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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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G3BP1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(duì)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(duì)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(duì)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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