机械应力通过 PIEZO1–YAP1/TEAD1 介导的 NEDD4 激活以及 NFS1 依赖的泛素化导致的线粒体功能障碍，加速椎间盘退化过程

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease》：Mechanical stress accelerates intervertebral disc degeneration through PIEZO1–YAP1/TEAD1-mediated NEDD4 activation and NFS1 ubiquitination-dependent mitochondrial dysfunction

　　

• •
  机械应力会激活髓核细胞中依赖于PIEZO1的Ca²⁺信号传导。
• •
  依赖于YAP1和TEAD1的转录调控会促进NEDD4的表达。
• •
  NEDD4对NFS1的泛素化调控会降低NFS1蛋白的稳定性。
• •
  NFS1的缺失会破坏线粒体稳态并促进髓核细胞的退化。
• •
  针对PIEZO1–NEDD4–NFS1轴进行治疗可以减轻椎间盘退化。

引言

椎间盘退化（IDD）是慢性腰痛（LBP）的主要病理原因之一，严重损害患者的生活质量，并给全球带来巨大的社会经济负担[1]，[2]。作为脊柱的关键承重和减震结构，椎间盘不断受到复杂的机械微环境的影响。髓核细胞（NPCs）负责维持细胞外基质（ECM）的代谢稳态并保持组织完整性。越来越多的证据表明，异常的机械负荷是驱动IDD进展的主要因素，会导致氧化应激、线粒体功能障碍、细胞衰老和程序性细胞死亡，最终导致椎间盘的结构破坏和退化[3]，[4]，[5]，[6]。

持续的氧化应激、线粒体功能障碍和蛋白质稳态受损被认为是IDD发生和进展的核心病理机制[7]，[8]，[9]，[10]。线粒体不仅负责细胞的能量产生，还是氧化还原稳态的关键调节者。线粒体损伤会导致活性氧（ROS）的过度积累，进而引发细胞衰老、凋亡和组织退化[10]，[11]，[12]。同时，泛素-蛋白酶体系统（UPS）作为主要的细胞内蛋白质质量控制机制，通过调节关键蛋白质的稳定性和周转来维持线粒体稳态和细胞应激适应[13]，[14]，[15]。越来越多的证据表明，UPS介导的保护性蛋白质降解的异常激活在各种退行性疾病中起着重要作用。然而，UPS失调如何介导机械诱导的IDD的具体调控机制仍不清楚[16]，[17]。

为了识别在机械应力诱导的IDD过程中可能受到转录后或蛋白质稳定性调控的保护性蛋白质，我们首先进行了平行转录组学和蛋白质组学分析，然后对正常NPCs和暴露于100 kPa机械压力的NPCs进行了跨层比较分析。筛选出的候选分子集中在那些在蛋白质水平上显示显著变化但mRNA表达没有相应显著改变的蛋白质上，随后对与IDD密切相关的生物过程进行了功能分析，包括线粒体调控、氧化还原稳态和细胞退化。通过这种跨层筛选策略，我们确定了NFS1作为一个潜在的关键调控分子。NFS1是一种关键的限速酶，参与线粒体铁硫（Fe-S）簇的生物合成，在维持线粒体功能、氧化还原稳态和细胞能量代谢中起着重要作用[18]，[19]，[20]。先前的研究表明，NFS1的缺乏会破坏Fe-S簇的生物合成，损害电子传递链的活性，并促进ROS的过度积累，从而导致细胞衰老和细胞死亡[21]，[22]，[23]。尽管NFS1已被发现与多种应激相关损伤和退行性疾病有关，但其生物学功能及其在IDD中的上游调控机制仍不清楚。基于蛋白质组学筛选和生物信息学分析，我们进一步确定了NEDD4作为潜在的上游E3泛素连接酶，负责调节NFS1的稳定性。NEDD4是一种经典的HECT家族E3泛素连接酶，参与蛋白质降解、氧化应激调节、细胞稳态维持以及多种疾病的发病机制。

机械敏感离子通道PIEZO1最近被确定为细胞机械转导的中心中介因子。PIEZO1响应各种机械刺激，包括压缩、拉伸和细胞外基质硬度的变化，并通过Ca²⁺流入介导的下游信号激活来调节细胞命运和组织稳态[24]，[25]，[26]。先前的研究表明，异常的PIEZO1激活会促进氧化应激、炎症反应、线粒体功能障碍和细胞死亡，从而导致骨关节炎、软骨退化和神经退行性疾病等病理过程[27]，[28]，[29]，[30]，[31]。在椎间盘组织中，异常机械负荷条件下PIEZO1的表达显著增加，并与NPC细胞凋亡、ECM降解和退化进程密切相关[32]，[33]，[34]，[35]。然而，PIEZO1是否通过调节特定的蛋白质稳态途径来促进IDD的进展及其下游功能效应器的身份仍大部分尚未探索。

