椎間盤退行性變（idd）是一個(gè)慢性炎性狀態(tài)，其特征是椎間盤（ivd）內(nèi)的髓核（np）活細(xì)胞喪失和細(xì)胞外基質(zhì)（ecm）破壞。目前，如何提高np細(xì)胞活力，降低死亡率成為idd治療發(fā)展的緊迫問題。
溶酶體是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要降解細(xì)胞器。針對溶酶體損傷，溶酶體自噬作為重要的內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制，在防止不可逆細(xì)胞損傷方面發(fā)揮作用。溶酶體自噬是指通過選擇性自噬對受損溶酶體有效清除的過程。溶酶體活性維持正確的細(xì)胞功能，其失調(diào)與多種疾病有關(guān)，包括癌癥、神經(jīng)退行性疾病或與衰老相關(guān)的疾病。溶酶體損傷參與多種形式的細(xì)胞死亡過程，如細(xì)胞凋亡、壞死、焦亡及鐵死亡等。鐵死亡是指鐵依賴性脂質(zhì)過氧化和活性氧（ros）誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡。溶酶體通過改變鐵攝取和鐵排出的水平來調(diào)控鐵死亡。當(dāng)涉及到受損的溶酶體和溶酶體自噬活性時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)制仍然未知。先前的研究表明np細(xì)胞中存在鐵死亡，并初步探討了其在idd中的作用。然而，鐵死亡相關(guān)椎間盤退變的潛在機(jī)制很復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。
ras-gtp酶激活蛋白sh3結(jié)構(gòu)域結(jié)合蛋白1（g3bp1）是眾suo周知的應(yīng)激顆粒成分，在調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老、免疫反應(yīng)和細(xì)胞凋亡方面發(fā)揮作用。最近的研究表明，g3bp1可以調(diào)節(jié)雷帕霉素（mtor）信號(hào)通路機(jī)制靶點(diǎn)的激活，起到溶酶體系鏈的作用。這些發(fā)現(xiàn)支持g3bp1可以影響溶酶體的功能，可能包括溶酶體的數(shù)量和活性。因此，有理由懷疑g3bp1在應(yīng)力條件下調(diào)節(jié)溶酶體自噬活性和溶酶體修復(fù)。此外，在idd進(jìn)展過程中，g3bp1與mtor信號(hào)通路之間的關(guān)系仍需在np細(xì)胞中驗(yàn)證。
最近，在華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院骨科團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究中，推測g3bp1通過在idd過程中調(diào)節(jié)細(xì)胞鐵死亡介導(dǎo)溶酶體自噬和溶酶體活性，并進(jìn)一步研究了g3bp1和mtor信號(hào)在體內(nèi)椎間盤退變模型中的作用。該研究加深了對np細(xì)胞g3bp1、溶酶體自噬和鐵死亡之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為idd治療提供了新的靶點(diǎn)。
首先，實(shí)驗(yàn)測量了g3bp1和galectin-3（溶酶體損傷的標(biāo)志物）在人np組織中的表達(dá)水平。結(jié)果表明，在退變np組織中g(shù)3bp1表達(dá)水平低，galectin-3表達(dá)水平高，而且g3bp1和galectin-3 水平均與np組織的退行性分級(jí)相關(guān)。這表明，在idd的進(jìn)展過程中，g3bp1的水平逐漸降低，溶酶體損傷增加。
壓縮力是idd的常見致病因素。因此實(shí)驗(yàn)利用體外靜態(tài)壓縮力裝置（1.0 mpa）來模擬np細(xì)胞周圍的外部環(huán)境。llome（l-亮氨酸甲酯的二肽縮合物）能夠在溶酶體中積累，并用于誘導(dǎo)溶酶體損傷。結(jié)果觀察到，galectin-3的蛋白質(zhì)水平在壓縮組和llome組中均增加（圖1 a），而且壓縮力處理誘導(dǎo)galectin-3陽性溶酶體在np細(xì)胞中的積累（圖1 b）。它揭示了np細(xì)胞在壓縮壓力下溶酶體損傷的增加。另一方面，發(fā)現(xiàn)壓縮處理增加了np細(xì)胞的死亡率（圖1 c）。
