cAMP-PKA信号通路与腰椎间盘退变的研究进展

姜梦雅，黄国付

目前认为，腰椎间盘退变的发生机制有蛋白多糖的减少，髓核含水量的下降，炎性介质，椎间盘营养供应减少等。从分子生物学的角度来讲，在椎间盘的退变中多种信号通路发挥着一定的作用，如环磷酸腺苷-蛋白激酶 A(Cyclic Adenosine monophosphate- protein kinase A，cAMP-PKA)信号通路、Wnt/β-catenin 信号通路、NF-κB 信号通路[1]、MAPK通路等[2]。现就cAMP-PKA信号通路在腰椎间盘退变中的作用机制作一综述。

1 cAMP-PKA的构成与功能

cAMP是细胞内重要的第二信使之一，分布较广，存在于多种体液和生物细胞中[3]，并对细胞的分化、生长、代谢、凋亡等过程产生影响[4]。cAMP主要通过激活PKA发挥生物效应，但PKA并不是cAMP惟一靶分子，cAMP的生物学效应可通过Epac(cAMP直接活化的交换蛋白)单独参与或与PKA协同完成[4]。

2 cAMP-PKA信号通路与椎间盘退变的关系

2.1 椎间盘退变的过程 椎间盘的退变首先从髓核开始，髓核内的Ⅱ型胶原逐渐向Ⅰ型胶原转变，而髓核细胞也由类软骨细胞向类成纤维细胞转化，椎间盘变硬，纤维环更易破裂而致髓核突出。在椎间盘退变的早期可出现蛋白多糖的减少，这是椎间盘退变的主要原因。另外，炎性介质也是导致椎间盘退变的重要因素之一[5]。内层纤维环和髓核的营养来自于软骨终板处血管营养物质的弥散。随着纤维环和软骨终板的断裂，微血管网也会随之长入[6]。软骨终板的钙化可能也是引起椎间盘退变的关键因素，因为它会导致椎间盘的营养供应减少[7]。椎间盘退变时，一些炎性因子的水平会增加，例如白介素(Interleukin，IL-1β、IL-6)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、磷脂酶A2、一氧化氮等，同时基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)、转化生长因子-β( transforming growth factor-β，TGF-β)、聚集蛋白聚糖酶等的含量也会发生相应的变化[8-10]。

2.2 调控cAMP-PKA信号通路对椎间盘的影响 杜伟等[11]发现IL-1、IL-6、TNF-a和MMP3均与椎间盘退变密切相关，且它们的表达水平与椎间盘退变呈正相关。炎性细胞因子与椎间盘退变的作用是相互的。除此之外，不同炎症因子之间也存在着相互促进、相互诱导的关系[12]，如TNF-α可诱导包括 IL-6、IL-8在内的多种炎症因子的表达[13]。研究表明，通过活化炎细胞内的cAMP通路可以减少TNF-α、IL-12等促炎因子的释放，从而抑制炎细胞的活化[14]。cAMP-PKA信号通路还可以通过多种途径调控细胞骨架的纤维排列，如肌球蛋白轻链途径、Ras同源基因家族成员A途径、内收蛋白途径、微管相关蛋白途径等[15]。cAMP-PKA信号通路对椎间盘的作用一方面体现在细胞增殖与凋亡方面。细胞骨架是由微管、微丝和中间丝纤维构成的存在于真核细胞中的一种纤维网状结构[16]，与细胞的发育、凋亡、黏附、迁移、分裂、信号传递等多种细胞改变相关[15，17]。cAMP-PKA参与了细胞的凋亡、增殖等过程[16]。而椎间盘退变的过程与细胞的增殖、凋亡有密切关系。曾顺福等[18]指出细胞凋亡是椎间盘退变的重要因素，而由此导致的髓核细胞数量的减少则是椎间盘退变的直接原因。cAMP-PKA信号通路对椎间盘的作用另一方面体现在cAMP-PKA信号通路的活化可以减少促炎因子的释放，延缓椎间盘的退变。刘健等[19]发现PKA激动剂6-Bnz-cAMP可以明显抑制促炎细胞因子TNF-α和IL-1β的释放，促进抗炎细胞因子IL-10的分泌。李姣等[20]发现不同浓度的环磷腺苷注射液，细胞因子的水平均低于对照组，提示环磷腺苷可以抑制TNF-α、IL-6细胞因子的表达，从而减轻炎症反应。高维娟等[21]发现胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)可以通过CCK受体来活化cAMP-PKA信号通路，从而抑制NF-κB活性，以发挥抗炎作用[21-22]。核转录因子-kB ( nuclear factor-kappa B，NF-kB)广泛存在于真核细胞内，是一个可诱导的多向性转录因子，调控与细胞分化、增殖、活化、炎性反应、免疫等相关的多种基因的表达[23]。通过抑制NF-κB信号通路的激活可以延缓椎间盘退变[24-26]。cAMP-PKA信号通路的激活可以抑制NF-κB的表达，因此可以减缓椎间盘的退变。也有人认为，随着cAMP-PKA信号通路的激活，NF-κB的表达也会增加。因为NF-κB是PKA的下游蛋白质，PKA可以通过磷酸化对其进行调节，从而调控相应的生物学效应[27]。总而言之，NF-κB的表达与cAMP-PKA信号通路有一定的相关性，临床上可以通过调节cAMP-PKA信号通路的活性来调节NF-κB的活化，从而调节椎间盘的相关炎性细胞因子及细胞凋亡因子的释放，来调控椎间盘的退变进度。许多疾病的发生与cAMP有一定的关系，并且在一些疾病的治疗过程中，可以通过调节cAMP的含量来达到治疗或缓解的作用，如癫痫、心绞痛、心肌炎、呼吸系统疾病等[28]。因此临床上一些药物或治疗手段可以通过调控cAMP的含量来发挥作用，例如针刺可通过调节 cAMP、cGMP 水平来治疗脑卒中偏瘫痉挛状态[29]。Chen WH等[30]发现：年轻组和年老组髓核中的降钙素受体无显著性差异，但是在降钙素诱导软骨形成的过程中，年轻组髓核中cAMP的含量明显升高，而经过降钙素治疗后，老年人髓核中cAMP的含量显著减少。研究表明，环磷酸腺苷可通过一种依赖于PKA活性和转录调控的线粒体信号通路促进WT S49细胞凋亡。cAMP/ PKA调节S49细胞的促凋亡和抗凋亡基因。多个基因和通路通过增加细胞内cAMP水平和PKA的活性促进细胞内促凋亡和抗凋亡基因的表达[31]。然而，cAMP与PKA的含量并不一定会保持一致，房红芸等[32]的研究发现cAMP浓度的适量升高可以激活PKA，但当cAMP过量增加时，PKA的活性反而降低，进而使cAMP-PKA信号通路受到影响。腺苷酸环化酶激动剂Forskolin可以使细胞内cAMP的含量增加，并可上调人羊膜上皮细胞AQP8 mRNA及AQP8蛋白的表达，提示cAMP的含量增加可能与AQP8蛋白的表达相关，可能是通过cAMP-PKA信号转导途径发挥作用[33]。

