Literature
首页医源资料库在线期刊中国矫形外科杂志2009年第17卷第5期

椎间盘退变中影响Sox9基因的相关因素

来源:《中国矫形外科杂志》
摘要:【关键词】椎间盘退变Sox9基因随着分子生物学的发展和对椎间盘退变的生物学机制的深入研究,人们已经越来越不满足于传统的椎间盘退变治疗方法,如卧床休息、理疗、药物治疗和手术治疗等。这些传统方法仅能短期缓解椎间盘退变给患者带来的痛苦,并不能从根本上终止退变进程。近些年来,对椎间盘退变的基因治疗成为......

点击显示 收起

【关键词】  椎间盘退变 Sox9基因

随着分子生物学的发展和对椎间盘退变的生物学机制的深入研究,人们已经越来越不满足于传统的椎间盘退变治疗方法,如卧床休息、理疗、药物治疗和手术治疗等。这些传统方法仅能短期缓解椎间盘退变给患者带来的痛苦,并不能从根本上终止退变进程。近些年来,对椎间盘退变的基因治疗成为目前的热点之—,其中,Sox9基因因其在软骨细胞发育成熟中的作用,更是成为各国学者研究的重点[1]。很多研究发现,Sox家族的Sox9基因很可能与椎间盘退变有着密切的关系。通过对Sox9基因的表达进行干预,如利用生长因子、炎性介质等,将会有效地影响椎间盘退变的发生。本文针对当前研究较多的两种细胞因子BMP-2和IL-1,对其在椎间盘退变中,对Sox9基因的表达的调节作用及可能的调控机制作一详细说明。

  1 生长因子(BMP-2)对Sox9基因的调控作用

  1.1 生长因子对Sox9基因的调控作用 细胞因子是具有促进有丝分裂、细胞分化和基质合成,抑制细胞凋亡等作用的一类物质,在椎间盘中也有细胞因子的存在,它们可调节和恢复椎间盘退变中细胞外的基质代谢。其中生长因子是治疗椎间盘退变潜力最大的一类蛋白质,如TGF-β、IGF-1、EGF、FGF、BMP等[2]。近期研究结果发现[3],Sox9基因的生物学作用可以被某些细胞因子有效地进行调控。有学者[4]将重组的人骨形态发生蛋白-2(bonemorphoeenetic protein-2,BMP-2)导入成年兔退变的椎间盘细胞中,结果显示,它可以严格的按剂量依赖方式正相调控Sox9基因mRNA的表达,从而引起Col2al表达的增加,相应地增加Ⅲ型胶原及蛋白聚糖的合成。还有学者[5]将椎间盘细胞于体外进行传代培养后加入rhBMP-2,结果显示,BMP-2对椎间盘细胞中软骨特异性基因Sox9蛋白表达水平和基因转录水平的正向调控作用是平行一致的,且具有浓度依赖性。另有报道[6~8]称TGF-β1也可以对Sox9基因的表达进行有效地正相调控。

  1.2 BMP-2对Sox9基因的调控机制 当前的研究表明,BMPS作为TGFβ超家族成员中的一员,其发挥生物学作用是通过TGFβ-Smad信号通路。Smads为与线虫Sma和果蝇Mad蛋白同源的蛋白家族,他们可以将TGFB信号直接由细胞膜受体传导入细胞核内,是受体激酶介导的细胞内信号传导的新途径,为细胞信号跨膜后与核内基因转录之间开通了一条简便路径[9、10]。Smads分子中都有两个保守的Mad同源域,N端的MH1结构域可与DNA的CAGAC序列结合,C端的MH2结构域可与转录辅激活蛋白或辅阻遏物相互作用,是Smad的功能区;两个结构域之间的短连接区有多个磷酸化位点可被ERK磷酸化而失活,是Smad的负调控区Smads至少有8个成员即Smad 1-8,根据其功能不同分为3类,第1类是膜受体激活的Smad(R-Smads),包括Smad 1、2、3、5、8,其C端功能域末端含有保守的磷酸化位点SSXS基序(motif),可与TGFβ受体直接作用并被磷酸化之后与Smad4结合为二聚体转位入核。R-Smads与信号通路的特异性有关:Smad2和Smad3介导TGFβ和活动素的信号,Smadsl、5、8则介导BMP的信号。第2类为通用Smad(co-Smad),目前只有Smad4,与其他Smads的同源性较低,C端功能域没有磷酸化位点,不与受体相互作用,但可与Smads家族其他成员相互作用形成稳定的异源多聚体调节靶基因转录。第3类有Smad6、7,为TGFβ-Smad信号转导通路的抑制因子,可与R-Smads竞争性地结合受体阻止R-Smads的磷酸化,从而阻断TGFβ的效应。TGFβ-Smad信号通路中各型Smads分子之间的作用精密协调,共同完成生理及病理状态下TGFβ的生物学效应。TGFβ-Smad信号转导通路受多种因子的调节,R-Smad与Smad4形成的寡聚体进入细胞后可直接与DNA结合调控基因表达,但这种DNA结合活性很低,更重要的是与胞核内的辅激活蛋白或辅阻遏物分子结合调节靶基因转录,主要的辅激活蛋白有CBP,p300,c-Jun,lef-1;辅阻遏物有SINPl,Sno-N,Ski等,目前,许多细节仍尚未清楚。既然已知BMPS发挥生物学作用是通过TGFβ-Smad信号通路,作用不妨大胆的设想,BMP-2对椎间盘细胞中软骨特异性基因Sox9的正向调控也正是通过此一调控机制发挥作用。