為了進(jìn)一步研究是否發(fā)生鐵死亡，將np細(xì)胞與dcfh-da探針一起孵育。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加壓處理后，細(xì)胞ros水平升高（圖1 d），gpx4和ftl的蛋白質(zhì)水平均降低（一些蛋白質(zhì)，如谷胱甘肽過氧化物酶4（gpx4）和鐵蛋白輕鏈（ftl）參與調(diào)節(jié)細(xì)胞鐵死亡）（圖1 e）。結(jié)果表明，在壓縮壓力下溶酶體損傷伴有細(xì)胞鐵死亡。同時(shí)，加壓組細(xì)胞游離鐵濃度升高（圖1 f）。游離鐵可能從嚴(yán)重受損的溶酶體中釋放出來。脂質(zhì)ros水平表示脂質(zhì)過氧化的程度，這是鐵死亡的標(biāo)志。結(jié)果表明，壓縮和llome處理均誘導(dǎo)脂質(zhì)ros水平升高（圖1 g、h）。這些結(jié)果表明，壓縮處理誘導(dǎo)溶酶體損傷，進(jìn)而加重np細(xì)胞的鐵死亡。
圖1 加壓處理誘導(dǎo)溶酶體損傷和np細(xì)胞鐵死亡。
trim16 是一種 e3 泛素連接酶，在溶酶體自噬起始中發(fā)揮作用，并募集接頭蛋白 vcp/p97來誘導(dǎo)溶酶體自噬。接下來，實(shí)驗(yàn)觀察到trim16和p97的水平在加壓期間發(fā)生了變化。長時(shí)間的壓力處理似乎損害了溶酶活性以及g3bp1的水平。為了進(jìn)一步揭示g3bp1在溶酶體自噬中的作用，sirnas被用來敲低g3bp1的表達(dá)。結(jié)果表明，g3bp1敲低降低了trim16的表達(dá)并誘導(dǎo)了p97的積累。同時(shí)，溶酶體自噬活性降低與ros水平升高有關(guān)。g3bp1敲低組的細(xì)胞游離鐵和脂質(zhì)過氧化水平升高。這表明g3bp1功能障礙加重細(xì)胞鐵死亡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)g3bp1功能障礙誘導(dǎo)galectin-3的積累和溶酶體損傷，這對于在壓縮壓力下加劇鐵死亡至關(guān)重要。
g3bp1被認(rèn)為是組裝應(yīng)激顆粒（sgs）的中心開關(guān)。因此打算確定g3bp1是否參與壓縮壓力下的sg的形成。亞砷suan鹽可誘導(dǎo)應(yīng)激顆粒組裝。結(jié)果表明，壓縮組g3bp1相關(guān)sg的形成不如亞砷suan鹽組明顯。這表明，g3bp1更可能作為溶酶體活性的調(diào)節(jié)劑，同時(shí)在壓縮壓力下也可能充當(dāng)sg成分。
哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶標(biāo)蛋白（mtor）信號(hào)控制溶酶體代謝途徑。因此懷疑g3bp1通過mtor信號(hào)調(diào)節(jié)溶酶體活性。結(jié)果表明，在壓縮壓力下磷酸化的mtor水平降低，表明mtor信號(hào)受到抑制（圖2 a）。np細(xì)胞用mtor信號(hào)激活劑mhy1485或特異性mtor抑制劑雷帕霉素處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶酶體自噬活性同時(shí)被mtor激活劑抑制，并被mtor抑制劑激活（圖2 b）。此外，mhy1485處理還誘導(dǎo)np細(xì)胞中ros水平升高（圖2 c）。mtor激活組細(xì)胞游離鐵濃度和脂質(zhì)ros水平升高，在mtor抑制組降低（圖2 d-f）。細(xì)胞死亡率在mhy1485組顯著升高，在雷帕霉素組降低（圖2 g）。這表明，mtor信號(hào)傳導(dǎo)的激活加重了細(xì)胞鐵死亡，這與g3bp1敲低的效果相似。此外，mhy1485處理促進(jìn)溶酶體損傷，而雷帕霉素改善了溶酶體損傷（圖2 h、i）。這些結(jié)果表明，g3bp1通過mtor信號(hào)調(diào)節(jié)溶酶體自噬和細(xì)胞鐵死亡。