3 小结

cAMP作为细胞内的信号分子，通过作用于功能蛋白质、调节蛋白质等多种细胞内的蛋白质，将细胞外的信息传递到细胞内，并引起相应的生物效应[33]。cAMP-PKA信号通路可以通过调节细胞的增殖、凋亡，调节NF-κB的活性，调节炎性细胞因子的水平来达到抑制椎间盘的炎症反应的作用，减缓椎间盘退变。对cAMP-PKA信号通路的研究有助于阐明腰椎间盘退变的分子生物学机制，临床上也可以通过测定和调节cAMP、PKA的浓度来寻找某些疾病的诊断和治疗依据[34]，为预防和治疗腰椎间盘退变提供新的依据和方式方法。

[1] 孔敬波,马信龙,王涛，等.Wnt/β-catenin 及NF-кB信号通路与椎间盘退变的研究进展[J].中国修复重建外科杂志.2013,27(12):1523-1528.

[2] 刘玉亮,殷明,梁广胜,等.NF-κB信号和MAPK通路在椎间盘退变中的研究进展[J].生命科学,2012,24(7):674-679.

[3] 宣雅波,杨肖敏,刘存志,等.针刺对多发梗塞性痴呆大鼠海马cAMP和cGMP 含量的影响[J].中华中医药杂志,2012,27(2):352-355.

[4] 韩曙光,赵弘卿.Epac:新的支气管哮喘治疗靶分子[J].中华哮喘杂志(电子版),2013,7(6):448-451.

[5] 张威林,王海强,陈宇飞,等.椎间盘退变的分子机制研究现状[J].脊柱外科杂志,2012,10(4):253-256.

[6] Nerlich AG,Schaaf R,Walchli B,et al.Temporo-spatial distribution of blood vessels in human lumbar intervertebral discs [J].Eur Spine J,2007,16(4)：547-555.

[7] 秦超,史晨辉,刘维钢，等.椎间盘退变基础研究的历史回顾及展望[J].农垦医学,2009,31(6):552-555.

[8] Molinos M,Almeida CR, Caldeira J,etal.Inflammation in intervertebral disc degeneration and regeneration [J]. J R Soc Interface，2015,12(104): 1191-1197.

[9] Zhao CQ,Zhang YH,Jiang SD,et al.ADAMTS-5 and intervertebral disc degeneration:the results of tissue immunohistochemistry and in vitro cell culture[J].J Orthop Res,2011,5(5):718-725.

[10] Yurube T,Takada T,Suzuki T. Rat tail static compression modelmimics extracellular matrix metabolic imbalances of matrix metalloproteinases，aggrecanases,and tissue inhibitors of metalloproteinases in intervertebral disc degeneration[J].Arthritis Res Ther,2012,2(1):51-59.

