王 凱 (長江大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

魯厚根 (長江大學(xué)荊州臨床醫(yī)學(xué)院 荊州市中心醫(yī)院外科， 湖北 荊州 434020)

缺氧誘導(dǎo)因子-1、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1在椎間盤退變中的研究現(xiàn)狀

王 凱 (長江大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

魯厚根 (長江大學(xué)荊州臨床醫(yī)學(xué)院 荊州市中心醫(yī)院外科， 湖北 荊州 434020)

椎間盤退行性變(椎間盤退變)是椎間盤突出癥、椎體滑脫、椎管狹窄等椎間盤相關(guān)疾病的首要誘因。目前引起椎間盤退變的確切機(jī)制尚無定論，眾多學(xué)者認(rèn)為是多種因素共同作用的效果，臨床治療也難以達(dá)到理想境界。已有研究發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子-1、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1在椎間盤的表達(dá)，因此探討兩者在人退變椎間盤組織內(nèi)表達(dá)的相關(guān)性，對于進(jìn)一步揭示和完善椎間盤退變的機(jī)制有重要意義，并有益于為預(yù)防和治療椎間盤退變提供新的思路。

缺氧誘導(dǎo)因子-1； 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1； 椎間盤

椎間盤退變是個慢性、復(fù)雜的過程，由多種相關(guān)因素相互作用而引起，是一系列脊柱退行性病變的前提和慢性病理過程的基礎(chǔ)。然而椎間盤退變其發(fā)生機(jī)制尚未完全闡明，近年研究發(fā)現(xiàn)：缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(GLUT-1)在椎間盤中的表達(dá)，并認(rèn)為它們在椎間盤退變中起到重要作用，現(xiàn)就HIF-1、GLUT-1的結(jié)構(gòu)、功能以及它們在椎間盤中表達(dá)的研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 椎間盤的正常結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特性

正常的椎間盤由外周的纖維環(huán)、中央的髓核及上下軟骨終板構(gòu)成。從細(xì)胞水平來看，椎間盤組成包括細(xì)胞成分和細(xì)胞外基質(zhì)，細(xì)胞分為脊索細(xì)胞、軟骨樣細(xì)胞、纖維樣細(xì)胞。胚胎發(fā)育階段，纖維環(huán)富含成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞和膠原質(zhì)，髓核富含脊索細(xì)胞，出生后髓核組織經(jīng)歷隨時間而發(fā)生的慢性轉(zhuǎn)化，脊索細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，軟骨樣細(xì)胞逐漸增多，10歲左右時脊索細(xì)胞基本消失，脊索性髓核被間葉起源的軟骨樣細(xì)胞的纖維軟骨性髓核取代[1]。 Rufai A等[2]認(rèn)為軟骨樣細(xì)胞在這種髓核形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中起到重要作用。

正常成人椎間盤細(xì)胞是細(xì)胞密度最小的組織之一[3]。椎間盤不同部位的細(xì)胞密度和類型存在差異[4]，纖維環(huán)細(xì)胞含有成纖維細(xì)胞和軟骨樣細(xì)胞，密度約為4×106/cm3；髓核內(nèi)細(xì)胞以軟骨樣細(xì)胞為主，密度約為4×106/cm3[5]。蛋白多糖是椎間盤細(xì)胞基質(zhì)的重要組成成分，其可產(chǎn)生固定電荷，對水及陽離子有較大親和力，在髓核中與水結(jié)合成凝膠狀，并可與透明質(zhì)酸以非共價鍵結(jié)合形成聚合體，對椎間盤維持水分、保持椎間盤彈性及膨脹性起到重要作用。膠原纖維是椎間盤的主要結(jié)構(gòu)單位，纖維環(huán)外側(cè)主要含I型膠原，其耐受牽張力，髓核主要含II型膠原，其耐受壓力，從外側(cè)纖維環(huán)到中央髓核，I型膠原逐漸減少，II型膠原逐漸增多。

