王 凱 (長江大學臨床醫(yī)學院，湖北 荊州 434023)

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

缺氧誘導因子-1、葡萄糖轉運蛋白-1在椎間盤退變中的研究現狀

王 凱 (長江大學臨床醫(yī)學院，湖北 荊州 434023)

魯厚根 (長江大學荊州臨床醫(yī)學院 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疾病的首要誘因。目前引起椎間盤退變的確切機制尚無定論，眾多學者認為是多種因素共同作用的效果，臨床治療也難以達到理想境界。已有研究發(fā)現缺氧誘導因子-1、葡萄糖轉運蛋白-1在椎間盤的表達，因此探討兩者在人退變椎間盤組織內表達的相關性，對于進一步揭示和完善椎間盤退變的機制有重要意義，并有益于為預防和治療椎間盤退變提供新的思路。

缺氧誘導因子-1； 葡萄糖轉運蛋白-1； 椎間盤

椎間盤退變是個慢性、復雜的過程，由多種相關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。然而椎間盤退變其發(fā)生機制尚未完全闡明，近年研究發(fā)現：缺氧誘導因子-1(HIF-1)和葡萄糖轉運蛋白-1(GLUT-1)在椎間盤中的表達，并認為它們在椎間盤退變中起到重要作用，現就HIF-1、GLUT-1的結構、功能以及它們在椎間盤中表達的研究現狀綜述如下。

1 椎間盤的正常結構及生物學特性

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成。從細胞水平來看，椎間盤組成包括細胞成分和細胞外基質，細胞分為脊索細胞、軟骨樣細胞、纖維樣細胞。胚胎發(fā)育階段，纖維環(huán)富含成纖維細胞樣細胞和膠原質，髓核富含脊索細胞，出生后髓核組織經歷隨時間而發(fā)生的慢性轉化，脊索細胞數量逐漸減少，軟骨樣細胞逐漸增多，10歲左右時脊索細胞基本消失，脊索性髓核被間葉起源的軟骨樣細胞的纖維軟骨性髓核取代[1]。 Rufai A等[2]認為軟骨樣細胞在這種髓核形態(tài)轉化過程中起到重要作用。

正常成人椎間盤細胞是細胞密度最小的組織之一[3]。椎間盤不同部位的細胞密度和類型存在差異[4]，纖維環(huán)細胞含有成纖維細胞和軟骨樣細胞，密度約為4×106/cm3；髓核內細胞以軟骨樣細胞為主，密度約為4×106/cm3[5]。蛋白多糖是椎間盤細胞基質的重要組成成分，其可產生固定電荷，對水及陽離子有較大親和力，在髓核中與水結合成凝膠狀，并可與透明質酸以非共價鍵結合形成聚合體，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構單位，纖維環(huán)外側主要含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。

進入退變期，纖維環(huán)、髓核及軟骨終板均出現退變，表現為膠原、蛋白多糖及水分等成分的變化。椎間盤退變時，I型膠原表達增加，纖維環(huán)中I、II型膠原比例升高，髓核中出現I型膠原、II型膠原表達減低，有研究者認為此改變與椎間盤退變程度成正相關。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。

2 HIF-1的結構、調節(jié)、生物學作用

2.1HIF-1的結構

HIF-1是一種DNA結合蛋白，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，其含有兩個轉錄激活區(qū)，一個稱作N2末端激活區(qū)，與異二聚化、DNA的結合及轉錄激活有關，另一個稱作C2末端激活區(qū)，主要參與轉錄激活作用，HIF-Iα還含有一個獨特的氧依賴降解區(qū)域(ODDD)，它決定HIF-1α蛋白的穩(wěn)定性。HIF-Iα既是HIF-1的功能亞基又是結構亞基，其轉錄活性及蛋白穩(wěn)定性均受細胞內氧濃度的調節(jié)，決定HIF-1的生理活性。HIF-1β是固有細胞核蛋白，不受細胞內氧濃度調節(jié)，在無氧和長氧下均可表達，其是HIF-1的結構亞基，與HIF-1的穩(wěn)定有關。HIF-1α必須與HIF-1β結合形成二聚體才能成為有活性的HIF-1[8]。

2.2HIF-1的調節(jié)

HIF-1的調節(jié)分為非氧依賴調節(jié)和氧依賴調節(jié)，非氧依賴調節(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。氧依賴調節(jié)是HIF-1α主要的生理性調節(jié)。常氧條件下，HIF-1α存在于細胞質中，氧敏感的脯氨酰羥化酶羥化位于HIF-1αODDD內的脯氨酸殘基Pro402或Pro564，促進HIF-1α與腫瘤抑制因子VHL結合，導致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，其與其他轉錄因子形成轉錄復合物，最終與目的基因的缺氧反應原件結合，啟動靶基因表達。