[11] 杜伟,申勇,李宝俊.细胞因子IL-1a、IL-6、TNF-a、MMP3与颈椎间盘退变机制的相关性研究[J].中国矫形外科杂志,2012,20(3):259-262.

[12] 王海莹,丁文元.肿瘤坏死因子-α在椎间盘细胞凋亡中的作用[J].脊柱外科杂志,2015,13(1):56-59.

[13] Ohba T，Haro H，Ando T，et al．TNF-alpha-induced NF-kap-paB signaling reverses age-related declines in VEGF inductionand angiogenic activity in intervertebral tissues[J].J OrthopRes,2009,27(2) : 229-235.

[14] 刘健,于布为.调控环磷腺苷信号通路治疗病理性疼痛[J].中国药理学通报,2009,25(9):1134-1137.

[15] 黄帅帅,王宇多,王萍.细胞骨架和cAMP/PKA信号通路的互动效应调控细胞行为的研究进展[J].Chinese Journal of Cell Biology,2014,36(7):1018-1026.

[16] 赵霞,刘全宏,王筱冰.细胞骨架纤维间的相互联系[J].Chinese Journal of Cell Biology,2008,30(2):191-195.

[17] 吴波,高清,刘琦,等.细胞凋亡过程中细胞骨架改变的激光共聚焦显微镜观察[J].电子显微学报,2010,29(4):361-366.

[18] 曾顺福,刘杰,王建.兔退变椎间盘中髓核细胞凋亡与 BNIP3 基因表达的意义[J].中国修复重建外科杂志,2010,24(11):1367-1371.

[19] 刘健,谢军明,嵇晴,等.环磷腺苷通路对内毒素刺激的小胶质细胞分泌细胞因子的影响[J].Chinese Pharmacological Bulletin,2012,28(4) :478-482.

[20] 李姣,王永华,黄芳,等.环磷腺苷注射液对大鼠脑缺血再灌注损伤的保护作用[J].实用医学杂志,2009,25(21):3583-3585.

[21] 高维娟,许顺江,丛斌,等.CCK-8抗炎作用中DAG-PKC信号通路对cAMP-PKA信号通路的影响[J].Chinese Pharmacological Bulletin,2008,24(9):1156-1160.

[22] 高维娟,许顺江,丛斌,等.CCK-8对大鼠肺间质巨噬细胞cAMP-PKA信号通路的激活作用[J].Chinese Pharmacological Bulletin,2007,23(3):321-326.

[23] 胡国超,舒钧,浦波.NF-κB信号转导通路及其与椎间盘退变的相关性研究进展[J].医学综述,2012,18(4):509-512.

[24] Scheidereit C.IκB kinase complexes:gateways to NF-κB activation and transcription[J].Oncogene,2006,51(10):6685-6705.

[25] Bezbradica JS,Medzhitov R.Integration of cytokine and heterologousreceptor signaling pathways[J].Nat Immunol,2009,4(5):333-339.

[26] Nasto LA,Seo HY,Robinson AR,et al. ISSLS prize winner:inhibi-tion of NF-κB activity ameliorates age -associated disc degeneration in a mouse model of accelerated aging[J].Spine,2012,21(11):1819-1825.

[27] 范琳琳,夏仲年,杨成志,等.力竭游泳运动后大鼠伏核内NF-κB、cAMP的表达[J].Chinese Journal of Neuroanatomy,2011, 27(1):72-76.

[28] 陈敏,余江平,黄敏.环核苷酸的生理作用及临床应用[J].中国药房,2007,18(11):872-874.

[29] 王顺,张静.不同经穴针刺对脑卒中偏瘫痉挛大鼠血清cAMP、cGMP含量影响的研究[J].中国中医药科技,2012,19(1):54-55.

[30] Chen WH,Zeng R, Lo WC et al.The role of the ERK1/2 pathway as an alternative to the aging-diminished cyclic AMP pathway in calcitonin-mediated chondrogenesis in human nucleus pulposus[J].Biomaterials,2012,33(33):8256-8264.

[31] Zhang L,Zambon AC,Vranizan K，etal.Gene expression signatures of cAMP/protein kinase A (PKA)-promoted, mitochondrial-dependent apoptosis:comparative analysis of wild-type and cAMP-deathless S49 lymphoma cells[J].J Biol Chem. 2008,283(7):4304-4313.

[32] 房红芸,蒋与刚,刘静，等.缺锌对大鼠海马和皮层cAMP/PKA-CREB-BDNF信号转导通路的影响[J].营养学报,2008,30(2):153-156.

[33] 漆洪波,路炜,段赵宁.调控人羊膜上皮细胞AQP8表达的cAMP-PKA信号转导通路研究[J].现代妇产科进展,2010,19(2):81-86.

[34] 文漫红.针灸对单纯性肥胖患者血浆环核苷酸含量的影响[J].中医药导报,2007,13(10):50-51.