滲透壓及彈性增強結合蛋白在椎間盤退變中作用的研究進展

·綜述·

滲透壓及彈性增強結合蛋白在椎間盤退變中作用的研究進展

林文波，曹鵬，楊晨，袁文

作者單位：200003上海，第二軍醫(yī)大學長征醫(yī)院骨科

通信作者：袁文yuanwenspine@gmail.com

【關鍵詞】椎間盤退行性變; 彈性蛋白; 轉錄因子; 滲透壓

基金項目：上海市科委國際合作項目(13430721000)

作者簡介：林文波(1990— )，碩士，醫(yī)師

【中圖分類號】R 341.31【文獻標志碼】 A

DOI【】

收稿日期：(2014-10-14)

隨著中國人口的老齡化，頸椎病、腰椎椎間盤突出癥等脊柱退行性相關疾病的發(fā)生率日趨升高，給人民群眾造成了巨大的健康威脅和經(jīng)濟負擔[1]。椎間盤退變(intervertebral disc degeneration，IDD)是導致脊柱退行性相關疾病的主要病理基礎，其發(fā)生機制較為復雜，至今尚無明確定論。IDD病理特點主要包括：髓核細胞數(shù)量減少和功能下降，細胞外基質(zhì)成分改變，如蛋白聚糖、Ⅱ型膠原等大分子的合成減少，降解增加，滲透壓下降，炎癥細胞入侵等。在眾多病理生理因素的綜合作用下，椎間盤組織吸收、緩沖應力的能力下降[2]，發(fā)生纖維環(huán)變性破裂，椎間高度丟失，最終喪失生物學功能，導致椎間盤突出、脊柱不穩(wěn)、神經(jīng)根和脊髓病變及相應臨床癥狀和體征[3]。

研究顯示高滲透壓具有促進髓核細胞外基質(zhì)合成以及維持細胞功能及表型的作用[4]，而髓核細胞可以通過轉錄因子彈性增強結合蛋白(Tonicity Enhancer Binding Protein，TonEBP)系統(tǒng)調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)合成，維持細胞內(nèi)外的滲透壓平衡。本文擬對椎間盤組織內(nèi)高滲透壓環(huán)境的生理學特點及其對髓核細胞的作用，以及TonEBP系統(tǒng)在細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的作用作一綜述。

1髓核組織高滲透壓微環(huán)境的生理特點

脊柱是人體的主要承載結構，其中椎間盤發(fā)揮著重要作用。當人體處于不同的活動狀態(tài)時，椎間盤內(nèi)的靜水壓也隨之發(fā)生變化。椎間盤組織主要通過提高髓核組織的滲透壓和調(diào)節(jié)髓核細胞外基質(zhì)的水合狀態(tài)來承受巨大的壓縮應力[5]。因此，凝膠狀的髓核組織就如同一個可以隨時調(diào)節(jié)氣壓大小的氣墊，發(fā)揮著緩沖作用。髓核細胞的細胞外基質(zhì)由聚蛋白聚糖、Ⅱ型膠原等大分子構成。聚蛋白聚糖的組成成分包括250 kDa的核心蛋白、糖胺聚糖、硫酸軟骨素以及硫酸角質(zhì)素等，是髓核細胞外基質(zhì)的主要成分[6]。聚蛋白聚糖的降解導致髓核組織吸附水的能力下降，進而引起椎間盤調(diào)節(jié)生物應力的能力下降并逐漸導致椎間高度丟失。

1.1髓核組織的滲透壓形成機制

髓核組織細胞外基質(zhì)中的聚蛋白聚糖分子上有大量帶負電荷的糖氨聚糖側鏈，這些側鏈可與鈉離子、鉀離子等結合，從而形成髓核組織細胞外基質(zhì)的高滲透壓[7]。高滲透壓使得髓核組織在高應力作用下仍能保持對水分子的吸附力。van Dijk等[8]研究顯示,椎間盤內(nèi)的滲透壓值為430～496 mOsm/kg·H2O(1 mOsm/kg·H2O≈25.6667 kPa)不等。

1.2髓核組織的水合狀態(tài)及滲透壓調(diào)節(jié)

