《Cellular Signalling》：The USP5-MATN3 axis in nucleus pulposus cell senescence: A Deubiquitination mechanism protecting against intervertebral disc degeneration
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摘要椎间盘退变是导致腰痛的重要原因及独立风险因素。本研究旨在探索椎间盘退变的分子机制，为针对性治疗提供新思路。细胞衰老是椎间盘退变中的关键病理过程，但髓核细胞中调控该过程的上下游网络尚未明确。本研究发现，在椎间盘退变过程中MATN3蛋白表达显著下降，且其水平与髓核细胞衰老密切相关
摘要
椎间盘退变是导致腰痛的重要原因及独立风险因素。本研究旨在探索椎间盘退变的分子机制，为针对性治疗提供新思路。细胞衰老是椎间盘退变中的关键病理过程，但髓核细胞中调控该过程的上下游网络尚未明确。本研究发现，在椎间盘退变过程中MATN3蛋白表达显著下降，且其水平与髓核细胞衰老密切相关。功能实验表明，过表达MATN3可有效抑制体外髓核细胞衰老，并在大鼠尾刺模型中延缓椎间盘退变的病理进展。有趣的是，mRNA水平上MATN3并无显著差异。从机制上分析，免疫沉淀-质谱技术和共免疫沉淀技术发现USP5是MATN3的直接相互作用蛋白，MATN3可通过去泛素化作用稳定该蛋白，功能挽救实验也证实USP5可通过上调MATN3来缓解髓核细胞衰老。总之，本研究阐明了USP5/MATN3轴通过调控细胞衰老影响椎间盘退变进展的分子机制，为椎间盘退变的干预策略提供了新的潜在靶点。
引言
腰痛已成为全球范围内的重大公共卫生问题。据报道，该疾病的终生患病率高达84%，而慢性腰痛的患病率约为23%。其中11%到12%的人口因腰痛而丧失劳动能力，患有腰痛的人一年的医疗支出大约是不患腰痛者的两倍[1]、[2]。作为导致腰痛的核心病理因素，椎间盘退变目前仍未找到确切有效的治愈方法[3]。尽管学术界已投入大量研究探索椎间盘退变的致病诱因，但其具体的病理生理机制仍未完全明确[4]、[5]。
细胞衰老是指在生物体整个生命过程中，细胞在各种应激信号作用下逐渐发生改变并维持的一种特殊状态。其核心特征包括细胞周期停滞、衰老相关分泌表型、代谢紊乱以及大分子损伤等[6]。根据诱导原因的不同，细胞衰老可分为复制性衰老、程序性发育衰老和应激诱导性衰老[7]。髓核细胞衰老是推动椎间盘退变的关键病理环节，有效延缓衰老过程对于维持椎间盘的生理功能至关重要。Sirt6基因的缺失会加速小鼠的衰老进程，并促进与年龄相关的椎间盘退变[8]。此外，分子伴侣介导的自噬可通过抑制过早衰老并清除衰老细胞来预防椎间盘退变的发生[9]。
细胞衰老的调控机制与基质蛋白（Matrilin，MATN）家族密切相关。缺乏Matrilin家族蛋白的小鼠会出现轻微的骨骼异常，且更容易患上与年龄相关的骨关节炎[10]。Matrilin-3（MATN3）是一种由49 kDa亚基组成的四聚体，每个亚基包含一个带正电荷的N端序列、一个冯维勒布兰德因子A结构域、四个表皮生长因子样结构域以及一个C端的卷曲α螺旋结构域。它主要存在于软骨中，该蛋白的突变可导致多发性骨骺发育不良和脊椎骨骺发育不良等疾病[11]、[12]、[13]。然而，MATN3对椎间盘退变过程中衰老进程的影响尚未被研究。尤其是翻译后修饰调控MATN3蛋白丰度的机制仍不明确。
为探究MATN3在椎间盘退变过程中的生物学功能，本研究构建了H?O?诱导的髓核细胞衰老模型，并建立了大鼠尾刺椎间盘退变模型。我们发现过表达MATN3可延缓髓核细胞衰老。此外，USP5可与MATN3相互作用并稳定其功能，而USP5的缺失会导致MATN3不稳定，进而加速髓核细胞衰老并加重椎间盘退变。
章节节选
人类髓核组织的获取
本研究使用的人类髓核组织样本来自接受腰椎间盘突出症手术治疗的患者。所有样本的采集均严格遵循伦理规范，在手术前已获得患者的详细知情同意。这些组织从体内分离出来后会被立即储存在无菌生理盐水或专用细胞培养基中，随后迅速送往实验室进行后续处理
椎间盘退变过程中MATN3表达下调且髓核细胞衰老
我们用H?O?处理髓核细胞以诱导其退变和衰老。免疫荧光检测显示，与对照组相比，经H?O?处理的髓核细胞中聚集蛋白聚糖的表达显著降低，MMP13的水平则升高（图1A）。同时，衰老标志物P53和P21的表达也显著增加（图1B）。SA-β-gal活性的升高进一步证实了细胞衰老程度的加剧（图1C）。西方印迹实验显示，合成型细胞外基质蛋白（聚集蛋白聚糖和Col2）表达下调，而与衰老相关的蛋白表达则上升
讨论
本研究阐明了USP5/MATN3信号通路在调控髓核细胞衰老及椎间盘退变进程中的核心作用。我们确认，在椎间盘退变过程中MATN3表达的下调是引发髓核细胞衰老的重要因素；而USP5可通过去泛素化修饰稳定MATN3蛋白，二者共同构成一种内在保护机制，从而延缓椎间盘退变的进展（图6）。
本研究将MATN3确定为
结论
USP5可直接与MATN3结合并对其进行去泛素化处理，从而抑制髓核细胞衰老及细胞外基质的代谢失衡。在大鼠尾刺模型中，过表达MATN3可减轻椎间盘退变的进展。综合这些研究结果，我们认为USP5-MATN3轴是椎间盘退变的潜在治疗靶点。
CRediT作者贡献声明
范春阳：论文撰写——初稿、可视化分析、资金获取、数据整理。夏杰超：方法学设计、实验研究。张耀：项目管理、方法学研究、定量分析、数据整理。赵建兵：研究指导、软件应用。秦万金：结果验证、研究指导。张健：软件应用、资源获取、定量分析、概念设计。凌徐伟：软件应用。吴学兴：定量分析。耿德春：论文撰写——审阅与编辑、可视化分析、实验研究。毛海清：论文撰写
资助情况
本研究得到了国家自然科学基金（编号：82272547、82572793）、江苏省自然科学基金（编号：BK20241795）、苏州大学附属第一医院博希临床研究项目（编号：BXLC017）、苏州市科技计划项目（编号：SYWD2025308），以及阮长庚教授的研究生科研创新基金、苏州大学附属第一医院（编号：RSJCX202507）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。
范春阳|夏杰超|张耀|赵建兵|秦万金|张健|凌徐伟|吴学兴|耿德春|毛海清
中国苏州苏州大学苏州医学院苏州大学附属第一医院骨科研究所骨科
