Bone Research (IF14.3)｜戴俊/盛蕾/王骏团队揭示细胞外基质硬度调控髓核细胞糖酵解机制

论文标题：Matrix stiffness regulates nucleus pulposus cell glycolysis by MRTF-A-dependent mechanotransduction

发表期刊：Bone Research（IF 14.3）

合作客户：苏州大学附属第二医院 戴俊/盛蕾教授团队 联合 四川大学华西口腔医院 王骏教授团队

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腺病毒成功介导Kidins220在NPC中表达和敲低

AAV成功介导MRTF-A在髓核组织中表达

研究背景

髓核（NP）组织的基质硬度增加是椎间盘退行性病变（IVDD）的主要特征，并影响髓核细胞（NPC）的各种功能。糖酵解是 NPC 生存的主要能量来源，但细胞外基质（ECM）硬度增加对 NPC 糖酵解的影响和潜在机制仍不清楚。近期苏州大学附属第二医院戴俊/盛蕾团队联合四川大学华西口腔医院王骏团队在 Bone Research（IF 14.3）上发表文章 Matrix stiffness regulates nucleus pulposus cell glycolysis by MRTF-A-dependent mechanotransduction，发现 MRTF-A 是一种关键的调节因子，可以对 IVDD 中增加的基质硬度做出反应，并通过下调 Kidins220 和抑制 AMPK 磷酸化来减少 NPC 糖酵解。

研究结果

1、基质硬度激活MRTF-A促进NPC变性

作者发现基质硬度会损害 NPC 的糖酵解过程，并通过 RNA 测序研究了其机制，GO 富集分析表明，刚性基底改变了细胞骨架蛋白结合、微小管结合和微小管蛋白结合。鬼笔环肽染色表明刚性基底促进了 NPC 细胞骨架重塑。MRTF-A 是主要响应细胞骨架重塑的激活因子，在刚性基底条件下增加并转运至细胞核。MHC 染色和蛋白质印记分析表明 MRTF-A 在 IVDD 患者和大鼠模型的 NP 组织中上调。这些结果表明 NP 组织变性可能与细胞骨架重塑和 MRTF-A 激活密切相关。CD 治疗有效地抑制了细胞骨架重塑和 MRTF-A 核转运，并部分挽救了刚性基质诱导的 NPC 退行性表型，因此基质硬度对 NPC 的影响可能是由细胞骨架重塑相关的 MRTF-A 激活介导的。使用 MRTF-A 抑制剂 CCG 抑制 MRTF-A 向核的转运，发现 MRTF-A 的抑制部分挽救了由基质硬度引起的 NPC 功能障碍。这些数据表明 MRTF-A 在 IVDD 进展期间上调，其由基质硬度增加激活，并加剧了 NPC 代谢功能障碍。进一步研究发现 MRTF-A 通过抑制 NPC 中的 AMPK 途径来减少糖酵解。

图1 基质硬度激活MRTF-A促进NPC变性

2、MRTF-A通过减少Kidins220表达抑制AMPK磷酸化并减少糖酵解

作者通过 RNA 测序研究了 MRTF-A 调节 AMPK 的具体机制，发现 Kidins220 在 CCG 处理的 NPC 中显著增加。Kidins220 已被证明受到 MRTF-A 的负调节，ChIP 分析表明 MRTF-A 与 Kidins220 的启动子结合，而荧光素酶分析表明 CCG 处理直接促进 Kidins220 的转录。此外 CCG 和 CD 处理促进了 Kidins220 蛋白水平，但 MRTF-A 过表达则降低了其表达。作者进一步研究了 Kidins220 和 AMPK 之间的调节机制，Co-IP 表明 Kidins220 与 AMPK 相互作用，而 CCG 增强了 Kidins220 和 AMPK 之间的相互作用。此外，Kidins220 过表达促进了 AMPK 磷酸化并增加了糖酵解酶的表达，而 Kidins220 敲低部分减少了 CCG 处理诱导的 AMPK 磷酸化和糖解。这些结果表明 MRTF-A 抑制 Kidins220 的表达，从而抑制了 AMPK 的磷酸化和糖酵解过程。

图2 MRTF-A通过减少Kidins220表达抑制AMPK磷酸化并减少糖酵解

3、NP组织中MRTF-A过表达加速IVDD进展

为了研究 MRTF-A 在 IVDD 进展中的作用，作者利用 AAV-MRTF-A 在 NP 组织中上调 MRTF-A。MRI 分析显示，与 AAV-NC 相比，AAV-MRTF-A 治疗导致更低的信号密度和更高的 Pfirrmann 评分。IVD（椎间盘）X 射线扫描和微型 CT 3D 重建显示，AAV-MRTF-A 治疗导致 IVD 高度降低和骨赘增加。HE 和 Safranin O/Fast Green 染色显示 MRTF-A 表达导致 NPC 丢失、基质塌陷和纤维环裂缝。此外 AAV-MRTF-A 处理不仅增加了 NP 组织中的 MMP13 的表达、降低了 Col2a1 的表达，而且降低了糖酵解酶和 Kidins220 的表达。抑制 MRTF-A 部分挽救了 NPC 的合成代谢和糖酵解，并减轻了 IVDD 的进展，这些结果表明 MRTF-A 参与了 IVDD 的发生和发展。

图3 NP组织中MRTF-A过表达加速IVDD进展

研究结论

本研究揭示了 IVDD 过程中基质硬度和糖酵解之间的联系，并强调了由异常硬度信号触发的 MRTF-A 的关键作用，它通过抑制 Kidins220-AMPK 信号而导致糖酵解受损。这些发现为 Kidins220-AMPK 途径参与 MRTF-A 激活的糖酵解受损的潜在机制提供了深入的见解，并表明 MRTF-A 可能是恢复糖酵解和延缓由细胞外基质硬度介导的 IVDD 进展的重要靶点。

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