PACS-2通过SP1/LRRK2/Mfn2轴途径保护MAM的完整性，从而减轻NPSC的凋亡和椎间盘退变

《Advanced Science》：PACS-2 Mitigates NPSC Apoptosis and Intervertebral Disc Degeneration by Preserving MAM Integrity via the SP1/LRRK2/Mfn2 Axis

椎间盘退行化（IDD）中，PACS-2通过维持线粒体相关内质网膜（MAM）完整性，抑制SP1核转位和下游LRRK2/Mfn2通路，减少NPSC酸诱导凋亡，并成功修复IDD模型中的椎间盘。

　　### 研究背景与意义

椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IDD）是全球成年人中导致残疾和功能受限的主要原因之一，给经济和社会带来了巨大的负担。尽管目前已有多种临床治疗手段，如物理治疗、药物治疗和手术干预，但这些方法主要针对症状缓解，无法从根本上逆转或阻止IDD的进展。随着人口老龄化和生活方式的变化，对有效治疗IDD的需求日益迫切。近年来，干细胞疗法在多种疾病治疗中展现出巨大潜力，尤其是在组织修复和再生领域。然而，IDD环境中存在的恶劣微环境，如酸性条件、营养缺乏和代谢废物积累，显著影响了内源性和移植干细胞的存活和功能，这成为干细胞疗法在治疗IDD中的一个关键挑战。

本研究聚焦于一个重要的调控因子——PACS-2，这是一种调控线粒体-内质网连接（Mitochondria-Associated ER Membrane, MAM）结构和功能的关键蛋白。MAM是线粒体和内质网之间的接触点，对于细胞稳态、钙离子平衡、脂质代谢、凋亡调控等具有重要作用。PACS-2在多种疾病中被发现具有关键的调控作用，如肥胖、阿尔茨海默病和糖尿病肾病。然而，其在IDD中的作用尚未被充分研究。因此，本研究旨在探讨PACS-2在IDD发展中的作用，以及它如何通过调控MAM结构来促进干细胞的存活和修复功能。

### PACS-2在IDD中的作用机制

在本研究中，通过对比人类和大鼠IDD患者的椎间盘组织，发现PACS-2的表达水平显著下降，同时MAM结构被破坏，细胞凋亡水平上升。这表明，PACS-2在IDD的病理过程中可能起到了关键的保护作用。为了进一步验证这一假设，研究者利用Pacs-2基因敲除小鼠构建IDD模型，并发现这些小鼠的椎间盘退变程度明显加重，伴随内质网应激、线粒体功能障碍和细胞凋亡的加剧。这些结果表明，PACS-2的缺失可能加速IDD的进展，而PACS-2的表达则有助于维持细胞的稳态。

为了更深入地理解PACS-2如何调控细胞存活，研究者在体外实验中模拟酸性环境，并观察PACS-2过表达对酸诱导损伤的保护作用。结果表明，PACS-2的过表达能够显著减少细胞凋亡，改善线粒体功能，降低活性氧（ROS）水平，并增强细胞的存活能力。这些效应的减弱与MAM结构的破坏密切相关，说明PACS-2对MAM的维持具有关键作用。此外，研究还发现，PACS-2通过抑制SP1的核转位，从而降低其下游靶点LRRK2的表达。LRRK2通过JNK信号通路促进Mfn2的泛素化和降解，而Mfn2是MAM形成的重要调控因子。因此，PACS-2的表达有助于抑制LRRK2对Mfn2的破坏，从而维持MAM结构的完整性，进而保护细胞免受凋亡影响。

在体内实验中，研究者将PACS-2过表达的NPSCs移植到IDD模型大鼠的退变椎间盘中，发现这种处理显著提高了细胞存活率，并增强了椎间盘修复功能。MRI图像显示，移植PACS-2过表达的NPSCs的大鼠椎间盘退变程度明显减轻，信号强度增强，说明细胞功能得到了恢复。同时，组织学分析也表明，这些移植细胞能够改善退变椎间盘的结构和功能，降低凋亡水平，提高组织修复效率。这些结果进一步支持了PACS-2在IDD治疗中的潜在价值。

### 临床与研究意义

这些发现不仅揭示了PACS-2在IDD中的保护机制，还为开发新的IDD治疗方法提供了理论依据。PACS-2通过维持MAM结构，抑制SP1的核转位，减少LRRK2的表达，从而减少Mfn2的泛素化和降解，最终促进NPSC的存活和功能恢复。这一发现为干细胞疗法在IDD中的应用提供了新的思路，即通过增强PACS-2的表达，提高干细胞对退变微环境的耐受能力，从而增强其治疗效果。

此外，研究还指出，PACS-2在不同细胞类型和疾病模型中可能具有不同的作用机制。例如，在肾小管上皮细胞中，PACS-2的过表达能够稳定MAM结构并减少凋亡，而在内皮细胞中，PACS-2的缺失反而会减少氧化低密度脂蛋白诱导的凋亡。这表明，PACS-2的调控作用可能因细胞类型和环境条件的不同而有所变化。因此，未来的研究需要进一步探索PACS-2在不同疾病模型中的具体作用机制，以更好地理解其在IDD中的功能。

