缺氧诱导因子-1、葡萄糖转运蛋白-1在椎间盘退变中的研究现状

王 凯 (长江大学临床医学院，湖北 荆州 434023)

鲁厚根 (长江大学荆州临床医学院 荆州市中心医院外科， 湖北 荆州 434020)

缺氧诱导因子-1、葡萄糖转运蛋白-1在椎间盘退变中的研究现状

王 凯 (长江大学临床医学院，湖北 荆州 434023)

鲁厚根 (长江大学荆州临床医学院 荆州市中心医院外科， 湖北 荆州 434020)

椎间盘退行性变(椎间盘退变)是椎间盘突出症、椎体滑脱、椎管狭窄等椎间盘相关疾病的首要诱因。目前引起椎间盘退变的确切机制尚无定论，众多学者认为是多种因素共同作用的效果，临床治疗也难以达到理想境界。已有研究发现缺氧诱导因子-1、葡萄糖转运蛋白-1在椎间盘的表达，因此探讨两者在人退变椎间盘组织内表达的相关性，对于进一步揭示和完善椎间盘退变的机制有重要意义，并有益于为预防和治疗椎间盘退变提供新的思路。

缺氧诱导因子-1； 葡萄糖转运蛋白-1； 椎间盘

椎间盘退变是个慢性、复杂的过程，由多种相关因素相互作用而引起，是一系列脊柱退行性病变的前提和慢性病理过程的基础。然而椎间盘退变其发生机制尚未完全阐明，近年研究发现：缺氧诱导因子-1(HIF-1)和葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)在椎间盘中的表达，并认为它们在椎间盘退变中起到重要作用，现就HIF-1、GLUT-1的结构、功能以及它们在椎间盘中表达的研究现状综述如下。

1 椎间盘的正常结构及生物学特性

正常的椎间盘由外周的纤维环、中央的髓核及上下软骨终板构成。从细胞水平来看，椎间盘组成包括细胞成分和细胞外基质，细胞分为脊索细胞、软骨样细胞、纤维样细胞。胚胎发育阶段，纤维环富含成纤维细胞样细胞和胶原质，髓核富含脊索细胞，出生后髓核组织经历随时间而发生的慢性转化，脊索细胞数量逐渐减少，软骨样细胞逐渐增多，10岁左右时脊索细胞基本消失，脊索性髓核被间叶起源的软骨样细胞的纤维软骨性髓核取代[1]。 Rufai A等[2]认为软骨样细胞在这种髓核形态转化过程中起到重要作用。

正常成人椎间盘细胞是细胞密度最小的组织之一[3]。椎间盘不同部位的细胞密度和类型存在差异[4]，纤维环细胞含有成纤维细胞和软骨样细胞，密度约为4×106/cm3；髓核内细胞以软骨样细胞为主，密度约为4×106/cm3[5]。蛋白多糖是椎间盘细胞基质的重要组成成分，其可产生固定电荷，对水及阳离子有较大亲和力，在髓核中与水结合成凝胶状，并可与透明质酸以非共价键结合形成聚合体，对椎间盘维持水分、保持椎间盘弹性及膨胀性起到重要作用。胶原纤维是椎间盘的主要结构单位，纤维环外侧主要含I型胶原，其耐受牵张力，髓核主要含II型胶原，其耐受压力，从外侧纤维环到中央髓核，I型胶原逐渐减少，II型胶原逐渐增多。

进入退变期，纤维环、髓核及软骨终板均出现退变，表现为胶原、蛋白多糖及水分等成分的变化。椎间盘退变时，I型胶原表达增加，纤维环中I、II型胶原比例升高，髓核中出现I型胶原、II型胶原表达减低，有研究者认为此改变与椎间盘退变程度成正相关。随着年龄增长，椎间盘水分逐渐减少，蛋白多糖含量降低，聚集状态的蛋白多糖下降，其中以髓核的变化程度更为显著[6-7]。此种变化导致胶原纤维物理特性减弱，椎间盘生理功能不能充分发挥。蛋白多糖的减少与椎间盘退变程度正相关。