髓核組織中的含水量大約為77%，Wang等[9]曾用固液雙相混合物來形容髓核組織的解剖形態(tài)。水分子在髓核組織中有結合型和游離型2種存在形式:結合型水分子反映聚蛋白聚糖以及膠原蛋白的電荷分布，游離型水分子的多少取決于組織的滲透壓和靜水壓[10]。髓核組織的水合狀態(tài)并非恒定不變，而是隨著應力的變化而時刻改變的。椎間盤所受到的應力主要來自體重和肌肉活動，晚間休息時應力最低，為0.1～0.2 MPa；白天活動狀態(tài)下椎間盤內(nèi)壓力最高可達3 MPa。在高應力作用下，髓核組織中的水就被擠出；到晚間應力下降時，又重新與聚蛋白聚糖結合。因此，細胞外基質(zhì)的滲透壓也就隨著晝夜活動的變化而發(fā)生相應的改變[11]。

2高滲透壓促進髓核組織細胞外基質(zhì)的合成

Wuertz等[7]將人和牛髓核細胞分別在滲透壓為300 mOsm/kg，400 mOsm/kg和500 mOsm/kg的培養(yǎng)基中進行離體培養(yǎng)，隨著培養(yǎng)基滲透壓的升高，髓核細胞聚蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的表達量逐漸上升，而Ⅰ型膠原的表達量則受到抑制。他們認為，高滲透壓具有促進細胞外基質(zhì)合成的作用，滲透壓的降低可能是加快椎間盤退變進程的重要因素之一。Neidlinger-Wilke等[12]研究顯示將培養(yǎng)基滲透壓從300 mOsm/kg提高到500 mOsm/kg能增加聚蛋白聚糖的表達，而基質(zhì)金屬蛋白酶-3(matrix metalloproteinase-3, MMP-3)mRNA的表達量下降。MMP-3是髓核組織細胞外基質(zhì)降解的主要酶類，是重要的基質(zhì)金屬蛋白酶之一，與椎間盤退變之間存在密切關系，能夠降解蛋白多糖、層黏連蛋白、纖維連接蛋白等多種細胞外基質(zhì)成分[13]。MMP-3還可激活其他潛在的各類MMPs，形成瀑布效應，加速椎間盤退變的進程[14]。

Spillekom等[15]研究髓核細胞在不同滲透壓培養(yǎng)基中brachyury蛋白、聚蛋白聚糖以及糖胺聚糖的表達情況，結果表明當滲透壓為400 mOsm/Kg時，brachyury蛋白、聚蛋白聚糖以及糖胺聚糖的表達量最高。其中Brachyury蛋白是髓核細胞的分子表型標記物之一[16]。

雖然各研究機構在髓核細胞體外培養(yǎng)的最適滲透壓上沒有達成統(tǒng)一，但是可以明確的是在一定范圍內(nèi)，高滲透壓具有促進髓核細胞外基質(zhì)合成和維持髓核細胞功能及表型的作用。

3髓核細胞通過轉錄因子TonEBP系統(tǒng)維持細胞內(nèi)外的滲透壓平衡

內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)對于髓核細胞維持正常結構和生理功能非常重要，滲透壓的改變可導致細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸的結構、功能發(fā)生改變，繼而誘發(fā)細胞自噬、衰老甚至凋亡[17]。研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)環(huán)境滲透壓改變后，髓核細胞發(fā)生了一系列適應性改變以防止其對細胞結構和功能產(chǎn)生損害[10]。近年來TonEBP在髓核組織滲透壓調(diào)節(jié)中的作用受到關注。TonEBP又稱為T細胞活化核因子5(nuclear factor of activated T cells 5，NFAT5)，是哺乳動物體內(nèi)唯一已知的能由高滲透壓激活的轉錄因子。TonEBP在髓核細胞調(diào)節(jié)滲透壓的過程中發(fā)揮著重要作用[17]。