### 未来研究方向与挑战

尽管本研究取得了重要的进展，但仍存在一些局限性。首先，虽然研究结果表明PACS-2能够通过SP1/LRRK2/Mfn2轴维持MAM结构并抑制细胞凋亡，但其在临床中的治疗价值仍需通过扩大样本量和进一步的临床试验来验证。其次，当前研究主要依赖于小鼠和大鼠模型，而这些模型并不能完全模拟人类IDD的病理过程。因此，未来研究可能需要采用更接近人类生理条件的模型，如灵长类动物模型，以获得更具临床意义的结论。

此外，PACS-2的调控作用可能涉及多个信号通路，例如内质网应激（ER stress）与经典炎症通路如NF-κB之间的相互作用。ER stress在IDD中已被证明是促进退变的重要因素，而MAM结构的破坏可能进一步加剧这种应激反应，导致炎症反应的增强。因此，未来研究需要进一步探讨PACS-2调控MAM结构与ER stress之间的关系，以及其对IDD病理过程的综合影响。

另外，研究还发现，MAM结构的破坏不仅影响线粒体和内质网之间的功能协调，还可能影响细胞的代谢平衡，进而导致细胞外基质（ECM）的降解活动超过合成活动，最终导致椎间盘结构的破坏。因此，进一步研究PACS-2在调控ECM代谢中的作用，可能有助于开发更全面的IDD治疗策略。

### 研究方法与实验设计

为了系统地研究PACS-2在IDD中的作用，研究者采用了多种实验方法，包括组织学分析、免疫荧光染色、Western blot、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和体内移植实验。首先，通过MRI和Pfirrmann分级系统对人类和大鼠的椎间盘组织进行评估，确认IDD的程度。然后，利用免疫组化和免疫荧光技术检测PACS-2的表达水平，并评估MAM结构的变化。同时，通过TUNEL染色检测细胞凋亡水平，以进一步验证PACS-2对细胞存活的影响。

在体外实验中，研究者将NPSCs暴露于酸性条件（pH 6.5）下，模拟IDD的微环境，并通过Western blot和qRT-PCR检测PACS-2、LRRK2、Mfn2等关键蛋白的表达变化。同时，利用FATE-1蛋白作为MAM的解离剂，验证PACS-2对MAM结构的调控作用。结果显示，PACS-2的过表达能够恢复酸性环境下的MAM结构，减少凋亡，并改善线粒体功能。

在体内实验中，研究者使用了基因敲除小鼠和体内移植模型，进一步验证了PACS-2对IDD的保护作用。通过将PACS-2过表达的NPSCs移植到IDD模型大鼠的退变椎间盘中，观察其对椎间盘修复的影响。结果显示，移植PACS-2过表达的NPSCs能够显著改善退变椎间盘的结构和功能，提高细胞存活率，并减少凋亡。

此外，研究还利用scRNA-seq技术分析了不同退变程度的NP组织中的细胞类型分布，发现CD90+PACS-2+细胞的比例在轻度IDD中较高，而在重度IDD中则显著下降。这表明，PACS-2可能在维持NP细胞的稳态和修复功能中起到关键作用。同时，通过ChIP和荧光素酶报告基因实验，研究者进一步验证了SP1与LRRK2启动子的直接结合关系，并揭示了PACS-2通过抑制SP1的核转位来调控LRRK2表达的机制。

### 临床转化与应用前景

本研究的结果为IDD的治疗提供了新的靶点。PACS-2作为MAM结构的重要调控因子，其表达水平的降低与IDD的进展密切相关。因此，通过基因工程手段增强NPSCs中PACS-2的表达，可能成为治疗IDD的新策略。这一方法不仅可以提高干细胞对退变微环境的耐受能力，还能促进其在体内修复退变椎间盘的能力。

此外，PACS-2的调控作用可能涉及多个细胞过程，包括线粒体功能、内质网应激、钙离子平衡和细胞凋亡等。因此，未来的研究可以进一步探索PACS-2在这些过程中的具体作用机制，以更全面地理解其在IDD中的功能。同时，结合其他信号通路的研究，如NF-κB、Wnt和Notch等，可能会揭示PACS-2在IDD中的更广泛作用。

### 结论

综上所述，本研究揭示了PACS-2在IDD中的关键作用。PACS-2通过维持MAM结构，抑制SP1的核转位，从而减少LRRK2的表达，最终保护NPSCs免受酸性微环境的伤害，提高其存活率和修复能力。这一发现不仅加深了我们对IDD发病机制的理解，还为开发新的干细胞疗法提供了理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索PACS-2在不同疾病模型中的作用，以及其在临床中的应用前景。