三种亚型MAPK信号通路在椎间盘退变发生发展中的作用研究进展

施锦涛，张晓勃，张凯，王克平,2，周海宇,2

1 兰州大学第二医院，甘肃兰州730030；2 兰州市西固区人民医院

椎间盘退变性疾病是临床上脊柱外科最常见的疾病，椎间盘退变(IDD)为其首要原因。IDD可发生于颈椎、胸椎、腰椎的各个节段，其特征为椎间盘高度塌陷、蛋白聚糖丢失、髓核脱水以及软骨终板钙化，从而产生脊柱不稳、纤维环破裂、髓核突出，进而导致椎间盘突出、椎管狭窄、椎体滑脱等病理现象。IDD病因复杂，多种因素如遗传、吸烟、肥胖等均参与了其发生发展，据报道约五分之四的成年人在一生中受此病的影响，治疗花费负担重，且发病率有逐年上升趋势[1-2]。IDD的常规治疗手段比如保守治疗、手术治疗，不能从根本上解决问题，因此寻找IDD致病机制以寻求更有效的预防和治疗方式尤为重要。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)表达于所有真核细胞中，其通路组成是一种保守的三级激酶模式，包括MAPK激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK，即MAP3K-MAP2K-MAPK链,三种激酶能依次被激活，通过依次磷酸化将上游信号传递至下游应答分子，进而参与对环境的应激适应、炎症反应等多种重要的细胞生理病理过程。作为MAPK的亚型，细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)、p38蛋白激酶(p38 MAPK)、应激活化蛋白激酶(JNK)信号通路能通过介导细胞氧化应激反应、炎症反应、细胞外基质代谢等反应，调节椎间盘细胞的增殖、凋亡等细胞生理活动，进而调控IDD的发生发展，现综述如下。

1 ERK1/2信号通路在IDD发生发展中的作用

ERK1/2属于MAPK经典信号通路之一，相对分子量分别为44 kD和42 kD,它们有90%的相似性，为脯氨酸导向的丝氨酸/苏氨酸激酶,可以使脯氨酸相邻的丝氨酸/苏氨酸磷酸化，其通路的激活涉及椎间盘低氧和氧化应激、炎症反应以及细胞外基质合成代谢方面，IDD的发生与ERK1/2信号通路联系颇为密切。

1.1 参与低氧和氧化应激反应 椎间盘是由纤维环、髓核、软骨终板构成的生理性腔隙，其血供极差，因此低氧环境成为常态。另外，随着年龄增加，髓核细胞逐渐衰老，氧自由基增加，致使低氧和氧化应激相互作用，是导致IDD发生的重要因素之一。Wang等[3]研究发现，低氧可促使ERK1/2在椎间盘高表达，激活ERK1/2信号通路促进椎间盘酸敏感离子通道3(ASIC3)的上调，阻止G1期细胞周期，促进细胞凋亡，同时也能上调髓核细胞中缺氧诱导因子1α(HIF-1α)表达，参与调节IDD。氧化应激是氧自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。研究[4-5]表明，活性氧物质(ROS)如NO推动了IDD，而作为ERK1/2的抑制剂U0126却能逆转氧化应激导致的髓核凋亡标记物如caspase-3和p53的水平。由此可见，抑制ERK1/2信号通路可显著应对低氧和氧化应激带来的IDD，该信号通路有潜力作为研究治疗低氧和氧化应激导致IDD的潜在作用靶点。

1.2 参与炎症反应 IDD是个复杂的病变过程，炎症反应也是参与IDD进程的重要因素之一。肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素1β(IL-1β)和白细胞介素6(IL-6)等炎症介质参与了椎间盘炎症反应，并通过ERK1/2信号通路促进IDD发生。研究[6-7]表明，卵泡抑素样蛋白1(FSTL1)作为一种炎症介质在IDD组织中高表达，巨噬细胞作为炎症反应细胞也被发现存在于IDD组织中，它们可通过激活ERK1/2信号通路促进TNF-α、IL-1β和IL-6等炎症介质的表达进而导致椎间盘炎症，而ERK1/2信号通路抑制剂PD98059能扭转此现象。研究[8]显示，巨噬细胞抑制因子(MIF)可激活ERK1/2通路，并促进炎性细胞因子的表达，进而参与软骨终板细胞的合成与代谢，但其依赖CD74细胞因子的调节。TNF-α对椎间盘具有分解代谢作用，其可以增加椎间盘基质金属蛋白酶(MMPs)的表达，促进细胞外基质的降解，加速IDD，而转化生长因子-β(TGF-β)可参与IDD的细胞外基质(ECM)合成和髓核细胞增殖，并通过ERK1/2通路抵抗TNF-α对椎间盘的分解代谢作用[9-10]。另外研究[11]表明，TGF-β激活ERK1/2通路可抑制重组人趋化因子3、4(CCL3、CCL4)表达，进而抑制大鼠IDD炎症相关性疼痛。综上，ERK1/2信号通路参与了IDD的发生，抑制ERK1/2通路或许能减轻椎间盘炎症反应，另外TGF-β可能成为治疗IDD的新靶点药物。