  2 致炎因子(IL-1)对Sox9基因的调控作用

  2. 1 炎性介质在软骨损伤和修复中的作用 已知退变性椎间盘自发地产生一氧化氮(NO)、白细胞介素-6(IL-6)、前列腺素E2(PGE2)和基质金属蛋白酶(MMPs),而且它们的浓度较正常椎间盘高[11]。这些炎性介质在椎间盘内的作用还不十分清楚,但是它们对关节软骨的作用却有一些研究。NO、IL-6和PGE2是抑制蛋白多糖合成的因子,并且它们的作用受白细胞介素-1(IL-1)调控而得到加强。蛋白多糖在受到IL-l的直接作用下也容易发生裂解,这一过程被认为受MMPs的调控[12]。外源性IL-1在正常和退变椎间盘内刺激炎性介质的作用已有研究。在IL-1的作用下正常椎间盘产生的NO、IL-6、MMPs和PGE2浓度要高于退变椎间盘,退变椎间盘也能增加NO,IL-6和PGE2,但是不能增加MMPs的合成。有研究表明[13],当关节软骨受到创伤或者炎症侵袭发生损伤后,浸润的炎性细胞会表达大量的致炎因子IL-1家族,IL-1能够刺激蛋白酶的表达,包括基质降解酶,胶原酶以及组织纤溶酶原激活剂等。IL-1的存在会抑制软骨细胞中Ⅱ型胶原mRNA的表达以及Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成,使细胞外基质降解和变性,破坏软骨细胞赖以生存的环境,抑制软骨细胞的增殖,导致软骨细胞的死亡,从而阻止关节软骨的修复。由此可知,IL-1是有效的软骨细胞增殖的抑制剂。IL-1对软骨细胞分解代谢的作用也可以通过在关节内注射致炎因子而得到证明,将IL-1注射到鼠关节内,会导致关节滑液中白细胞增多和关节软骨的蛋白多糖丢失。在注射后1 d内,软骨细胞蛋白多糖的合成会发生明显的减少并且这种减少会持续两周。进一步的研究表明,IL-1的信号传导是通过NF-kB通路。还有学者指出,IL-1也可以通过依赖于NO或者不依赖于NO的途径激活鸟苷酸环化酶而发挥其生物学作用;IL-1对酪氨酸激酶的激活作用也在多种细胞体系中被发现,包括T淋巴细胞以及软骨细胞。

  2.2 IL-l对Sox9基因的调控作用 在人体内,椎间盘是一个无血管的纤维软骨性结构,在细胞外基质中广泛聚集着类软骨细胞和纤维样细胞,当椎间盘发生退变时,椎间盘组织中亦有致炎因子IL-1的高度表达,因此,我们有理由相信在椎间盘退变中,IL-1可能遵循与在关节软骨中同样的机制,发挥生物学作用,参与椎间盘退变的调节。在Murakami等[14]的研究中,IL-1和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)可以快速、明显地导致Sox9 mRNA和(或)蛋白表达水平的降低,从而进一步影响到Ⅱ型胶原等基因的表达及软骨的形成过程。有学者[15]经研究证实,在不同浓度IL-1处理的椎间盘细胞中对mRNA水平行相对定量分析,显示出Sox9基因的表达有一个明显的减弱过程,Ⅱ型胶原和蛋白聚糖基因的表达也相应的随之减弱,在Western免疫印迹和免疫组化对蛋白水平的检测结果也显示出与mRNA表达结果的一致性,表明IL-1可以按剂量依赖方式负向调节人椎间盘细胞中软骨细胞特异性基因Sox9、Ⅱ型胶原和蛋白聚糖基因的表达。进一步的研究显示出,IL-1调控Sox9基因的表达及其发挥的生物学作用很可能是通过核转录因子kB(nuclear transcription factor kappa B,NF-kB)通路。