2 HIF-1的结构、调节、生物学作用

2.1HIF-1的结构

HIF-1是一种DNA结合蛋白，主要以异源二聚体的形式存在，由相对分子量为120kd的HIF-1α和相对分子量为91、93、94kd(3种相对分子量)的HIF-1β组成，异源四聚体少见。HIF-1α为HIF-1所特有，其含有两个转录激活区，一个称作N2末端激活区，与异二聚化、DNA的结合及转录激活有关，另一个称作C2末端激活区，主要参与转录激活作用，HIF-Iα还含有一个独特的氧依赖降解区域(ODDD)，它决定HIF-1α蛋白的稳定性。HIF-Iα既是HIF-1的功能亚基又是结构亚基，其转录活性及蛋白稳定性均受细胞内氧浓度的调节，决定HIF-1的生理活性。HIF-1β是固有细胞核蛋白，不受细胞内氧浓度调节，在无氧和长氧下均可表达，其是HIF-1的结构亚基，与HIF-1的稳定有关。HIF-1α必须与HIF-1β结合形成二聚体才能成为有活性的HIF-1[8]。

2.2HIF-1的调节

HIF-1的调节分为非氧依赖调节和氧依赖调节，非氧依赖调节的因素包括铁离子螯合剂，镍、镉等金属及NO等部分抗氧化剂等。这些金属离子可使HIF-1α在常氧下保持稳定，然而NO对HIF-1α是激活亦或抑制作用，尚无定论。氧依赖调节是HIF-1α主要的生理性调节。常氧条件下，HIF-1α存在于细胞质中，氧敏感的脯氨酰羟化酶羟化位于HIF-1αODDD内的脯氨酸残基Pro402或Pro564，促进HIF-1α与肿瘤抑制因子VHL结合，导致HIF-1α的泛酸化和蛋白酶的降解[9-10]。缺氧条件下，HIF-1α存在于细胞核中，氧依赖的脯氨酰羟化酶活性下降，脯氨酸残基Pro402、Pro564羟化被阻断，HIF-1α逃脱了蛋白酶的降解，其半衰期明显延长，而且磷酸化可以增强缺氧条件下HIF-1α的活性，稳定且高活性的HIF-1α与HIF-1β形成异源二聚体HIF-1，其与其他转录因子形成转录复合物，最终与目的基因的缺氧反应原件结合，启动靶基因表达。

2.3HIF-1的生物学作用

HIF-1广泛存在于缺氧条件下的动物和人体内，是目前发现的唯一在特异性缺氧状态下发挥活性的转录因子，而且是缺氧诱导基因转录过程中缺氧信息传递的共同通路[11]。其可以调控超过70个基因，这些靶基因占人类所有基因的1%～2%[12]。HIF-1的靶基因主要包括以下几种：①促红细胞生成素编码基因。②血管内皮生长因子编码基因。③葡萄糖载体蛋白-1和糖酵解酶，包括醛缩酶A烯醇化醇、乳酸脱氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶-1和3-磷酸甘油醛脱氢酶编码基因。④血红素加氧酶和诱导型NO合酶编码基因。

HIF-1调控的靶基因涉及红细胞的产生，葡萄糖和能量的代谢，细胞的增殖、分化、凋亡，基质的代谢，血管生成及舒张肿瘤的耐药[13]。HIF-1调控的这些基因和蛋白可以不同的方式参与细胞对缺氧的耐受，增强了细胞在缺氧条件下生存能力。

3 GLUT-1的结构、调节、生物学特性

3.1GLUT-1的结构

葡萄糖转运蛋白是细胞膜上的跨膜糖蛋白，介导细胞内外葡萄糖的转运。另外，它还与肿瘤细胞的恶性转化、增殖、侵袭等有密切相关性。迄今，已发现的GLUTs有13种，根据蛋白序列的相似性，GLUTs分为3类：GLUT-1、GLUT-2、GLUT-3、GLUT-4，是基础葡萄糖转运体；GLUT-5、GLUT-7、GLUT-9、GLUT-11，对葡糖糖的转运活性较低，优先转运果糖；GLUT-6、GLUT-8、GLUT-10、GLUT-12、HMIT1，他们含量较低、分布局限，功能尚不清楚[14-15]。GLUT-1是已知分布最广泛的转运体，在动物和人的胚胎及成体细胞中均有表达,也是对机体微环境变化最敏感的转运体之一，但其表达量较低，一般与组织特性表达的葡萄糖转运体一起承担细胞葡萄糖转运。GLUT-1的三维结构目前还不是很清楚。Muecklerg根据GLUT-1的氨基酸疏水性分析提出连续12个跨膜区的结构模型[16]，系12次跨膜亚单位，N端和C端聚在细胞内。C端被认为是具有亚基特性的标志，可直接影响葡萄糖从内测微点释放的速率。GLUT-1有两种构型：外向型和内向型，葡萄糖入细胞质时首先与外向型GLUT-l结合，通过变构再与内向型GLUT-1结合以执行葡萄糖的转运[17]。