1.3 参与细胞外基质代谢 椎间盘组织中富含聚蛋白多糖和胶原蛋白，当发生IDD时，椎间盘成分发生相应改变，主要体现在Ⅰ型胶原蛋白增加、Ⅱ型胶原蛋白减少，同时聚集蛋白多糖的含量也随之下降，而Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖是髓核细胞合成细胞外基质的两个主要成分。研究[12]表明，蛋白酶连接素1(PN-1)是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，其表达水平与IDD严重程度相关，其可通过激活ERK1/2/NF-κB信号通路降低IL-1β诱导的髓核细胞MMPs和聚蛋白多糖酶(ADAMTS)的产生，降低聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白的丢失。microRNAs(miRNAs)可与靶mRNA的3′-非翻译区(3′UTR)结合，在转录后水平上抑制基因表达。研究[13]表明，miR-155通过直接靶向ERK1/2通路来调节Ⅱ型胶原蛋白和聚蛋白多糖在椎间盘的表达，进而调控髓核细胞变性。分子水平上类似于mRNA的长链非编码RNA(lncRNA)被定义为至少200个核苷酸长的RNA，能独立转录。新的研究[14-15]证明，lncRNAs可以促进人类髓核细胞的增殖以及椎间盘组织ECM的合成，并能抑制软骨蛋白聚糖的产生而抑制IDD，lncRNA NEAT1在IDD中高表达，其可激活ERK1/2通路，从而有助于椎间盘变性髓核细胞的降解[16]。干细胞被认为是治疗IDD最有潜力的细胞。最新研究[17]表明，重组人生长分化因子6(rhGDF6)可刺激脂肪来源的多能干细胞，可激活下游ERK1/2信号通路，促进聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白的产生，使脂肪源性多能干细胞中骨形态发生蛋白受体2(BMPR2)的表达升高，因此干细胞治疗IDD或许会成为下一个研究方向，同时也为IDD的再生治疗选择提供了新的治疗信息。

2 p38 MAPK信号通路在IDD发生发展中的作用

p38 MAPK是1993年由Brewster等发现，它有5个异构体，分别为p38α(p38)、p38β1、p38β2、p38γ、p38δ，其分布具有组织特异性。p38 MAPK信号通路可介导IL-1β、TNF-α等炎症介质的产生，参与维持椎间盘细胞功能，进而调控IDD的发生发展。研究[18]发现，在人退变的颈椎间盘髓核和纤维环中存在p38 MAPK异常表达，其表达水平与颈椎间盘细胞变性的严重程度呈正相关。在大鼠髓核细胞中应用p38 MAPK抑制剂后发现椎间盘组织中前列腺素E2(PGE2)表达下降，并能降低MMPs的表达，因此，激活p38 MAPK信号通路可能通过调节PGE2与MMPs来参与大鼠IDD的病理生理过程。作为Ras蛋白超家族中的一类小G蛋白，Rab7蛋白具有介导晚期细胞内体与溶酶体的膜融合，并参与晚期蛋白转运至溶酶体的特定生物学功能。近年来的研究[19-20]表明，Rabs蛋白不仅参与调节囊泡运输，也广泛参与信号转导，其可抑制p38 MAPK信号通路，进而提升椎间盘组织聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白表达，因此p38 MAPK信号通路激活可加速椎间盘细胞外基质的代谢而导致IDD[21]。另外相关研究[22-23]也揭示，miRNAs可抑制p38MAPK信号通路激活，进而抑制炎症介质如IL-1β、TNF-α等在椎间盘的表达，延缓IDD进程。综上，抑制p38 MAPK信号途径或许是有效减缓IDD发展的潜力信号途径，因此，基于该信号通路的Rab蛋白和miRNAs或许是以后治疗IDD的潜在靶标。