進(jìn)入退變期，纖維環(huán)、髓核及軟骨終板均出現(xiàn)退變，表現(xiàn)為膠原、蛋白多糖及水分等成分的變化。椎間盤退變時，I型膠原表達(dá)增加，纖維環(huán)中I、II型膠原比例升高，髓核中出現(xiàn)I型膠原、II型膠原表達(dá)減低，有研究者認(rèn)為此改變與椎間盤退變程度成正相關(guān)。隨著年齡增長，椎間盤水分逐漸減少，蛋白多糖含量降低，聚集狀態(tài)的蛋白多糖下降，其中以髓核的變化程度更為顯著[6-7]。此種變化導(dǎo)致膠原纖維物理特性減弱，椎間盤生理功能不能充分發(fā)揮。蛋白多糖的減少與椎間盤退變程度正相關(guān)。

2 HIF-1的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)、生物學(xué)作用

2.1HIF-1的結(jié)構(gòu)

HIF-1是一種DNA結(jié)合蛋白，主要以異源二聚體的形式存在，由相對分子量為120kd的HIF-1α和相對分子量為91、93、94kd(3種相對分子量)的HIF-1β組成，異源四聚體少見。HIF-1α為HIF-1所特有，其含有兩個轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，一個稱作N2末端激活區(qū)，與異二聚化、DNA的結(jié)合及轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，另一個稱作C2末端激活區(qū)，主要參與轉(zhuǎn)錄激活作用，HIF-Iα還含有一個獨(dú)特的氧依賴降解區(qū)域(ODDD)，它決定HIF-1α蛋白的穩(wěn)定性。HIF-Iα既是HIF-1的功能亞基又是結(jié)構(gòu)亞基，其轉(zhuǎn)錄活性及蛋白穩(wěn)定性均受細(xì)胞內(nèi)氧濃度的調(diào)節(jié)，決定HIF-1的生理活性。HIF-1β是固有細(xì)胞核蛋白，不受細(xì)胞內(nèi)氧濃度調(diào)節(jié)，在無氧和長氧下均可表達(dá)，其是HIF-1的結(jié)構(gòu)亞基，與HIF-1的穩(wěn)定有關(guān)。HIF-1α必須與HIF-1β結(jié)合形成二聚體才能成為有活性的HIF-1[8]。

2.2HIF-1的調(diào)節(jié)

HIF-1的調(diào)節(jié)分為非氧依賴調(diào)節(jié)和氧依賴調(diào)節(jié)，非氧依賴調(diào)節(jié)的因素包括鐵離子螯合劑，鎳、鎘等金屬及NO等部分抗氧化劑等。這些金屬離子可使HIF-1α在常氧下保持穩(wěn)定，然而NO對HIF-1α是激活亦或抑制作用，尚無定論。氧依賴調(diào)節(jié)是HIF-1α主要的生理性調(diào)節(jié)。常氧條件下，HIF-1α存在于細(xì)胞質(zhì)中，氧敏感的脯氨酰羥化酶羥化位于HIF-1αODDD內(nèi)的脯氨酸殘基Pro402或Pro564，促進(jìn)HIF-1α與腫瘤抑制因子VHL結(jié)合，導(dǎo)致HIF-1α的泛酸化和蛋白酶的降解[9-10]。缺氧條件下，HIF-1α存在于細(xì)胞核中，氧依賴的脯氨酰羥化酶活性下降，脯氨酸殘基Pro402、Pro564羥化被阻斷，HIF-1α逃脫了蛋白酶的降解，其半衰期明顯延長，而且磷酸化可以增強(qiáng)缺氧條件下HIF-1α的活性，穩(wěn)定且高活性的HIF-1α與HIF-1β形成異源二聚體HIF-1，其與其他轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，最終與目的基因的缺氧反應(yīng)原件結(jié)合，啟動靶基因表達(dá)。

2.3HIF-1的生物學(xué)作用

HIF-1廣泛存在于缺氧條件下的動物和人體內(nèi)，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一在特異性缺氧狀態(tài)下發(fā)揮活性的轉(zhuǎn)錄因子，而且是缺氧誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄過程中缺氧信息傳遞的共同通路[11]。其可以調(diào)控超過70個基因，這些靶基因占人類所有基因的1%～2%[12]。HIF-1的靶基因主要包括以下幾種：①促紅細(xì)胞生成素編碼基因。②血管內(nèi)皮生長因子編碼基因。③葡萄糖載體蛋白-1和糖酵解酶，包括醛縮酶A烯醇化醇、乳酸脫氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶-1和3-磷酸甘油醛脫氫酶編碼基因。④血紅素加氧酶和誘導(dǎo)型NO合酶編碼基因。