3.2GLUT-1的调节

GLUT-I的表达受很多因素的影响，长时间的葡萄糖缺乏状态会引起GLUT-l mRNA与蛋白质的升高。除此之外，以下因素也可以增加GLUT-l的表达：缺血低氧、药物及无机盐，如：佛波酯、降糖药、钒酸盐、丁酸盐；激素类，如：甲状腺激素、胰岛素、生长激素、雌激素；小分子活性物质及炎性因子，如cAMP、胰岛素样生长因子1、血小板来源生长因子、成纤维细胞生长因子、肿瘤坏死因子α、表皮生长因子、转化生长因子β、肿瘤及癌基因等[18-22]。

3.3GLUT-1的生物学特性

GLUT-1是HIF-1α的主要靶基因之一，缺氧条件下，糖酵解消耗大量能量，许多基因对缺氧做出应激反应，HIF-1α通过调节GLUT的表达，增强细胞对能量的需求。GLUT-1在GLUT家族中与肿瘤关系最密切，不仅可以反应肿瘤缺氧程度，良、恶性，增殖，侵袭等重要特征，而且对肿瘤分级、疗效、预后均能给予评价。已有研究表明GLUT-1对缺血缺氧性脑病，II型糖尿病的发生、发展有重要作用。

4 HIF-1和GLUT-1在椎间盘中的表达

目前，椎间盘退变的病因和发病机理尚无确切的定论，众多学者认为是多种因素共同作用的结果，包括营养障碍、细胞凋亡、异常应力作用、细胞因子的作用、自身免疫反应、遗传因素。Rajpurohit R等[23]通过实验证实培养的髓核细胞稳定表达缺氧诱导因子-1，进而提出将缺氧诱导因子-1、葡萄糖转运蛋白-1和基质金属蛋白酶-2作为髓核细胞表型标记物。

缺氧诱导因子-1广泛参与哺乳动物细胞中缺氧诱导产生的适应性反应，是机体细胞适应低氧的重要转录调节因子。近年来有研究者证实在大鼠椎间盘髓核细胞内HIF-1a的表达，并且在不同的诱导环境下诱导出的HIF-1a表达程度也不同，随着椎间盘凋亡程度的增加，髓核内HIF-1a的表达也相应增加，推导HIF-1a的表达程度与细胞凋亡程度之间存在高度相关性。Ha KY等[24]用免疫组化的方法研究人椎间盘中HIF-1a和凋亡的表达，得出HIF-1a在人椎间盘细胞的生存和突出间盘重吸收方面可能起着至关重要的作用。

葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)是人体细胞向胞内转运葡萄糖重要的载体，对缺氧环境下细胞能量代谢的维持起着重要作用。GLUT-1是已知的分布最为广泛的转运体，在动物和人的胚胎及成体细胞中均有表达。齐峰[25]等研究发现HIF-1 a和GLUT-1在不同年龄大鼠椎间盘纤维环中表达不同，并发现HIF-1 a和GLUT-1两者具有一定的相关性。亦有研究发现，葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)的增加可以激活Jun N-terminal kinase(JNK)信号途径，抑制细胞凋亡。由此可见，GLUT-1在人椎间盘细胞的生存可能起着至关重要的作用。

5 结语和展望

HIF-1是氧感受家族的管家转录基因，GLUT-1是葡萄糖的重要载体，它们在组织、细胞低氧环境中起到重要作用。椎间盘组织是人体最大的无血管的组织，长期处于低氧环境中，营养供应主要通过终板途径和纤维环途径两个途径被动扩散而来。相关研究亦表明在椎间盘中存在HIF-1和GLUT-1的表达，因此，它们在椎间盘细胞生存及椎间盘退变中无容置疑起到作用，但在椎间盘中的作用目前尚不明确。利用各种研究方法对HIF-1和GLUT-1在椎间盘生理功能维护及病理情况下的变化作用进行深入研究是十分必要的，并可为基因预防和治疗椎间盘退变提供新的思路。

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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

王凯(1986-)，男，湖北荆州人，硕士生，主要从事脊柱疾病方面的研究工作；通讯作者：鲁厚根，E-mail：1394657996@qq.com。

[编辑] 何 勇