线粒体与椎间盘退变

张　钰　刘志礼　黄山虎

(南昌大学第一附属医院骨科，江西　南昌　330006)



线粒体与椎间盘退变

张钰刘志礼黄山虎

(南昌大学第一附属医院骨科，江西南昌330006)

椎间盘退变; 线粒体;细胞凋亡

超过半数的人一生中会发生一次以上的下腰痛〔1〕，大多数下腰痛是因为椎间盘退变引发的。椎间盘退变性疾病导致的成人劳动能力的丧失已成为现代社会中一个日益严峻的问题〔2〕。椎间盘退变的主要机制之一是细胞凋亡，而线粒体在细胞凋亡中发挥关键性作用。本文就目前线粒体在椎间盘退变中细胞凋亡的关键作用做一综述。

1　椎间盘退变的多因素

国内外一些学者以人或动物椎间盘为对象,对椎间盘退变的机制进行了较多的研究,其中对椎间盘退变的原因的研究包括年龄增长〔3〕、过度载荷、外伤〔4〕、 吸烟〔5〕、血管硬化〔6〕、糖尿病〔7〕、遗传因素〔8〕等,对椎间盘退变的形态学研究包括退变椎间盘的组织病理学改变〔9〕和退变椎间盘的大体形态学、镜下组织学及磁共振成像(MRI)影像学分级〔10,11〕；对椎间盘退变的生物化学研究包括含水量的降低〔12〕、胶原类型及数量的改变〔13〕、蛋白多糖减少、基质金属蛋白酶的激活〔14〕及炎症介质释放〔15〕等。椎间盘退变究其本质就是一个组织修复与破坏的平衡失调〔16〕。也就是椎间盘细胞外基质(ECM)的降解增加和基质内细胞的衰老、凋亡而导致其分泌合成ECM减少，从而不能补充修复降解的ECM。人类椎间盘退变早期主要是ECM成分的改变，表现为基质中胶原、蛋白多糖、蛋白多糖聚合体数量的减少及髓核含水量的变化〔17〕。椎间盘退变是一个复杂的过程，多种因素均参与其中。

2　椎间盘细胞凋亡与椎间盘退变

细胞凋亡在椎间盘退变的中的作用近年来逐渐受到重视〔18〕，研究表明，退变椎间盘中存在着椎间盘细胞大量凋亡。细胞凋亡是椎间盘退变的重要病理变化之一〔19〕。Kerr 等〔20〕首先提出了细胞凋亡的概念之后，细胞凋亡成为研究机体发育、疾病发生发展的关键因素之一。Gruber 等〔21〕最早采用原位末端标记(TUNEL)方法证实人体退变椎间盘组织中存在细胞凋亡，并发现细胞凋亡率与年龄相关。随后学者们开始重视椎间盘细胞凋亡与椎间盘退变的相关性研究。研究〔22,23〕证实凋亡影响椎间盘细胞功能和存活，在椎间盘退变中发挥十分重要作用，衰老和退变引起髓核细胞死亡，反过来髓核细胞死亡又加速椎间盘退变的过程。

3　线粒体在椎间盘细胞中凋亡的作用

线粒体是真核细胞三磷酸腺苷(ATP)的生产中心，对维持细胞能量代谢及正常功能起非常重要的作用，并且是大多数凋亡通路的主要细胞器。 研究〔24,25〕表明，在细胞外的刺激如射线、机械应力、缺氧及药物作用，细胞内刺激氧化、DNA损伤、蛋白错构等都可能会导致细胞通过线粒体发生凋亡，表现出细胞凋亡的各种形态特征，即胞质浓缩，DNA的大规模片段化，最后细胞膜内陷而形成凋亡小体。弄清线粒体在细胞凋亡中的作用机制，对研究细胞凋亡的调控机制具有重要的理论意义。

已有的证据表明，在各种刺激因素作用下，细胞内任何一种或多种凋亡信号传导途径被活化，最终都将集中于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)家族〔26〕。在哺乳动物中，外源性死亡受体途径和内源性线粒体凋亡途径是导致效应器——Caspase激活的两个主要的信号通路。其中，在哺乳动物细胞凋亡发生过程中，Caspase-8、Caspase-9、Caspase-3均起着关键作用，而最终凋亡效应的发挥大都要经过Caspase-3这一核心作用。Caspase-3的作用底物是细胞内重要的功能蛋白质，分别参与DNA修复、mRNA剪接、细胞骨架重建及胆固醇生物合成。当它们被Caspase-3破坏或灭活后，将导致细胞核DNA断裂、细胞膜发泡、细胞皱缩等细胞凋亡的特征性变化。

大多数凋亡途径中，线粒体起着起始、放大的关键作用，因此被认为是凋亡通路中的“门卫”。在各种线粒体死亡通路反馈循环和交叉使线粒体成为凋亡通路最重要的部件〔27〕。

3.1死亡受体活化途径(膜受体途径)对于大多数细胞，细胞外死亡信号参与了线粒体通路，在这些细胞中相当于细胞内通路。线粒体凋亡途径也可以通过死亡配体激活，如细胞膜表面死亡受体Fas/CD95是肿瘤坏死因子(TNF)受体家族中的成员〔28〕，如干扰素诱导TNF相关凋亡诱导配体和Fas/FasL引起Fas相关死亡结构域蛋白的激活，后者依次激活Caspase-8及下游的Caspase-8家族〔29〕，Caspase-8的激活可裂开促凋亡蛋白Bid，导致线粒体膜电位崩解并引起细胞凋亡〔30〕。由死亡配体诱导的凋亡信号有两种转导方式：①通过一系列的级联反应直接激活效应器Caspase-3，引起细胞凋亡。②通过凋亡相关蛋白(如Bid),诱导线粒体外膜通透性的改变，引起凋亡相关因子的释放，激活Caspase-3，最后激活效应器Caspase-9，进入内源性线粒体凋亡途径，最终引起细胞凋亡。