HIF-1調(diào)控的靶基因涉及紅細(xì)胞的產(chǎn)生，葡萄糖和能量的代謝，細(xì)胞的增殖、分化、凋亡，基質(zhì)的代謝，血管生成及舒張腫瘤的耐藥[13]。HIF-1調(diào)控的這些基因和蛋白可以不同的方式參與細(xì)胞對缺氧的耐受，增強(qiáng)了細(xì)胞在缺氧條件下生存能力。

3 GLUT-1的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)、生物學(xué)特性

3.1GLUT-1的結(jié)構(gòu)

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是細(xì)胞膜上的跨膜糖蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)。另外，它還與腫瘤細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化、增殖、侵襲等有密切相關(guān)性。迄今，已發(fā)現(xiàn)的GLUTs有13種，根據(jù)蛋白序列的相似性，GLUTs分為3類：GLUT-1、GLUT-2、GLUT-3、GLUT-4，是基礎(chǔ)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體；GLUT-5、GLUT-7、GLUT-9、GLUT-11，對葡糖糖的轉(zhuǎn)運(yùn)活性較低，優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)果糖；GLUT-6、GLUT-8、GLUT-10、GLUT-12、HMIT1，他們含量較低、分布局限，功能尚不清楚[14-15]。GLUT-1是已知分布最廣泛的轉(zhuǎn)運(yùn)體，在動物和人的胚胎及成體細(xì)胞中均有表達(dá),也是對機(jī)體微環(huán)境變化最敏感的轉(zhuǎn)運(yùn)體之一，但其表達(dá)量較低，一般與組織特性表達(dá)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體一起承擔(dān)細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。GLUT-1的三維結(jié)構(gòu)目前還不是很清楚。Muecklerg根據(jù)GLUT-1的氨基酸疏水性分析提出連續(xù)12個跨膜區(qū)的結(jié)構(gòu)模型[16]，系12次跨膜亞單位，N端和C端聚在細(xì)胞內(nèi)。C端被認(rèn)為是具有亞基特性的標(biāo)志，可直接影響葡萄糖從內(nèi)測微點(diǎn)釋放的速率。GLUT-1有兩種構(gòu)型：外向型和內(nèi)向型，葡萄糖入細(xì)胞質(zhì)時首先與外向型GLUT-l結(jié)合，通過變構(gòu)再與內(nèi)向型GLUT-1結(jié)合以執(zhí)行葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)[17]。

3.2GLUT-1的調(diào)節(jié)

GLUT-I的表達(dá)受很多因素的影響，長時間的葡萄糖缺乏狀態(tài)會引起GLUT-l mRNA與蛋白質(zhì)的升高。除此之外，以下因素也可以增加GLUT-l的表達(dá)：缺血低氧、藥物及無機(jī)鹽，如：佛波酯、降糖藥、釩酸鹽、丁酸鹽；激素類，如：甲狀腺激素、胰島素、生長激素、雌激素；小分子活性物質(zhì)及炎性因子，如cAMP、胰島素樣生長因子1、血小板來源生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子、腫瘤壞死因子α、表皮生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子β、腫瘤及癌基因等[18-22]。

3.3GLUT-1的生物學(xué)特性

GLUT-1是HIF-1α的主要靶基因之一，缺氧條件下，糖酵解消耗大量能量，許多基因?qū)θ毖踝龀鰬?yīng)激反應(yīng)，HIF-1α通過調(diào)節(jié)GLUT的表達(dá)，增強(qiáng)細(xì)胞對能量的需求。GLUT-1在GLUT家族中與腫瘤關(guān)系最密切，不僅可以反應(yīng)腫瘤缺氧程度，良、惡性，增殖，侵襲等重要特征，而且對腫瘤分級、療效、預(yù)后均能給予評價。已有研究表明GLUT-1對缺血缺氧性腦病，II型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展有重要作用。