  2.3 IL-1对Sox9基因的调控机制 有研究表明,IL-1对Sox9基因的调控是通过NF-kB通路完成的。NF-kB/Rel家族有5个成员:RelA(p65)、RelB、c2Rel、p50和p52,它们共同的结构特点是在N端均含有一段保守的约300个氨基酸残基左右的Rel同源结构域(Re12homology domain,RHD),RHD中含有DNA结合区、核定位序列(nuclear localization se2quence,NLS)、二聚体化及IkB结合的区域。根据结构、功能和合成形式将上述成员分为两组,第1组为C端不含有反式激活功能域(transactivation domain,TAD)的p50和p52,二者分别由其蛋白前体p105和p100裂解而来,它们无激活转录活性,与靶DNA序列结合后,表现为抑制基因转录;第2组为C端含有TAD的RelA(p65)、RelB和c2Rel,它们没有前体,与靶DNA序列结合后,表现为促进基因转录。上述成员以一定的组合形成同源或异源二聚体,即为不同的转录因子。但并非任何两个成员都可以形成二聚体,目前已知的二聚体有p50/RelA、p50/c2Rel、RelA/c2Rel异源二聚体以及RelA/RelA、p50/p50和p52/p52同源二聚体,其中以p50/RelA最为常见,即通常所指的NF-kB。NF-kB是序列特异的转录因子,不同的二聚体有不同的转录激活特性,对DNA靶序列的识别也略有不同,这就提高了NF-kB亚单位对不同基因的表达调节。

  静息状态下细胞的NF-kB二聚体与其抑制蛋白I-kB结合为复合物存在于胞浆中。I-kB家族成员有I-kBα、IF-kBβ、I-kBε和Bcl23。该家族共同的结构特点是都含有5~7个约30个氨基酸残基组成的的锚蛋白重复区域(ankyrin repeat domain,ARD),I-kB通过其ARD作用于NF-kB的RHD,使RHD上的NLS被覆盖,进而导致NF-kB不能经核孔向核内易位。在致炎因子的刺激下,抑制蛋白I-kB会快速的磷酸化进而降解,暴露出NF-kB上的NLS,从而允许NFkB转位于核心位置并且通过在kB的位置上结合DNA来对转录过程进行调节[16、17]。有研究[14]表明当加入一定量的IkB降解抑制剂二硫基碳化吡咯烷(pyrrolidine dithiocarbamate,PDTC)时,可以相应地阻断由于IL-1引起的NFkB DNA的增加,由IL-1引起的Sox9蛋白水平的减少也相应地被阻断,由此可证明IL-1对Sox9的调控是由NF-xB通路所介导。

  2.4 IL-1可能存在的其他调控机制:除了激活NF-kB通路之外,IL-1对Sox9是否还存在其他方式的调控呢?有学者指出,IL-1可以使应力活性蛋白激酶(SAPK)ERK,P38和JNK活化,而这些蛋白激酶则磷酸化及激活转录因子c-Jun,ATF2和TCF/E1k1;IL-1亦可以通过依赖于NO或者不依赖于NO的途径激活鸟甘酸环化酶;IL-1还可以活化磷脂酶A2,诱导COX的表达,导致PGE2水平的增高;除此之外,IL-1还可以通过激活鞘磷脂酶来诱导神经酰胺通路;IL-1对酪氨酸激酶的激活作用也与多种细胞体系中被发现。虽然已证明IL-1可以激活多种信号传导通路,但IL-1对Sox9的调控是否通过其中的一种或几种,仍需要进一步的研究加以证实。

