沉默信息调节因子 1 在椎间盘退变中作用的研究进展

刘旭雯 孙红 彭国璇 杨华

椎间盘退变是导致腰背部疼痛的主要原因，其发病率随着年龄的增长而升高，给社会和个人造成了沉重的经济负担。髓核细胞数量减少或功能降低、细胞外基质成分改变或水分减少等多种因素均加速了椎间盘的退变进程。目前，临床可应用的治疗方法主要为保守治疗及手术治疗，然而治疗效果不甚理想。因此，寻找新的治疗方法迫在眉睫。沉默信息调节因子 1 ( silent information regulator 1，SIRT1 ) 等多个 sirtuins 蛋白家族成员已被证明能够调节髓核细胞的自噬与凋亡、细胞外基质降解以及缓解炎症因子对椎间盘损害，在椎间盘退变中的稳态的调节发挥了关键作用。近年来，SIRT1 在椎间盘退变过程中的分子生物学机制成为近年来的研究热点。现笔者就目前关于 SIRT1 在椎间盘退变中作用及机制的最新进展作如下综述。

一、SIRT1 概述

SIRT1 是 sirtuins 蛋白家族的一员，是目前研究较为广泛的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白脱乙酰酶，在多种细胞中发挥抗炎、抗凋亡、抵抗应激损伤、延缓细胞衰老等作用。SIRT1 为核蛋白，主要位于常染色体区域，可在细胞核和细胞质中穿梭调节。其通过催化组蛋白和转录因子的赖氨酸去乙酰化修饰，从而影响细胞增殖、衰老与代谢等生理活动，并且已被证实在心血管疾病、神经退行性疾病、癌症、骨关节炎等衰老相关疾病扮演重要角色。2011 年，Zhang 等首次证实了人类髓核细胞能够表达SIRT1，其含量在椎间盘早期变性阶段显著升高。在关节组织有关的研究中发现，人软骨细胞能够表达 SIRT1，并且该因子参与了软骨细胞凋亡的调节。SIRT1 增加了关节组织中蛋白聚糖、Ⅱ 型胶原、Ⅸ 型胶原等特异性基因的表达，在骨关节炎的发展过程中起重要作用。

二、椎间盘退变机制

椎间盘由髓核、纤维环、软骨终板以及供应营养的毛细血管床构成，位于相邻两个椎体间，起到承重、维持椎体稳定性和活动性的作用。髓核外周被纤维环包绕，细胞外基质中富含 Ⅱ 型胶原蛋白和蛋白聚糖。椎间盘是体内最大的无血管结构，其通过周围的毛细血管组织进行物质交换，因此，椎间盘极易发生退化性病变。营养缺失、高血糖、过度受压、缺氧、应激、遗传和免疫力降低等多种因素均会导致椎间盘退变的发生。研究发现，在退变的椎间盘组织中，髓核细胞或终板软骨细胞功能降低、数量减少，并且 Ⅱ 型胶原蛋白和蛋白聚糖等细胞外基质生成减少、降解增加，致使髓核细胞分泌基质金属蛋白酶 ( matrix metalloproteinases，MMPs ) 等来维持微环境的稳态。这一过程影响了髓核细胞的发育、代谢、增殖与凋亡，使椎间盘抗压能力下降，进而导致其结构破坏。SIRT1 能够促进细胞内合成代谢，调节细胞的凋亡及自噬，减少细胞外基质中功能成分的降解以及降低椎间盘对应激和炎症因子的反应，大大减缓了椎间盘退化的进程。

三、SIRT1 在椎间盘退变中的调控作用

SIRT1 改善椎间盘退变的主要作用机制为促进髓核细胞自噬从而减少凋亡。细胞自噬是一种保守的细胞自我降解的方式，通过膜包裹受损的细胞器与蛋白质形成自噬体，与溶酶体融合降解后再利用，从而维持细胞的稳态，完成细胞器的更新。髓核细胞的自噬能够减少其衰老与凋亡，从而极大延缓了椎间盘的退变进程。细胞凋亡又称程序性死亡，是由基因介导的细胞主动结束生命的过程，通过消除缺陷细胞来维持组织的稳态。凋亡主要通过线粒体途径和死亡受体途径实现，使细胞收缩、DNA降解并形成凋亡小体。研究发现，在退变的椎间盘中存在大量的凋亡细胞，而 SIRT1 对髓核细胞的凋亡有抑制作用。肿瘤坏死因子-α ( tumor necrosis factor-alpha，TNF-α )常作为髓核细胞凋亡的诱导因子，而 sirtuins 家族多种蛋白参与 TNF-α 表达调控。

