線粒體與椎間盤退變

張　鈺　劉志禮　黃山虎

(南昌大學第一附屬醫院骨科，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

(南昌大學第一附屬醫院骨科，江西南昌330006)

椎間盤退變; 線粒體;細胞凋亡

超過半數的人一生中會發生一次以上的下腰痛〔1〕，大多數下腰痛是因為椎間盤退變引發的。椎間盤退變性疾病導致的成人勞動能力的喪失已成為現代社會中一個日益嚴峻的問題〔2〕。椎間盤退變的主要機制之一是細胞凋亡，而線粒體在細胞凋亡中發揮關鍵性作用。本文就目前線粒體在椎間盤退變中細胞凋亡的關鍵作用做一綜述。

1　椎間盤退變的多因素

國內外一些學者以人或動物椎間盤為對象,對椎間盤退變的機制進行了較多的研究,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學研究包括退變椎間盤的組織病理學改變〔9〕和退變椎間盤的大體形態學、鏡下組織學及磁共振成像(MRI)影像學分級〔10,11〕；對椎間盤退變的生物化學研究包括含水量的降低〔12〕、膠原類型及數量的改變〔13〕、蛋白多糖減少、基質金屬蛋白酶的激活〔14〕及炎癥介質釋放〔15〕等。椎間盤退變究其本質就是一個組織修復與破壞的平衡失調〔16〕。也就是椎間盤細胞外基質(ECM)的降解增加和基質內細胞的衰老、凋亡而導致其分泌合成ECM減少，從而不能補充修復降解的ECM。人類椎間盤退變早期主要是ECM成分的改變，表現為基質中膠原、蛋白多糖、蛋白多糖聚合體數量的減少及髓核含水量的變化〔17〕。椎間盤退變是一個復雜的過程，多種因素均參與其中。

2　椎間盤細胞凋亡與椎間盤退變

細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胞大量凋亡。細胞凋亡是椎間盤退變的重要病理變化之一〔19〕。Kerr 等〔20〕首先提出了細胞凋亡的概念之后，細胞凋亡成為研究機體發育、疾病發生發展的關鍵因素之一。Gruber 等〔21〕最早采用原位末端標記(TUNEL)方法證實人體退變椎間盤組織中存在細胞凋亡，并發現細胞凋亡率與年齡相關。隨后學者們開始重視椎間盤細胞凋亡與椎間盤退變的相關性研究。研究〔22,23〕證實凋亡影響椎間盤細胞功能和存活，在椎間盤退變中發揮十分重要作用，衰老和退變引起髓核細胞死亡，反過來髓核細胞死亡又加速椎間盤退變的過程。

3　線粒體在椎間盤細胞中凋亡的作用

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

已有的證據表明，在各種刺激因素作用下，細胞內任何一種或多種凋亡信號傳導途徑被活化，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源性線粒體凋亡途徑是導致效應器——Caspase激活的兩個主要的信號通路。其中，在哺乳動物細胞凋亡發生過程中，Caspase-8、Caspase-9、Caspase-3均起著關鍵作用，而最終凋亡效應的發揮大都要經過Caspase-3這一核心作用。Caspase-3的作用底物是細胞內重要的功能蛋白質，分別參與DNA修復、mRNA剪接、細胞骨架重建及膽固醇生物合成。當它們被Caspase-3破壞或滅活后，將導致細胞核DNA斷裂、細胞膜發泡、細胞皺縮等細胞凋亡的特征性變化。

大多數凋亡途徑中，線粒體起著起始、放大的關鍵作用，因此被認為是凋亡通路中的“門衛”。在各種線粒體死亡通路反饋循環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)對于大多數細胞，細胞外死亡信號參與了線粒體通路，在這些細胞中相當于細胞內通路。線粒體凋亡途徑也可以通過死亡配體激活，如細胞膜表面死亡受體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TNF相關凋亡誘導配體和Fas/FasL引起Fas相關死亡結構域蛋白的激活，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，導致線粒體膜電位崩解并引起細胞凋亡〔30〕。由死亡配體誘導的凋亡信號有兩種轉導方式：①通過一系列的級聯反應直接激活效應器Caspase-3，引起細胞凋亡。②通過凋亡相關蛋白(如Bid),誘導線粒體外膜通透性的改變，引起凋亡相關因子的釋放，激活Caspase-3，最后激活效應器Caspase-9，進入內源性線粒體凋亡途徑，最終引起細胞凋亡。