4 HIF-1和GLUT-1在椎間盤中的表達(dá)

目前，椎間盤退變的病因和發(fā)病機(jī)理尚無確切的定論，眾多學(xué)者認(rèn)為是多種因素共同作用的結(jié)果，包括營養(yǎng)障礙、細(xì)胞凋亡、異常應(yīng)力作用、細(xì)胞因子的作用、自身免疫反應(yīng)、遺傳因素。Rajpurohit R等[23]通過實驗證實培養(yǎng)的髓核細(xì)胞穩(wěn)定表達(dá)缺氧誘導(dǎo)因子-1，進(jìn)而提出將缺氧誘導(dǎo)因子-1、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1和基質(zhì)金屬蛋白酶-2作為髓核細(xì)胞表型標(biāo)記物。

缺氧誘導(dǎo)因子-1廣泛參與哺乳動物細(xì)胞中缺氧誘導(dǎo)產(chǎn)生的適應(yīng)性反應(yīng)，是機(jī)體細(xì)胞適應(yīng)低氧的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。近年來有研究者證實在大鼠椎間盤髓核細(xì)胞內(nèi)HIF-1a的表達(dá)，并且在不同的誘導(dǎo)環(huán)境下誘導(dǎo)出的HIF-1a表達(dá)程度也不同，隨著椎間盤凋亡程度的增加，髓核內(nèi)HIF-1a的表達(dá)也相應(yīng)增加，推導(dǎo)HIF-1a的表達(dá)程度與細(xì)胞凋亡程度之間存在高度相關(guān)性。Ha KY等[24]用免疫組化的方法研究人椎間盤中HIF-1a和凋亡的表達(dá)，得出HIF-1a在人椎間盤細(xì)胞的生存和突出間盤重吸收方面可能起著至關(guān)重要的作用。

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(GLUT-1)是人體細(xì)胞向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖重要的載體，對缺氧環(huán)境下細(xì)胞能量代謝的維持起著重要作用。GLUT-1是已知的分布最為廣泛的轉(zhuǎn)運(yùn)體，在動物和人的胚胎及成體細(xì)胞中均有表達(dá)。齊峰[25]等研究發(fā)現(xiàn)HIF-1 a和GLUT-1在不同年齡大鼠椎間盤纖維環(huán)中表達(dá)不同，并發(fā)現(xiàn)HIF-1 a和GLUT-1兩者具有一定的相關(guān)性。亦有研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(GLUT-1)的增加可以激活Jun N-terminal kinase(JNK)信號途徑，抑制細(xì)胞凋亡。由此可見，GLUT-1在人椎間盤細(xì)胞的生存可能起著至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)語和展望

HIF-1是氧感受家族的管家轉(zhuǎn)錄基因，GLUT-1是葡萄糖的重要載體，它們在組織、細(xì)胞低氧環(huán)境中起到重要作用。椎間盤組織是人體最大的無血管的組織，長期處于低氧環(huán)境中，營養(yǎng)供應(yīng)主要通過終板途徑和纖維環(huán)途徑兩個途徑被動擴(kuò)散而來。相關(guān)研究亦表明在椎間盤中存在HIF-1和GLUT-1的表達(dá)，因此，它們在椎間盤細(xì)胞生存及椎間盤退變中無容置疑起到作用，但在椎間盤中的作用目前尚不明確。利用各種研究方法對HIF-1和GLUT-1在椎間盤生理功能維護(hù)及病理情況下的變化作用進(jìn)行深入研究是十分必要的，并可為基因預(yù)防和治療椎間盤退變提供新的思路。

[1]Humzah M D，Soames R W.Human intervertebral disc：structure and function[J].AnatRec，1998，220(4)：337-356.

[2]Rufai A，Benjamin M，Ralphs J R.The development offibrocartilage in the rat intervertebral disc[J].AnatEm Bryol(Berl)，1995，192(1)：53-62.

[3]Raj P P. Intervertebral disc: anatomy-physiology-pathophysiology-treatment[J]. Pain Pract，2008，8(1):18-44.

[4]胡有谷.腰椎間盤突出癥[M].2版.北京：人民衛(wèi)生出版社，1995：46.

[5] Xu B S, Yang Q, Xia Q. Molecular pathological changes and pathogenesis of lumbar disc degeneration[J].Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu，2011，15(2):335-338.