白藜芦醇 ( 3，5，4’-三羟基 - 反式 - 二苯乙烯，resveratrol，RSV ) 是一种自然界中发现的酚类衍生物，主要存在于葡萄皮和种子中。此化合物在组织细胞中能发挥抗炎、抗氧化以及延缓衰老等作用，在糖尿病、肥胖、心血管疾病和癌症等慢性疾病发挥积极作用。近年来，众多学者发现白藜芦醇能够减少髓核细胞的凋亡和衰老，并促进细胞外基质中蛋白多糖的合成，从而延缓椎间盘退变的进程。并且，多篇文献已证实白藜芦醇对于下游信号分子 SIRT1 的激活作用。现如今，白藜芦醇已作为 SIRT1 激活剂广泛运用于相关实验中。SIRT1 通过以下机制延缓椎间盘退变进程 ( 图1 )，并参与延缓椎间盘退变多条通路 ( 表1 )。

图1 SIRT1 在椎间盘退变中的作用机制。不同 circRNA 与miRNA，以及氧化应激因素，通过促进或抑制 SIRT1 的表达作用于椎间盘退变的进程。而 SIRT1 主要通过促进髓核细胞自噬、终板软骨细胞自噬，以及促进细胞外基质的合成从而延缓椎间盘退变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 在椎间盘退变中的作用及机制Tab.1 The roles and mechanisms of SIRT1 in the degeneration of intervertebral disc

1.SIRT1 与髓核细胞：髓核细胞的凋亡和自噬过程由细胞内检测机制调节，两者相互关联、相互影响。髓核细胞自噬过程受阻时，细胞调控凋亡的敏感性增加，从而促进了髓核细胞凋亡的发生。同时，SIRT1 对人髓核细胞的自噬诱导还能防止营养剥夺诱导的线粒体凋亡。Wang 等的研究结果表明，在椎间盘退变的早期阶段，SIRT1 通过 Akt 抗凋亡信号通路能显著抑制髓核细胞凋亡，在很大程度上减慢椎间盘退变发展过程。Zhang 等使用紫铆因 ( Butein ) 处理高血糖致使椎间盘退变的大鼠的髓核组织，结果显示出 Sirt1 增加，乙酰 p53 降低。因此，紫铆因可能通过激活 Sirt1 来抑制 p53 的乙酰化，并保护髓核细胞免受高血糖诱导的细胞凋亡和衰老。Wang等通过实时荧光定量聚合酶链式反应 ( quantitative real time polymerase chain reaction，qRT-PCR ) 发现，RSV 通过腺苷酸活化蛋白激酶 ( AMP-activated protein kinase，AMPK ) / SIRT1 信号通路激活自噬，从而减弱了 TNF-α 诱导的人细胞中 MMP-3 的表达。Jiang 等利用实时定量PCR 发现，SIRT1 通过磷酸化 Erk1 / 2 信号使椎间盘髓核细胞中的自噬小体数量增多，促进了髓核细胞的自噬，减少了凋亡的发生。He 等通过评估不同椎间盘变性阶段的特征，确定椎间盘退变的早期为 Pfirrmann Ⅲ 级，椎间盘高度正常，并指出轻度退行性髓核细胞可能是椎间盘退变分子生物学干预的关键靶点。SIRT1 通过 Akt / ERK 信号通路激活自噬，保护人类轻度退行性髓核细胞免受凋亡。酪醇 ( Tyrosol ) 是一种多酚化合物，具有抗氧化、抗凋亡和抗炎作用。Qi 等研究表明，酪醇上调 Sirt1 可抑制细胞凋亡和炎症，并通过激活 PI3K / Akt 途径调节 IL-1β刺激的人类髓核细胞的细胞外基质 ( extracellular matrix，ECM ) 重塑。

髓核间充质干细胞 ( nucleus pulposus mesenchymal stem cells，NPMSCs ) 是存在于椎间盘中一类具有分化潜能的细胞，由于其内源性修复功能，可促进椎间盘的再生。Ou等从椎间盘退变患者中提取 NPMSCs。然后，用 SIRT激活因子、单核细胞趋化蛋白 1 ( monocyte chemotactic protein 1，MCP1 ) 和趋化因子受体 2 ( chemokine receptor-2，CCR2 ) 抑制剂治疗 NPMSC。结果可得出 SIRT1 过表达停用MCP1 / CCR2 轴，改善了软骨分化，降低了 NPMSC 的凋亡，从而降低了大鼠椎间盘退变水平。