为了识别在机械应力诱导的IDD过程中可能受到转录后或蛋白质稳定性调控的保护性蛋白质，我们首先进行了平行转录组和蛋白质组学分析，然后对这两个数据集进行了跨层比较，并结合功能富集分析来筛选潜在的调控候选分子。随后，我们研究了候选分子的蛋白质稳定性变化及其上游调控机制，特别关注识别机械响应的E3泛素连接酶，并阐明它们在蛋白质降解信号网络中的作用。最终，这项研究揭示了一个关键的PIEZO1–E3泛素连接酶–NFS1调控轴，该轴介导了机械应力诱导的椎间盘退化，从蛋白质稳态调控的角度提供了IDD发病机制的新见解，并为精准干预提供了潜在的治疗靶点。

章节片段

试剂

Yoda1(HY-18723)、GsMTx4(HY-P1410A)、MG-132(HY-13259)、3-MA(HY-19312)、CQ(HY-Y1269)购自Med Chem Express (MCE, USA)。

动物模型开发与治疗

所有动物实验方案均获得了山东第一医科大学附属山东 Provincial Hospital的机构动物护理和使用委员会(批准号NSFC2024-0002)以及青岛大学实验室动物管理和伦理委员会(批准号202410C5708212602123)的批准。使用的是四周大的雄性小鼠。

在机械应力诱导的NPC退化过程中，NFS1被确定为潜在的关键调控分子

为了系统地识别在机械应力诱导的NPC退化过程中涉及的关键调控分子，我们首先建立了一个体外机械压缩诱导的椎间盘退化模型。NPCs暴露于逐渐增加的机械压力下，使用CCK-8检测评估细胞存活率。结果表明，随着机械压力的增加，NPCs的存活率逐渐降低。

讨论

IDD是一种由机械过载、氧化应激、线粒体功能障碍和细胞衰老引起的多因素退行性疾病。然而，机械刺激是如何被感知并转化为细胞内病理信号的仍然不完全清楚。在这项研究中，通过平行转录组学和蛋白质组学分析以及跨层比较，我们发现了NFS1作为一个先前未被认识到的对抗机械应力诱导的NPCs的保护性调控因子。

结论

本研究揭示了机械应力会激活PIEZO1，导致NEDD4上调、NFS1泛素化增加以及NFS1蛋白稳定性降低，这些变化会破坏线粒体稳态，促进NPCs的衰老、凋亡和椎间盘退化（图8）。通过确定PIEZO1–YAP1/TEAD1–NEDD4–NFS1的调控级联，我们的发现为机械应力诱导的IDD进展中蛋白质稳态失衡的作用提供了新的见解，并强调了潜在的治疗靶点。

作者贡献声明

F-C参与了研究设计、数据分析以及手稿撰写。FS-P和CL-L参与了数据采集与分析，并编写了研究程序。SQ-C和H-Z参与了数据采集与分析。YM-X、T-L、YK-D和C-S共同启动并设计了这项研究。所有作者均全程参与了研究并批准了手稿的最终版本。

出版同意

通讯作者已获得出版同意。

伦理批准

本研究符合赫尔辛基宣言的要求，获得了山东第一医科大学附属山东 Provincial Hospital的伦理委员会(批准号NSFC2024-0002)以及青岛大学实验室动物管理和伦理委员会(批准号202410C5708202502123)的批准。整个研究过程中使用了C57BL/6J小鼠。

关于撰写过程中使用的生成式AI和AI辅助技术的声明

本手稿的撰写过程中没有使用任何生成式人工智能（AI）或AI辅助技术。

资助

本研究得到了山东省泰山学者计划（编号tstp20250511）和山东省医学会的科学研究项目（编号YXH2025YS068）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

Fei Chen、Shuqing Chen、Fushuai Peng和Han Zhang对这项工作做出了同等贡献。作者衷心感谢山东第一医科大学附属山东 Provincial Hospital脊柱外科和青岛大学附属医院脊柱外科的所有工作人员在整个研究过程中提供的帮助。

Fei Chen|Shuqing Chen|Fushuai Peng|Han Zhang|Changlin Lv|Chao Sun|Yukun Du|Tao Li|Yongming Xi