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

4　B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl-2)家族和線粒體

Bcl-2家族蛋白是重要的細胞凋亡調節因子，對線粒體凋亡的調控起非常重要的作用〔36〕。Bcl-2 家族蛋白表達變化、線粒體的結構和功能改變、線粒體基質內凋亡蛋白釋放被認為是控制細胞凋亡進程的關鍵。Bcl-2家族蛋白能協調線粒體內、外膜的滲透性〔37〕。包括抑制和促進細胞凋亡兩類功能相反的蛋白質。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〕。主要通過調節孔隙形成蛋白來發揮作用〔40〕。Bcl-2家族蛋白成員間的相互作用對線粒體介導的細胞凋亡起調控作用。研究〔41〕證明，線粒體外膜通透性的改變可引起細胞凋亡，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家族蛋白能誘導線粒體通透性轉變孔道的開放。Edlich等〔42〕研究表明，在健康細胞中，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胞質而阻止線粒體外膜的透化。線粒體功能失調是導致椎間盤退變的重要細胞內環節，損傷線粒體的機制中已見報道的有：誘發ROS釋放、導致線粒體膜損傷變性及膜通透性改變、鈣離子內流增加、一氧化氮合成增加、誘發凋亡相關基因(如Bcl-2家族分子)表達增加,細胞凋亡誘導因子誘導凋亡等。

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鍵作用，分別由多種不同的線粒體蛋白調控。目前已有大量的文獻報道，線粒體在椎間盤細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為這其中是由線粒體參加的細胞凋亡途徑介導。Rannou等〔44，45〕在研究壓力對椎間盤細胞的凋亡過程中指出：由于過度壓力負荷導致的椎間盤細胞的凋亡由線粒體途徑介導。Nasto等〔46〕研究表明：線粒體釋放的ROS在年齡相關的椎間盤退變中起到關鍵作用。而Gruber等〔47〕研究認為椎間盤退變，不是年齡，而是與線粒體損傷為主要因素，并且也牽涉氧化應激，線粒體驅動功能障礙，是椎間盤退變的主要因素。可見椎間盤細胞的凋亡涉及許多因素，但是線粒體始終在其中充當極其重要的角色。

1Waddell G.Low back pain: a twentieth century health care enigma〔J〕.Spine,1996;21(24):2820-5.

2Vassilaki M,Hurwitz EL.Insights in public health: perspectives on pain in the low back and neck: global burden,epidemiology,and management〔J〕.Hawaii J Med Public Health，2014;73(4):122-6.

3俞云飛，徐宏光，王弘，等.自噬在不同年齡大鼠終板軟骨中的變化〔J〕.中華醫學雜志，2013;93(45):3632-5.

4Dolan P,Luo J,Pollintine P,etal.Intervertebral disc decompression following endplate damage: implications for discdegeneration depend on spinal level and age〔J〕.Spine，2013;38(17):1473-81.

5Nasto LA,Ngo K,Leme AS,etal.Investigating the role of DNA damage in tobacco smoking-induced spine degeneration〔J〕.Spine J，2014;14(3):416-23.

6Xu HG,Chen XH,Ding GZ,etal.Effect of pcDNA3,1-vascular endothelial growth factor 165 recombined vector on vascular buds in rabbit vertebral cartilage endplate〔J〕.Chin Med J (Engl)，2012;125(22):4055-60.

7Tsai TT,Ho NY,Lin YT,etal.Advanced glycation end products in degenerative nucleus pulposus with diabetes〔J〕.J Orthop Res，2014;32(2):238-44.

8Adams MA,Lama P,Zehra U,etal.Why do some intervertebral discs degenerate,when others (in the same spine) do not〔J〕?Clin Anat，2014;10(2):102-15.