环状 RNA ( circRNA ) 与微小 RNA ( miRNA ) 为一类近年来新发现的细胞内调控因子，参与细胞内多种分子信号的传导。Wang 等指出，miR-138-5p 是 TNF-α 诱导的人髓核细胞凋亡的新调控因子。敲除 miR-138-5p 可以通过直接靶向其 3’UTR 来上调 SIRT1 的表达，SIRT1 通过 PTEN / PI3K / Akt 信号介导髓核细胞自噬。同样，Xie等的实验中，环状 RNA hsa_circ_0051470 ( circERCC2 )能够抑制椎间盘退变大鼠模型中 miR-182-5p 的生成，从而靶向提高 SIRT1 的水平，并且能够激活线粒体并阻止髓核细胞凋亡的发生。Ji 等认为，miR-141 能够通过靶向和耗尽核因子-κB ( nuclear factor-κ-gene binding，NF-κB ) 通路的负调控因子 SIRT1 来促进椎间盘退变的发展。因此，在体内阻断 miR-141 可通过 miR-141 / SIRT1 / NF-κB 通路靶向调控髓核细胞凋亡。Chen 等通过生物信息分析表明，circRNA-CIDN 与 miRNA-34a-5p 具有互补序列。进一步的研究表明，miRNA-34a-5p 可能通过靶向 SIRT1 3’UTR抑制 SIRT1 的表达。Xiang 等证明 circRNA-CIDN 通过miR-34a-5p / SIRT1 轴减轻了人髓核细胞的压缩负荷引起的损伤，而压缩应力可以在 IDD 进展过程中诱导髓核细胞凋亡和细胞外基质降解。

氧化应激诱导的髓核细胞的衰老是导致椎间盘退变的重要原因之一。He 等的研究表明，Akt-FoxO1 通路作为 SIRT1 的上游，通过影响 SIRT1 的表达，参与调控 HO诱导的大鼠髓核细胞的衰老。PTEN 诱导激酶 1( PTEN induced putative kinase 1，PINK1 ) 是一种关键的有丝分裂调节剂，PINK1 的耗尽，损害了有丝分裂，并阻断了SIRT1 对髓核细胞压缩诱导衰老的保护作用。Wang 等指出，SIRT1 在减轻机械压缩诱导的髓核细胞衰老和线粒体功能障碍方面起着保护作用，其机制与 PINK1 依赖性有丝分裂的调节有关。髓核细胞有丝分裂减少直接导致髓核细胞增殖能力的减弱，髓核细胞数量的减少，椎间盘功能降低。而 SIRT1 能够介导髓核细胞的增殖过程，改善椎间盘退变的进程。p16 可以使衰老髓核细胞增殖能力减弱，Xia 等研究表明，SIRT1 的激活抑制了 p16 的表达，同时能够促进了椎间盘细胞中增殖的细胞核抗原和 Ⅱ 型胶原的表达。

炎症也是引起髓核细胞凋亡的重要原因。IL-10 和TGF-β 已被证明能够抑制退变椎间盘细胞释放炎症因子，实验中常用 IL-1β 作为椎间盘炎症的诱导剂，模拟退变的椎间盘组织。Shen 等通过 SIRT1 去乙酰化 RelA /p65 来抑制 NF-κB 的核易位，从而抑制炎症。另一方面，IL-1β 通过激活 Toll 样受体 2 ( toll-like receptor 2，TLR2 ) 下调 SIRT1 的表达。而 SIRT1 通过 TLR2 / SIRT1 / NF-κB 通路对 IL-1β 介导的炎症反应具有抵抗作用。Wuertz 等研究表明，RSV 作为 SIRT1 激活剂，能够在体外降低促炎细胞因子的水平，在治疗髓核细胞介导的疼痛方面有相当大的潜力。1，4-二氢吡啶 ( 1，4-dihydropyridine，DHP ) 作为一种新的 SIRT1 的激活剂，具有抗氧化的作用。Song 等发现，DHP 通过激活人类髓核细胞中的 SIRT1 来抑制活性氧 ( reactive oxygen species，ROS ) 炎症反应和细胞外基质降解。Cai 等实验显示，退变椎间盘相关的初始炎症反应中有 MCP1 的激活。SIRT1 通过抑制激活蛋白-1 ( activator protein 1，AP-1 ) 中的 c-Fos 和 c-Jun 蛋白的磷酸化来抑制退化髓核细胞中 MCP1 的产生，从而抑制椎间盘退化。