3 JNK信号通路在IDD发生发展中的作用

JNK信号通路是MAPK信号通路的一个重要分支，它在细胞周期、凋亡和细胞应激等多种生理和病理过程中起重要作用，其可通过调节炎症反应、细胞外基质代谢的方式参与调控IDD。

3.1 调节炎症反应 炎症反应为正常病理过程，其可诱发椎间盘组织损坏。椎间盘突出是椎间盘退变性疾病中最常见症状之一，其特征是纤维环破裂、髓核突入椎管压迫脊髓甚至神经根，而致患者产生腰背部疼痛等一系列临床症状，髓核突出引起周围的炎症被认为是造成疼痛的重要原因。髓核突出周围IL-1β、TNFα浸润增加，而抗炎因子IL-10减少，同时也增加了磷酸化JNK的增加，而作为脂氧蛋白一类独特脂质介体的代表，脂蛋白A4具有抗炎和促分解作用，鞘内注射脂蛋白A4能抑制JNK的磷酸化，降低促炎因子的表达[24]。另外在退变的椎间盘中检测到了巨噬细胞，其可通过JNK信号通路促进椎间盘炎症的产生，而JNK信号通路抑制剂SP600125却能明显抑制巨噬细胞样细胞诱导产生TNFα、IL-6、IL-8、趋化因子CCL2和CCL3等炎症介质[7,25]。另外，其他炎症介质如卵泡抑素样蛋白1(FSTL1)、IL-17也可通过激活JNK信号通路导致IDD[6,26]。自噬是细胞器和细胞质大分子的液泡溶酶体降解途径，参与细胞凋亡的调控，自噬在退行性病变如骨关节炎中启到关键作用[27-28]。研究[29]表明，抑制JNK信号通路可以诱导大鼠髓核细胞自噬，进而降低IL-1β、TNFα等炎症介质对椎间盘的分解代谢，从而延缓IDD。因此，基于JNK信号通路的自噬研究或许为以后寻找治疗IDD提供了新的研究方向。

3.2 调节细胞外基质代谢 IDD很大程度上会促使椎间盘组织细胞外基质合成与代谢失衡，从而导致其相应椎间盘组织成分发生变化，最主要是聚集蛋白多糖、Ⅱ型胶原蛋白降低。有研究[30]表明，JNK磷酸化可促进软骨终板细胞自然变性，减少髓核Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的合成，而抑制JNK磷酸化能显著逆转此过程，并能加速软骨终板细胞的增殖，表明JNK信号通路的激活与IDD密切相关。由于椎间盘几乎无血供，其摄取营养和进行物质代谢主要依靠相邻的骨椎终板扩散和对流传输进行，因此这种极低血液灌注导致了椎间盘损伤修复的难度。研究[31]表明，低血清培养的椎间盘细胞以时间依赖的方式降低了聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的合成，而这种作用是由JNK1/2信号通路介导的。另外，由于椎间盘是由两个相连椎体构成的特有解剖结构，椎间盘长期处于负重状态，加之弯腰、扭转等因素加重了椎间盘应力负担，可导致椎间盘出现氧化应激。研究[32]表明，这种氧化应激可导致椎间盘ROS产生，并可激活IRE1/JNK信号通路引起内质网应激和自噬，从而导致椎间盘髓核细胞凋亡。多配体蛋白聚糖-4是一种新发现的多肽,广泛存在于多种组织中,调控着多种生物学效应。最近研究表明，多配体蛋白聚糖-4过表达可经JNK/p53途径导致椎间盘组织聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原下降，推动IDD发展，而TGF-β1可拮抗此作用[33,34]。

综上所述，IDD是个复杂的病理生理过程，目前临床上，尽管采用保守治疗如口服镇痛药、卧床、佩戴腰围等方式，或者通过手术的方式如椎间盘髓核摘除减压、椎板切除等进行治疗，IDD患者的症状能获得一定缓解，但是并未从根本上解决IDD病理问题，而作为MAPK通路的亚型，ERK1/2、p38MAPK、JNK信号通路可通过调节炎症反应、细胞外基质代谢等方式介导IDD的发生发展，因此ERK1/2、p38MAPK、JNK信号通路的研究或许给临床医护及科研人员提供了治疗IDD新思路，随着自噬与干细胞基于MAPK通路在IDD中的研究，或许将来基于上述通路治疗IDD的药物研发或许能为椎间盘退变性疾病患者带来福音，但由于MAPK几乎存在所有真核生物细胞中，因此相对选择特异性差，因此进一步的深入研究MAPK信号通路在IDD发生发展中的作用机制仍具有长远价值。