9劉航濤，王萬明，林智軍，等.兔腰椎間盤髓核穿刺抽吸后的影像及組織病理學變化〔J〕.中國組織工程研究，2014；18(9):1313-8.

10Thompson JP,Pearce RH,Schechter MT,etal.Preliminary evaluation of a scheme for grading the gross morphology of the human intervertebral disc〔J〕.Spine,1990;15(5):411-5.

11Pfirrmann CW,Metzdorf A,Zanetti M,etal.Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration〔J〕.Spine，2001;26(17):1873-8.

12Galbusera F,van Rijsbergen M,Ito K,etal.Ageing and degenerative changes of the intervertebral disc and their impact on spinal flexibility〔J〕.Eur Spine J，2014；23(3)：324-32.

13黃秀芳,原向偉.Sox9和Ⅱ型膠原蛋白在人腰椎間盤退變中的表達及意義〔J〕.中國醫藥科學，2014;4(3)：18-21.

14Kim HJ,Yeom JS,Koh YG,etal.Anti-inflammatory effect of platelet-rich plasma on nucleus pulposus cells with response of TNF-α and IL-1〔J〕.J Orthop Res，2014;32(4):551-6.

15Pattappa G,Peroglio M,Sakai D,etal.CCL5/RANTES is a key chemoattractant released by degenerativeintervertebral discs in organ culture〔J〕.Eur Cell Mater，2014;27:124-36.

16Tegeder I,L?tsch J.Current evidence for a modulation of low back pain by human genetic variants〔J〕.J Cell Mol Med，2009;13(8B):1605-19.

17Kroeber MW,Unglaub F,Wang H,etal.New in vivo animal model to create intervertebral disc degeneration and to investigate the effects of therapeutic strategies to stimulate disc regeneration〔J〕.Spine，2002;27(23):2684-90.

18Zhao CQ,Jiang LS,Dai LY，etal.Programmed cell death in intervertebral disc degeneration〔J〕.Apoptosis，2006;11(12):2079-88.

19Ding F,Shao ZW,Xiong LM,etal.Cell death in intervertebral disc degeneration〔J〕.Apoptosis，2013;18(7):777-85.

20Kerr JF,Wyllie AH,Currie AR.Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics〔J〕.Br J Cancer,1972;26(4):239-57.

21Gruber HE,Hanley EN Jr.Analysis of aging and degeneration of the human intervertebral disc.Comparison of surgical specimens with normal controls〔J〕.Spine,1998;23(7):751-7.

22Trout JJ,Buckwalter JA,Moore KC.Ultrastructure of the human intervertebral disc:Ⅱ.Cells of the nucleus pulposus〔J〕.Anat Rec,1982;204(4):307-14.

23王鋒，吳小濤，王云濤，等.干細胞移植修復椎間盤退變的研究現狀〔J〕.中國修復重建外科雜志，2013;27(5):575-9.

24朱玉山，陳佺.線粒體與細胞凋亡調控〔J〕.生命科學，2008；20(4)：506-13.

25劉麗君，彭建新，洪華珠，等.線粒體在細胞凋亡中的變化與作用〔J〕.細胞生物學雜志，2005；27(2)：117-20.

26Ding F,Shao ZW,Xiong LM,etal.Cell death in intervertebral disc degeneration〔J〕.Apoptosis，2013;18(7):777-85.

27Tait SW,Green DR.Mitochondrial regulation of cell death〔J〕.Cold Spring Harb Perspect Biol，2013;5(9)：775-82.

28Guo XX,Li Y,Sun C,etal.p53-dependent Fas expression is critical for Ginsenoside Rh2 triggered caspase-8 activation in HeLa cells〔J〕.Protein Cell，2014;5(3):224-34.

29Xiong J,Cheng G,Tang H,etal.Ardipusilloside Ⅰ induces apoptosis in human glioblastoma cells through a caspase-8-independent FasL/Fas-signaling pathway〔J〕.Environ Toxicol Pharmacol，2009;27(2):264-70.

30Liou CM,Tsai SC,Kuo CH,etal.Cardiac fas-dependent and mitochondria-dependent apoptosis after chronic cocaine abuse〔J〕.Int J Mol Sci，2014;15(4):5988-6001.