2.3HIF-1的生物學作用

HIF-1廣泛存在于缺氧條件下的動物和人體內，是目前發(fā)現的唯一在特異性缺氧狀態(tài)下發(fā)揮活性的轉錄因子，而且是缺氧誘導基因轉錄過程中缺氧信息傳遞的共同通路[11]。其可以調控超過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促紅細胞生成素編碼基因。②血管內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型NO合酶編碼基因。

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

3 GLUT-1的結構、調節(jié)、生物學特性

3.1GLUT-1的結構

葡萄糖轉運蛋白是細胞膜上的跨膜糖蛋白，介導細胞內外葡萄糖的轉運。另外，它還與腫瘤細胞的惡性轉化、增殖、侵襲等有密切相關性。迄今，已發(fā)現的GLUTs有13種，根據蛋白序列的相似性，GLUTs分為3類：GLUT-1、GLUT-2、GLUT-3、GLUT-4，是基礎葡萄糖轉運體；GLUT-5、GLUT-7、GLUT-9、GLUT-11，對葡糖糖的轉運活性較低，優(yōu)先轉運果糖；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運體，在動物和人的胚胎及成體細胞中均有表達,也是對機體微環(huán)境變化最敏感的轉運體之一，但其表達量較低，一般與組織特性表達的葡萄糖轉運體一起承擔細胞葡萄糖轉運。GLUT-1的三維結構目前還不是很清楚。Muecklerg根據GLUT-1的氨基酸疏水性分析提出連續(xù)12個跨膜區(qū)的結構模型[16]，系12次跨膜亞單位，N端和C端聚在細胞內。C端被認為是具有亞基特性的標志，可直接影響葡萄糖從內測微點釋放的速率。GLUT-1有兩種構型：外向型和內向型，葡萄糖入細胞質時首先與外向型GLUT-l結合，通過變構再與內向型GLUT-1結合以執(zhí)行葡萄糖的轉運[17]。

3.2GLUT-1的調節(jié)

GLUT-I的表達受很多因素的影響，長時間的葡萄糖缺乏狀態(tài)會引起GLUT-l mRNA與蛋白質的升高。除此之外，以下因素也可以增加GLUT-l的表達：缺血低氧、藥物及無機鹽，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、成纖維細胞生長因子、腫瘤壞死因子α、表皮生長因子、轉化生長因子β、腫瘤及癌基因等[18-22]。

3.3GLUT-1的生物學特性

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，許多基因對缺氧做出應激反應，HIF-1α通過調節(jié)GLUT的表達，增強細胞對能量的需求。GLUT-1在GLUT家族中與腫瘤關系最密切，不僅可以反應腫瘤缺氧程度，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

目前，椎間盤退變的病因和發(fā)病機理尚無確切的定論，眾多學者認為是多種因素共同作用的結果，包括營養(yǎng)障礙、細胞凋亡、異常應力作用、細胞因子的作用、自身免疫反應、遺傳因素。Rajpurohit R等[23]通過實驗證實培養(yǎng)的髓核細胞穩(wěn)定表達缺氧誘導因子-1，進而提出將缺氧誘導因子-1、葡萄糖轉運蛋白-1和基質金屬蛋白酶-2作為髓核細胞表型標記物。

缺氧誘導因子-1廣泛參與哺乳動物細胞中缺氧誘導產生的適應性反應，是機體細胞適應低氧的重要轉錄調節(jié)因子。近年來有研究者證實在大鼠椎間盤髓核細胞內HIF-1a的表達，并且在不同的誘導環(huán)境下誘導出的HIF-1a表達程度也不同，隨著椎間盤凋亡程度的增加，髓核內HIF-1a的表達也相應增加，推導HIF-1a的表達程度與細胞凋亡程度之間存在高度相關性。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，得出HIF-1a在人椎間盤細胞的生存和突出間盤重吸收方面可能起著至關重要的作用。

葡萄糖轉運蛋白-1(GLUT-1)是人體細胞向胞內轉運葡萄糖重要的載體，對缺氧環(huán)境下細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運體，在動物和人的胚胎及成體細胞中均有表達。齊峰[25]等研究發(fā)現HIF-1 a和GLUT-1在不同年齡大鼠椎間盤纖維環(huán)中表達不同，并發(fā)現HIF-1 a和GLUT-1兩者具有一定的相關性。亦有研究發(fā)現，葡萄糖轉運蛋白-1(GLUT-1)的增加可以激活Jun N-terminal kinase(JNK)信號途徑，抑制細胞凋亡。由此可見，GLUT-1在人椎間盤細胞的生存可能起著至關重要的作用。

5 結語和展望

HIF-1是氧感受家族的管家轉錄基因，GLUT-1是葡萄糖的重要載體，它們在組織、細胞低氧環(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)供應主要通過終板途徑和纖維環(huán)途徑兩個途徑被動擴散而來。相關研究亦表明在椎間盤中存在HIF-1和GLUT-1的表達，因此，它們在椎間盤細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及病理情況下的變化作用進行深入研究是十分必要的，并可為基因預防和治療椎間盤退變提供新的思路。

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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