然后，為了進(jìn)一步研究g3bp1在mtor信號(hào)中的作用，研究人員打算揭示g3bp1與mtor復(fù)合體的結(jié)合。實(shí)驗(yàn)觀察g3bp1與mtor亞基tsc2的結(jié)合。tsc2的敲低誘導(dǎo)磷酸化mtor水平升高，顯著抑制溶酶體自噬的活化，降低鐵死亡相關(guān)保護(hù)蛋白的水平，還誘導(dǎo)galectin-3表達(dá)升高，表明溶酶體損傷加重。這些結(jié)果表明，g3bp1/tsc2 復(fù)合體使 mtor 信號(hào)失活，以調(diào)節(jié)溶酶體自噬和np細(xì)胞的鐵死亡。
圖2 g3bp1通過mtor信號(hào)調(diào)節(jié)溶酶體自噬和鐵死亡結(jié)果。
最后，為了評(píng)估g3bp1對idd的影響，建立了椎間盤退變模型，將靶向g3bp1的sirnas注射到大鼠椎間盤中，并評(píng)估椎間盤的退變程度。結(jié)果表明，g3bp1的敲低促進(jìn)了idd在體內(nèi)的進(jìn)展。
為了進(jìn)一步了解idd進(jìn)展過程中的g3bp1/mtor信號(hào)，在椎間盤退變模型中使用了靶向mtor信號(hào)的藥物。結(jié)果表明，mhy1485提高了椎間盤的mri分級(jí)，與idd組相同（圖3 a、b）。mhy1485組椎間盤高度較對照組顯著降低（圖3 c、d）。然而，雷帕霉素可以部分改善idd進(jìn)展過程中水分含量和椎間盤高度的損失。與idd組相比，雷帕霉素組mri分級(jí)較低，椎間盤高度指數(shù)（dhi）較高。此外，mhy1485組和idd組np區(qū)被纖維組織取代（圖3 e）。與mhy1485和idd組相比，雷帕霉素組的退變分級(jí)較低，表明椎間盤的退變特征不太明顯（圖3 f）。這些結(jié)果表明，mtor 信號(hào)失活會(huì)延緩體內(nèi) idd 的進(jìn)展，g3bp1/mtor信號(hào)參與體內(nèi)idd的進(jìn)展，可能為idd治療提供潛在的靶點(diǎn)。
圖3 mtor信號(hào)傳的調(diào)控影響體內(nèi)idd的進(jìn)展。
圖4 揭示g3bp1在壓縮誘導(dǎo)的溶酶體損傷和細(xì)胞鐵死亡中的保護(hù)作用的示意圖模型。
g3bp1 協(xié)調(diào) tsc/mtor 復(fù)合體以啟動(dòng)溶酶體自噬以去除損傷的溶酶體。在壓縮壓力下，g3bp1功能障礙促進(jìn)溶酶體自噬的失活。受損溶酶體的積累誘導(dǎo)游離鐵和脂質(zhì)過氧化水平升高，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。
總之，該研究調(diào)查了溶酶體自噬、溶酶體損傷和細(xì)胞鐵死亡之間的關(guān)系。g3bp1作為核心鏈接協(xié)調(diào)溶酶體自噬活性以清除損傷的溶酶體，從而抑制細(xì)胞游離鐵的過載。在壓縮壓力下，g3bp1似乎主要存在于溶酶體中，通過tsc2 / mtor信號(hào)調(diào)節(jié)溶酶體功能，而不是形成應(yīng)激顆粒。這些發(fā)現(xiàn)說明了g3bp1和mtor信號(hào)在np細(xì)胞鐵死亡中的作用，并可能為idd提供潛在的治療靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：li s, liao z, yin h, liu o, hua w, wu x, zhang y, gao y, yang c. g3bp1 coordinates lysophagy activity to protect against compression-induced cell ferroptosis during intervertebral disc degeneration. cell prolif. 2023 mar;56(3):e13368. doi: 10.1111/cpr.13368. epub 2022 nov 30. pmid: 36450665; pmcid: pmc9977669.
原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36450665/
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