31Zapico SC,Ubelaker DH.mtDNA mutations and their role in aging,diseases and forensic sciences〔J〕.Aging Dis，2013;4(6):364-80.

32Rachek LI,Grishko VI,Alexeyev MF,etal.Endonuclease Ⅲ and endonuclease Ⅷ conditionally targeted into mitochondria enhance mitochondrial DNA repair and cell survival following oxidative stress〔J〕.Nucleic Acids Res，2004;32(10):3240-7.

33Wojcik KA,Kaminska A,Blasiak J,etal.Oxidative stress in the pathogenesis of keratoconus and Fuchs endothelial corneal dystrophy〔J〕.Int J Mol Sci，2013;14(9):19294-308.

34Pronicki M,Sykut-Cegielska J,Mierzewska H,etal.Diversity of clinical symptoms in A3243G mitochondrial DNA mutation (MELAS syndrome mutation)〔J〕.Med Sci Monit，2002；8(11):CR767-73.

35Chawla-Sarkar M,Leaman DW,Borden EC.Preferential induction of apoptosis by interferon (IFN)-beta compared with IFN-alpha2: correlation with TRAIL/Apo2L induction in melanoma cell lines〔J〕.Clin Cancer Res，2001；7 (6):1821-31.

36Tischner D,Woess C,Ottina E,etal.Bcl-2-regulated cell death signalling in the prevention of autoimmunity〔J〕.Cell Death Dis，2010；1(6)：e48.

37Camperchioli A,Mariani M,Bartollino S,etal.Investigation of the Bcl-2 multimerisation process: structural and functional implications〔J〕.Biochim Biophys Acta，2011;1813(5):850-7.

38Tsujimoto Y,Shimizu S.Bcl-2 family: life-or-death switch〔J〕.FEBS Lett，2000;466(1):6-10.

39Ola MS,Nawaz M,Ahsan H.Role of Bcl-2 family proteins and caspases in the regulation of apoptosis〔J〕.Mol Cell Biochem，2011;351(1-2):41-58.

40Korytowski W,Basova LV,Pilat A,etal.Permeabilization of the mitochondrial outer membrane by Bax/truncated Bid (tBid) proteins as sensitized by cardiolipin hydroperoxide translocation: mechanistic implications for the intrinsic pathway of oxidative apoptosis〔J〕.J Biol Chem，2011;286(30):26334-43.

41孟祥東，嚴云勤.BCL-2家族與線粒體對細胞凋亡的凋亡〔J〕.細胞與分子免疫學雜志，2005；21(B03)：77-9.

42Edlich F,Banerjee S,Suzuki M,etal.Bcl-x(L) retrotranslocates Bax from the mitochondria into the cytosol〔J〕.Cell，2011;145(1):104-16.

43Tschoeke SK,Hellmuth M,Hostmann A,etal.Apoptosis of human intervertebral discs after trauma compares to degenerated discs involving both receptor-mediated and mitochondrial-dependent pathways〔J〕.J Orthop Res，2008;26(7):999-1006.

44Rannou F,Lee TS,Zhou RH,etal.Intervertebral disc degeneration: the role of the mitochondrial pathway in annulus fibrosus cell apoptosis induced by overload〔J〕.Am J Pathol，2004;164(3):915-24.

45Ding F,Shao ZW,Yang SH,etal.Role of mitochondrial pathway in compression-induced apoptosis of nucleus pulposus cells〔J〕.Apoptosis，2012;17(6):579-90.

46Nasto LA,Robinson AR,Ngo K,etal.Mitochondrial-derived reactive oxygen species (ROS) play a causal role in aging-related intervertebral disc degeneration〔J〕.J Orthop Res，2013;31(7):1150-7.

47Gruber HE,Watts JA,Riley FE,etal.Mitochondrial bioenergetics,mass,and morphology are altered in cells of the degenerating human annulus〔J〕.J Orthop Res，2013;31(8):1270-5.

〔2015-06-17修回〕

(編輯王一涵)

黃山虎(1967-)，男，教授，碩士生導師，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