过度压缩通过Piezo1/NAT10/mTOR信号通路导致软骨终板退化

《Osteoarthritis and Cartilage》：Excessive Compression Induces Cartilage Endplate Degeneration via the Piezo1/NAT10/mTOR Signaling Axis

椎间盘退行性疾病（IDD）的发病机制与软骨终板（CEP）退化密切相关。本研究通过体外细胞压缩模型和大鼠腰椎不稳定模型，发现过度压缩通过激活机械感受蛋白Piezo1，上调NF-κB通路中p65磷酸化水平，进而增强NAT10表达。NAT10通过ac4C修饰稳定mTOR mRNA，抑制自噬并促进CEP细胞凋亡和ECM降解。实验证实抑制NAT10或mTOR可逆转压缩导致的自噬抑制和细胞损伤。该研究首次揭示了Piezo1/NAT10/mTOR信号轴在机械应力诱导的CEP退化中的调控机制，为IDD的分子治疗提供新靶点。

　　这项研究探讨了N4-乙酰胞苷（ac4C）修饰在脊柱间盘退化（IDD）过程中，特别是由于过度压缩导致的软骨终板退化（CEPD）中的作用和机制。研究团队通过多种实验方法，揭示了NAT10（N-乙酰转移酶10）在这一过程中的关键作用，并发现其通过调控mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）的表达，影响细胞自噬，从而破坏代谢平衡，加剧细胞凋亡和细胞外基质（ECM）的降解。

### 研究背景与意义

脊柱间盘退化是脊柱退行性疾病的病理基础，影响着患者的生活质量。脊柱间盘（IVD）位于软骨终板和骨性终板之间，是承受机械应力的关键部位。过度的机械压力会破坏这一区域的结构和功能，导致细胞凋亡、ECM代谢失衡，以及最终的退行性变化。研究发现，适度的压缩刺激可以促进营养物质的扩散和ECM的合成，增强细胞的代谢能力。然而，过度的压缩刺激会干扰这些过程，引发一系列负面效应，包括细胞凋亡、ECM成分的快速变化，以及细胞分泌功能的异常。

ac4C是一种新型的RNA修饰，它通过NAT10酶的催化作用，调控mRNA的稳定性。这种修饰在多种疾病中发挥着重要作用，包括IDD。本研究首次发现，NAT10介导的ac4C修饰可能在压缩诱导的CEPD中扮演关键角色。通过研究NAT10与mTOR之间的关系，以及mTOR对细胞自噬的调控，科学家们揭示了过度压缩如何通过这些分子机制影响脊柱健康。

### 研究方法

研究人员采用了多种实验方法，包括体外细胞压缩模型、大鼠腰椎不稳定模型，以及一系列分子生物学技术，如acRIP-seq、RNA-seq、RT-qPCR、acRIP-qPCR等。通过这些技术，他们能够检测RNA修饰的变化及其对基因表达的影响。此外，电子显微镜和mRFP-GFP-LC3双荧光标记技术用于观察自噬过程的变化。为了进一步验证细胞信号通路的作用，研究团队还使用了荧光素酶实验等方法。

在实验设计中，研究者从138名接受腰椎融合手术的患者中获取了软骨终板组织样本，用于分析细胞凋亡和ECM代谢情况。此外，他们还对40只健康大鼠进行了实验，构建了腰椎不稳定模型，并评估了NAT10和mTOR的表达水平。这些实验不仅验证了分子机制，还为临床治疗提供了新的思路。

### 研究结果

实验结果显示，过度压缩会导致NAT10的表达显著增加。NAT10的上调与mTOR的表达增强有关，而mTOR的增加则抑制了细胞自噬，从而影响了细胞的自我修复能力。细胞凋亡和ECM降解的增加，进一步导致了CEPD的发生。在动物实验中，抑制NAT10的表达可以显著减轻压缩引起的CEPD和IDD，而增加NAT10的表达则会加剧这些病理变化。

研究还发现，Piezo1作为一种机械敏感离子通道蛋白，在压缩信号的传递中起着重要作用。Piezo1能够感知细胞内外的机械应力，并通过激活NF-κB信号通路，增强P65的磷酸化水平，从而促进NAT10的表达。这种调控机制使得压缩信号能够被转化为生物效应，影响细胞的代谢和功能。

### 机制分析

通过详细分析，研究团队揭示了压缩信号如何通过NAT10和mTOR的调控，影响细胞的自噬和凋亡。具体来说，压缩刺激激活了Piezo1，导致钙离子内流，进而激活NF-κB通路，促进P65的核转位，最终上调NAT10的表达。NAT10通过ac4C修饰增强mTOR的稳定性，提高其表达水平，抑制自噬过程。这种自噬的抑制导致细胞无法有效清除受损的细胞器和蛋白质，从而引发细胞凋亡和ECM降解，加速了CEPD的发展。

研究还发现，NAT10的抑制可以减轻压缩引起的细胞凋亡和ECM代谢失衡，而mTOR的抑制则同样有助于改善这些状况。然而，直接抑制自噬会加剧压缩带来的负面影响，表明自噬在维持细胞稳态方面具有重要作用。因此，NAT10和mTOR的调控可能是治疗CEPD和IDD的新靶点。

### 临床与转化意义

本研究不仅揭示了ac4C修饰在脊柱退行性疾病中的分子机制，还为开发新的治疗策略提供了理论依据。通过调控NAT10和mTOR的表达，可能可以有效干预压缩引起的细胞凋亡和代谢失衡，从而减缓疾病的发展。此外，研究还表明，Piezo1作为机械信号的接收器，可能成为治疗IDD的潜在靶点。通过靶向Piezo1，可以调节NF-κB通路，进而影响NAT10的表达，改善细胞的代谢状态。

在临床应用方面，研究团队通过向大鼠腰椎软骨终板注射NAT10小干扰RNA，发现这显著减轻了由手术引起的软骨终板退化。这一发现为未来的分子治疗提供了新的方向，可能有助于开发针对CEPD和IDD的新型药物或治疗方法。

### 局限性与未来方向

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，现有的体外和体内压缩模型仅部分模拟了实际的机械微环境，因此在研究结果的普适性方面仍需进一步验证。其次，研究主要集中在软骨终板，而对间盘组织的作用尚未完全明确。未来的研究可以进一步探讨Piezo1/NAT10/mTOR轴在间盘组织中的具体作用，以及该机制在不同类型的脊柱疾病中的普遍性。

此外，研究还指出，NAT10在多种疾病中可能发挥重要作用，如肝癌和膀胱癌。这些发现表明，NAT10不仅是脊柱疾病治疗的潜在靶点，也可能在其他疾病中具有类似的调控机制。因此，未来的研究可以进一步探索NAT10在不同病理条件下的作用，以及如何通过调控ac4C修饰来干预疾病进程。

### 结论

综上所述，本研究揭示了过度压缩如何通过NAT10介导的ac4C修饰影响mTOR的表达，进而调控细胞自噬，导致CEPD和IDD的发生。这一发现不仅加深了我们对脊柱退行性疾病机制的理解，还为开发新的治疗策略提供了重要的理论基础。通过调控NAT10和mTOR的表达，可能可以有效改善细胞的代谢状态，减轻压缩引起的损伤。此外，Piezo1作为机械信号的接收器，其在信号转导中的作用也得到了验证，为未来的分子治疗提供了新的思路。未来的研究应进一步探讨该机制在不同疾病中的应用，以及如何通过靶向干预来改善患者的生活质量。