[6]Setton L, Chen J. Mechanobiology of the intervertebral disc and relevance to disc degeneration[J]. J Bone Joint Surg Am，2006，88(Suppl 2):52-57.

[7]Haefeli M, Kalberer F, Saegesser D, et al. The course of macroscopic degeneration in the human lumbar intervertebral disc[J]. Spine，2006，31(14):1522-1531.

[8]Weidemann A，Johnson R S.Biology of HIF-1 alpha[J].Cell Death Diff Er，2008，15(4):621.

[9]Ivan M. HIF alpha targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation:Implications for O2 sensing[J].Science，2001，292：464.

[10]Jaakkola P. Targeting of HIF-alpha to the yon Hippel- Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation[J].Science, 20001,292:468.

[11]趙吉清，吳強(qiáng).缺氧對PCI2細(xì)胞HIF-1/JAK2/NF-KB信號級聯(lián)的影響[J].重慶醫(yī)學(xué)，2009，38(5)：536.

[12]Semenza G L.Targeting HIF-1 for cancer therapy[J].Nat Rev Cancer, 2003,3:721.

[13]Pugh C W,Ratclife P J.Regulation of angiogenesis by hypoxia：role of the HIF system[J].NatMed，2003，9：677-684.

[14]Wood I S,Trayhurn P. Glucose transporters(GLUT and SGLT):expanded families of sugar transport proteins[J]. Br J Nutr,2003,89(1):3-9.

[15]Joost H G，Thorens B. The extended GLUT family of sugar/polyol transporter facilitators: nomenclature, sequence, charcteristics, and potential function of its novel members[J].Mol Member Biol，2001，18(4):247-256.

[16]Min S Y，Hwang S Y，Jung Y O，et al.Increase of cyclooxygenase-2 expression by interleukin 15 in rheumatoid synoviocytes[J].J Rheumatol，2004，31(5)：875-883.

[17]Joost H G，Thorens B.The extended GLUT-family of sugar/polyol transportfacilitators：nomenclature，sequence characteristics，and potential function of its novel members[J].Mol Membr Bi01，2001，18(4)：247-256.

[18]Lukas J，Aagaard L，Strauss M，et al.Oncogenic aberration sofp 16ink4/CDKN2 and cyclinDl cooperate to deregulate G1control[J].Cancer Res，2006，55(2)：1355-1357.

[19]段建明，劉平湖，張宗玉，等.p16基因?qū)胫氯巳橄侔㎝CF-7細(xì)胞端區(qū)縮短及細(xì)胞周期阻滯[J].中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報，2007，16(1)：124-127.

[20]李淑鋒，曹祥榮.四種原發(fā)惡性腫瘤中p16基因的缺失和突變研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，24(2)：79-82.

[21]Gutacker C，Klock G，Diel P，et al.Nerve growth factor and epidermal growth factor stimulate cluster in gene expression in cells[J].Bio Chem J，2005，339(3)：759-766.

[22]Xiao Z Q，Majumdar A P.Induction of transcriptional activity of AP21 and NF2Kappa B in the gastric mucosa during aging[J].Am J Phys Gastroin Liver Phys，2006，278(6)：855-865.

[23]Rajpurohit R, Risbud M V ,Ducheyne P，et al.Phenotypic characteristics of the nucleus pulposus：expression of hypoxia inducing factor-1，glucose transporter-1 and MMP-2[J].Cell Tissue Res，2002，308(3)：401-407.

[24]Ha K Y,Koh I J，Kirpalani P A，et al.The expression of hypoxia inducible factor-1 alpha and apoptosis in herniated discs[J].Spine，2006 ,31(12)：1309-1313.

[25]齊峰，賈長青，趙嘉國，等.缺氧誘導(dǎo)因子-1α和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1在不同月齡大鼠椎間盤纖維環(huán)中的表達(dá)[J].Chinese Journal of Histochemistry and Cytochemistry，2010,19(1)：20-25.

10.3969/j.issn.1673-1409(R).2012.07.036

R681.533

A

1673-1409(2012)07-R081-04

2012-04-25

王凱(1986-)，男，湖北荊州人，碩士生，主要從事脊柱疾病方面的研究工作；通訊作者：魯厚根，E-mail：1394657996@qq.com。

[編輯] 何 勇