2.SIRT1 与软骨终板细胞：椎间盘是人体内最大的无血管组织，主要营养来源为终板软骨的营养通路。椎间盘软骨终板是一层中央凹陷、边缘隆起的薄层软骨，其内部的终板软骨细胞与调控组织稳态的干细胞显著影响椎间盘的生理状态和退行性改变进程。Zhang 等在研究褪黑素与椎间盘退变相关性中发现，SIRT1 在褪黑素的影响下增强了终板软骨细胞自噬，降低了终板软骨凋亡和钙化的发生率。Zhou 等在实验中发现，椎间盘退行性疾病患者的终板软骨细胞比与年龄匹配的腰椎椎体骨折患者的终板软骨细胞衰老表型更为突出。此外，SIRT1 能够通过p53 / p21 途径缓解人类氧化应激诱导的终板软骨细胞衰老。

3.SIRT1 与细胞外基质代谢：髓核细胞和终板软骨细胞能够产生细胞外基质以维持椎间盘的稳定性，在退化的椎间盘中，细胞外基质的分解是其主要病理生理特征之一。Ⅱ 型胶原和蛋白聚糖是其重要组成成分，当细胞外基质的分解代谢大于合成时，Ⅱ 型胶原和蛋白聚糖丢失，使椎间盘组织中的水分丢失，缓冲和抗压能力下降。MMPs 是降解 Ⅱ 型胶原和蛋白聚糖的主要酶，在退变的椎间盘中高表达，与细胞外基质分解密切相关。Liu 等以白藜芦醇作为 SIRT1 诱导剂，通过 Wnt / β-catenin 信号通路减少应激状态下炎症因子 IL-1β 导致的髓核细胞外基质的降解。钟小明等的研究表明，IGF-1 可促进关节软骨细胞分裂增殖和 Ⅱ 型胶原及蛋白多糖的合成，白藜芦醇通过调节 SIRT1 活性促进退变椎间盘终板软骨细胞合成细胞外基质，此过程涉及 SIRT1 / IGF-1R / Akt 通路。另外，Wang 等在大鼠髓核细胞中发现，SIRT1 抑制了TNF-α 诱导的降解细胞外基质的蛋白酶 mRNA 的表达，并进一步确认了 NF-κB 信号对于维持髓核细胞中的 SIRT1有重要意义。Shen 等的研究表明，白藜芦醇靶向调节SIRT1，可以在三维海藻酸盐微球培养中将去分化的髓核细胞的表型还原，并合成更多的细胞外基质。

四、展望

SIRT1 作为具有广泛调节作用的生物因子，一方面参与椎间盘的代谢过程，维持椎间盘微环境的稳定，另一方面可以通过促进椎间盘细胞自噬、减少细胞凋亡、增加细胞外基质的合成从而延缓椎间盘退变的进程。并且，随着对 SIRT1 研究的深入，在许多研究中 SIRT1 已作为检验髓核细胞发生自噬与否的标志性物质。然而，大部分研究主要集中在临床前阶段，因此需要进一步的动物实验甚至进行初步临床试验来进一步验证其疗效与安全性。虽然 SIRT1 调控髓核细胞自噬与凋亡的研究正逐渐完善，但对于软骨终板细胞的调控方面的成果仍严重不足。因此，未来的研究中仍须进一步阐明 SIRT1 更全面的作用机制及其与终板软骨细胞之间的相互作用，以期发现更多作用靶点。此外，由于 SIRT1 可维持退变椎间盘中的稳态，改善退变椎间盘内的恶劣微环境，也可为软骨终板干细胞以及髓核间充质干细胞等提供良好的生长空间，为干细胞治疗椎间盘退变提供有利条件，因此，SIRT1 与干细胞协同治疗椎间盘退变是一个具有前景的治疗方向。相信随着对椎间盘退变过程与 SIRT1 研究的不断深入，对于椎间盘退变患者的生物学治疗将迎来新的突破。