  还有研究显示,IL-1和TNF-α可以激活其它不同的细胞通路,从而导致转录因子的活动和表达发生相应的变化,进而影响整个转录过程。IL-1在类风湿性关节炎等疾病中高度表达,同时也发挥着诱导MMPs转录过程的作用。MMPs启动子转录的诱导所必需的部分序列包含在一个与转录因子激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)高度同源的DNA片段上,AP-1与MMPs启动子邻近的上游调节序列的共同作用是这一转录过程中主要的参与机制,IL-1很可能是通过影响AP-1的表达或活动来调节上述转录过程。

  目前,人们已经发现,决定人类软骨发生、形成密切相关的Sox9基因,很可能参与了椎间盘的退变过程,且其对椎间盘的作用受到某些生长因子以及炎性因子的调控。但目前的研究多集中在单一的细胞因子对Sox9的调控。而椎间盘退变是多因素作用的结果,而非单一细胞因子的作用。如果在不久的将来能对多种细胞因子的共同作用进行研究并更进一步的揭示出这些细胞因子对Sox9的确切调控机制,将会对椎间盘退变的理论研究和治疗具有重大的意义。

【参考文献】
    [1] 赵勇,王文波.基因治疗与椎间盘退变[J].中国矫形外科杂志,2004,12:1332-1333.

  [2] Wallach CJ,Sobajima S,Watanabe Y,et al.Gene transfer of the catabolic inhibitor TIMP-1 increases measured proteoglycans in cells from degenerated human intervertebral discs[J].Spine,2003,28:2331-2337.

  [3] Sire JI,Baird P,Jeziorsk M,et al.Expression of chondrocyte markers by cells of normal and degenerate intervertebral discs[J]. J Ctin Patho1 Mol Patho1,2002,55:91-97.

  [4] Tim TS,Su KK,Li J,et al.The effect of bone morphogenetic protein-2 on rat intervertebral disc cells in vitro[J].Spine,2003,28:1773-1780.

  [5] 赵勇,王文波,李吉友,等.骨形态发生蛋白-2与椎间盘细胞Sox9和Ⅱ型胶原基因的调控关系[J].中国脊柱脊髓杂志,2005,15:612-615.

  [6] Paul R,Haydon RC,Cheng HW,et al.Potential use of Sox9 gene therapy for intervertebral degenerative disc disease[J].Spine,2003,28:755-763.

  [7] 张雷,胡有谷.hTGF-β1基因治疗腰椎间盘退变研究进展[J].中国矫形外科杂志,2001,8:1216-1218.

  [8] Kim RS,Yoon ST,Park JS,et al. Inhibition of proteoglycan and type Ⅱ collagen synthesis of disc nucleus cells by nicotine[J].J Neurosurg,2003,99:291-297.

  [9] 史永军,田字彬,赵清喜.Smads蛋白家族的研究现状[J].中华腹部疾病杂志,2002,2:497-500.

  [10]吴建新,盂祥军,陈源文,等.Smads信息分子与肝星状细胞的活化[J].胃肠病学和肝病学杂志,2002,11:197-199.

  [11]赵序利,于锡欣.椎间盘退变的病阅研究[J].中国矫形外科杂志,2002,9:273-274.

  [12]彭宝淦,贾连顺.椎间盘退变机理的研究进展[J].中国矫形外科杂志,2000,7:390-392.

  [13]Ichiro S, Kunikazu T, Peter K,et al.Sox9 enhances aggrecan gene promoter/enhancer activity and is up-regulated by retinoic acid in a cartilage-derived cell line,TC6[J]. J Biol Chem, 2000, 275:10738-10744.

  [14]Murakami S, Lefebvre V,de Crombrugghe B.Potent inhibition of the master ehondrogenic factor Sox9 gene by interleukin-1 and tumor necrosis factor-alpha[J].J Biol Them,2000,275:3687-3692.

  [15]赵勇,王文波,卢宇,等.白细胞介素1对椎间盘细胞软骨特异性基因Sox9 mRNA的调节作用[J].中华外科杂志,2006,44:1704-1707.

  [16]Raquel S,Patricia C,Cogswetl S,et al.NF-kB mediates inhibition of mesenchymal cell differentiation through a posttranscriptional gene silencing mechanism[J].Genes & Development,2003,17:2368-2373.

  [17]Ghosh S,Karin M.Missing pieces in the NF-kB puzzte[J]. Cell,2002,109:81-96.


作者单位:哈尔滨医科大学第一临床医学院骨二科,哈尔滨 150010

作者: 2009-8-24
医学百科App—中西医基础知识学习工具
  • 相关内容
  • 近期更新
  • 热文榜
  • 医学百科App—健康测试工具