3.2线粒体途径线粒体作为细胞内重要的细胞器之一，不仅在细胞能量代谢中有较为明确的作用外，在细胞凋亡的调控方面也起着重要作用。线粒体是多种促细胞凋亡信号转导分子的靶点，又是细胞死亡的整合元件。内源性线粒体凋亡途径可以通过多种应力刺激激活，如紫外线、γ 射线、内质网应激和 DNA 断裂等。这些应力刺激引起的线粒体信号最终导致线粒体外膜的改变，线粒体DNA损伤可分为 DNA单链断裂、双链断裂、碱基修饰和 DNA 链交联等，线粒体的损伤在凋亡细胞中明显增多〔31〕。针对线粒体DNA的修复酶可以加强线粒体DNA的修复，同时可以提高各种细胞的生存率及防止细胞发生凋亡〔32〕。线粒体DNA直接暴露于氧化磷酸化过程所产生的活性氧类(ROS)和自由基中，无组蛋白保护，几乎完全由编码区组成，缺乏有效的修复系统等，因此突变频率较高〔33〕。线粒体DNA突变可影响线粒体复合酶Ⅰ的活性〔34〕。这些改变将导致线粒体外膜通透性的增加，正常情况下存在于线粒体内外膜之间的凋亡相关蛋白将扩散至细胞质中。细胞色素C的释放是内源性凋亡途径中的主要步骤。释放到细胞质中的细胞色素C与凋亡蛋白酶激活因子结合，形成细胞色素C/凋亡蛋白酶激活因子凋亡体，此复合物可促进Caspase-9前体的自身活化，加速活化的Caspase-9前体激活Caspase-3前体，导致细胞凋亡，此复合物还可以引起质膜对称的改变，致使核质皱缩、DNA片段化和细胞死亡〔35〕。

4　B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl-2)家族和线粒体

Bcl-2家族蛋白是重要的细胞凋亡调节因子，对线粒体凋亡的调控起非常重要的作用〔36〕。Bcl-2 家族蛋白表达变化、线粒体的结构和功能改变、线粒体基质内凋亡蛋白释放被认为是控制细胞凋亡进程的关键。Bcl-2家族蛋白能协调线粒体内、外膜的渗透性〔37〕。包括抑制和促进细胞凋亡两类功能相反的蛋白质。哺乳动物抗凋亡蛋白包括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员〔38〕。其主要作用部位是线粒体外膜〔39〕。主要通过调节孔隙形成蛋白来发挥作用〔40〕。Bcl-2家族蛋白成员间的相互作用对线粒体介导的细胞凋亡起调控作用。研究〔41〕证明，线粒体外膜通透性的改变可引起细胞凋亡，而这种通透性的改变直接由Bcl-2家族蛋白控制。具体作用机制主要有：①Bcl-2家族蛋白成员精确地改变线粒体膜的通透性；②Bcl-2家族蛋白能诱导线粒体通透性转变孔道的开放。Edlich等〔42〕研究表明，在健康细胞中，易位到线粒体的Bax不断地被线粒体上的Bcl-2和Bcl-xl等抗凋亡蛋白重移细胞质而阻止线粒体外膜的透化。线粒体功能失调是导致椎间盘退变的重要细胞内环节，损伤线粒体的机制中已见报道的有：诱发ROS释放、导致线粒体膜损伤变性及膜通透性改变、钙离子内流增加、一氧化氮合成增加、诱发凋亡相关基因(如Bcl-2家族分子)表达增加,细胞凋亡诱导因子诱导凋亡等。

由此可见，线粒体在死亡受体活化途径和线粒体凋亡途径中都起着关键作用，分别由多种不同的线粒体蛋白调控。目前已有大量的文献报道，线粒体在椎间盘细胞凋亡中的重要作用： Tschoeke等〔43〕在研究损伤因素对椎间盘的退变中认为这其中是由线粒体参加的细胞凋亡途径介导。Rannou等〔44，45〕在研究压力对椎间盘细胞的凋亡过程中指出：由于过度压力负荷导致的椎间盘细胞的凋亡由线粒体途径介导。Nasto等〔46〕研究表明：线粒体释放的ROS在年龄相关的椎间盘退变中起到关键作用。而Gruber等〔47〕研究认为椎间盘退变，不是年龄，而是与线粒体损伤为主要因素，并且也牵涉氧化应激，线粒体驱动功能障碍，是椎间盘退变的主要因素。可见椎间盘细胞的凋亡涉及许多因素，但是线粒体始终在其中充当极其重要的角色。

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〔2015-06-17修回〕

(编辑王一涵)

黄山虎(1967-)，男，教授，硕士生导师，主要从事椎间盘退变研究。

张钰(1989-)，男，硕士，主要从事椎间盘退变研究。

R34

A

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