SIRT1 可維持退變椎間盤中的穩(wěn)態(tài)，改善退變椎間盤內(nèi)的惡劣微環(huán)境，也可為軟骨終板干細胞以及髓核間充質(zhì)干細胞等提供良好的生長空間，為干細胞治療椎間盤退變提供有利條件，因此，SIRT1 與干細胞協(xié)同治療椎間盤退變是一個具有前景的治療方向。相信隨著對椎間盤退變過程與 SIRT1 研究的不斷深入，對于椎間盤退變患者的生物學治療將迎來新的突破。