3.1髓核細胞通過TonEBP維持滲透壓平衡

Tsai等[18]研究表明TonEBP在椎間盤髓核和纖維環(huán)組織中均有表達，且表達量較高。TonEBP激活后通過與目的基因的彈性反應增強子序列結合，促進目的基因的表達，從而調(diào)節(jié)滲透壓，維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。TonEBP的目的基因包括醛糖還原酶、γ-氨基丁酸轉運蛋白、鈉離子-肌醇轉運蛋白以及牛磺酸轉運蛋白等，TonEBP激活后可調(diào)節(jié)山梨醇、內(nèi)銨鹽、肌醇和牛磺酸等有機滲透溶質(zhì)的跨膜轉運，進而調(diào)節(jié)細胞胞漿的滲透壓。TonEBP介導的滲透壓調(diào)節(jié)與經(jīng)典的滲透壓調(diào)節(jié)方式(通過鈉離子轉運蛋白調(diào)節(jié)無機電解質(zhì)離子的跨膜轉運速率)相比，其優(yōu)勢在于：通過調(diào)節(jié)有機滲透溶質(zhì)的跨膜轉運，可實現(xiàn)在調(diào)節(jié)滲透壓的同時不改變細胞膜電位，不影響細胞內(nèi)各種酶和核酸等生物大分子的理化性質(zhì)和功能結構。此外，該研究團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)，沉默TonEBP的表達后，髓核細胞在高滲環(huán)境中的細胞活力和增殖能力下降[19]。這一研究證明了高滲透壓環(huán)境下，轉錄因子TonEBP在髓核細胞的生存和增殖過程中的確發(fā)揮著重要作用。

Gajghate 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在髓核細胞的細胞膜上有水通道蛋白-2(Aquaporin-2,AQP2)表達。AQP2是滲透壓敏感的水通道蛋白，主要受精氨酸加壓素調(diào)節(jié)，在腎臟集合管重吸收水的過程中發(fā)揮著重要作用。在髓核組織中，滲透壓改變可通過激活TonEBP調(diào)控細胞膜上水通道蛋白AQP2的表達，調(diào)節(jié)水分子的跨膜轉運和細胞外基質(zhì)的水合狀態(tài)，繼而調(diào)節(jié)髓核細胞內(nèi)外的滲透壓平衡[21]。

3.2髓核細胞通過TonEBP調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的合成

除了維持髓核細胞內(nèi)外滲透壓平衡外，TonEBP在促進髓核細胞外基質(zhì)的合成中也發(fā)揮著重要作用。

Tsai等[18]研究發(fā)現(xiàn)，聚蛋白聚糖的啟動子序列中存在可與TonEBP結合的TonE共有序列。通過顯性失活或者RNA干擾技術抑制TonEBP的表達后，聚蛋白聚糖的啟動子活性顯著降低，證明在髓核細胞中，TonEBP可以在轉錄水平調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的合成。

Hiyama等[22]研究發(fā)現(xiàn)，TonEBP可以調(diào)節(jié)β1,3-葡聚糖醛基轉移酶-1(1,3-glucuronosyltransferase-1，GlcAT-1)的表達。該酶是糖氨聚糖合成的限速酶。糖氨聚糖是聚蛋白聚糖的主要結構，與核心蛋白及透明質(zhì)酸結合后水化形成超分子結構，這一超分子結構所形成的流體力學調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)椎間盤的生物應力中發(fā)揮著重要作用。Hiyama等[23]進一步研究發(fā)現(xiàn)髓核細胞中骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)和轉化生長因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)促進葡聚糖醛基轉移酶的表達也是通過TonEBP介導的。

Mak等[24]報道成功構建2種TonEBP基因敲除的小鼠模型。然而，該模型目前存在圍生期死亡率高等問題，這很大程度上限制了其在科學研究中的廣泛運用。Wiig等[25]報道成功構建的TonEBPfl/fl 小鼠在一定程度上促進對TonEBP在椎間盤組織中調(diào)控機制的深入研究。

因此，筆者認為髓核組織中的高滲透壓相關轉錄因子TonEBP能促進細胞外基質(zhì)合成，維持細胞內(nèi)外滲透壓平衡，調(diào)節(jié)椎間盤生物應力，對髓核組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和生物學功能的維持具有重要意義。因此，可以認為是椎間盤退變的保護因素。

高滲透壓是髓核細胞內(nèi)環(huán)境的重要理化性質(zhì)之一，在髓核細胞外基質(zhì)的合成、細胞表型和功能的維持中發(fā)揮著重要作用。高滲透壓相關轉錄因子TonEBP在髓核細胞中具有促進細胞外機制合成，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等重要作用。因此，對髓核組織高滲透壓微環(huán)境及轉錄因子TonEBP調(diào)控機制的進一步研究，將有利于闡明椎間盤退變的病理生理機制，并為脊柱退行性相關疾病的生物治療提供新的方向和思路。

參 考 文 獻

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(本文編輯于倩)