The role of microRNA in degeneration of the intervertebral disc

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Межпозвонковый диск (МПД) представляет собой гетерогенную фиброзно-хрящевую ткань, расположенную между каждым из 24 позвонков, которые подразделяются на 7 шейных, 12 грудных и 5 поясничных позвонков. Он состоит из трех морфологически различных областей: пульпозного ядра (ПЯ), фиброзного кольца (ФК) и концевых хрящевых пластин (КХП). Центральная область МПД — ПЯ, которое окружено ФК сбоку и КХП ниже и выше [1]. Такое расположение позволяет дискам облегчить движение и гибкость [2]. Стоит отметить, что МПД принадлежит к самой крупной аваскулярной структуре тела, капилляры которой снабжают только внешнюю сторону ФК, а также верхнюю и нижнюю поверхности диска через КХП [3]. Кроме того, в МПД нервные окончания достигают только периферии ФК [4]. Из-за этих структурных особенностей МПД подвержен дегенерации. Дегенерация межпозвонкового диска (ДМД) является одной из основных причин болей в пояснице, которые составляют глобальное бремя с серьезной медицинской помощью и социально-экономическими издержками [5]. Несмотря на то что лечение ДМД значительно продвинулось за последнее десятилетие, многие пациенты все еще не достигают устойчивой ремиссии. Этиология ДМД является многофакторной, включая генетическую предрасположенность, образ жизни (например, тип занятий, курение, употребление алкоголя) и старение [6, 7]. Основные молекулярные и клеточные механизмы ДМД до сих пор в значительной степени неизвестны. Таким образом, все большее число исследований подтверждает наблюдение, что клетки ПЯ играют важную роль в поддержании целостности межпозвоночных дисков МПД благодаря их роли в производстве коллагена II типа, аггрекана и других компонентов внеклеточного матрикса (ВКМ) [8, 9].

Фактически miRNAs являются исключительно универсальным механизмом подавления экспрессии и поэтому задействованы в регуляции широкого спектра клеточных процессов (по разным оценкам от 30 до 60 % генов человека являются мишенями микроРНК) [10, 11]. Экспрессия miRNAs имеет как пространственную, так и временную специфичность, наряду с тканевой и клеточной специфичностью [12]. Они играют важную роль в различных патологических состояниях, таких как рак, нейродегенерация и старение [13, 14]. Недавние исследования показали, что miRNAs могут участвовать в пролиферации, дифференцировке и апоптозе клеток и, таким образом, участвовать в более широких процессах [15, 16]. Недавний прогресс в биологии показал, что miRNAs не регулируются при различных типах рака. Таким образом, miRNAs имеют значительный потенциал, чтобы стать предметом исследований для профилактики и лечения ДМД, особенно для нацеливания на связанные с ДМД клеточные процессы, такие как пролиферация клеток ПЯ и апоптоз.

MiRNAs РЕГУЛИРУЮТ АПОПТОЗ КЛЕТОК ПУЛЬПОЗНОГО ЯДРА

Апоптоз, также известный как запрограммированная гибель клеток типа I, характеризуется концентрацией хромосом, сокращением клеток, деградацией ДНК и формированием апоптотического тела и требует участия каспаз. Существует большое количество доказательств, подтверждающих, что апоптоз существует не только во множестве физиологических процессов, но также широко вовлекается во многие патологические дегенеративные заболевания, такие как остеоартрит, нейродегенерация и дегенерация МПД [17, 18]. Ячейки ПЯ играют решающую роль в поддержании структурной стабильности МПД посредством синтеза компонентов КХП, чтобы противостоять механическим нагрузкам. В настоящее время связанное с апоптозом уменьшение числа клеток ПЯ рассматривается как важный механизм дегенерации МПД [19, 20]. Доказано, что miR-494 участвует в контроле клеточного апоптоза при различных патологических состояниях, включая ишемию и многочисленные раковые заболевания [21–23]. Недавнее исследование продемонстрировало, что обработка клеток ПЯ с помощью фактора некроза опухоли-α (ФНОα) значительно увеличивает скорость апоптоза в зависимости от концентрации и времени [24]. Однако обнаружено, что глушение miR-494 с помощью векторной инфекции, вызванной лентивирусным ингибитором miR-494, усиливает экспрессию JunD (член семейства Jun.) и затем подавляет апоптотическую передачу цитохрома С, что приводит к ингибированию ФНОα-индуцированного апоптоза клеток ПЯ [24]. Кроме того, анализ репортеров с двойной люциферазой идентифицировал JunD как прямую мишень для miR-494 [24]. Эти результаты показывают, что miR-494 играет важную роль в развитии апоптоза клеток ПЯ, и доставка ингибиторов miR- 494 in vivo может иметь потенциальную терапевтическую пользу для пациентов с дегенеративным заболеванием диска. Сообщалось, что miR-27a высоко экспрессируется в дегенеративных клетках ПЯ [25]. Передача сигналов PI3K/AKT является каскадом событий, включающих регуляцию множественных клеточных процессов, включая рост, пролиферацию, миграцию и адгезию клеток [26], и этот путь активируется в ходе дегенерации диска [27]. Воздействие на клетки ПЯ miR-27a приводит к заметному снижению экспрессии PI3K путем непосредственного нацеливания на его 3ʹ-UTRs, что устраняется мутацией сайтов связывания miR-27a, в результате чего PI3K становится новой мишенью для miR-27a [25]. Более того, активация miR-27a способна резко стимулировать апоптоз клеток ПЯ путем ингибирования сигнального пути PI3K/AKT [25]. Таким образом, miR-27a функционирует в качестве индуктора апоптоза клеток ПЯ, и подавление miR-27a может привести к разработке нового вмешательства для лечения ДМД посредством блокирования апоптоза в клетках ПЯ. В дополнение к miR-494 и miR-27a, miR-155 участвует в регуляции апоптотической передачи сигналов и иммунологических ответов. miR-155 является многофункциональной микроРНК и дифференциально экспрессируется в различных тканях и клетках [28, 29]. В дегенеративных клетках ПЯ наблюдается заметное снижение уровней miR-155 по сравнению с нормальными клетками ПЯ [30]. Сверхэкспрессия miR-155 в клетках ПЯ посредством трансфекции лентивирусным pre-miR-155 приводит к подавлению Fas-ассоциированного белка, содержащего домен смерти (FADD) и каспазы-3; тогда как глушение miR-155 с лентивирусным ингибитором микроРНК-155 приводит к усилению FADD и каспазы-3 [30]. Более того, сочетание гибридизации in situ и иммуногистохимии показало, что miR-155 существует в цитоплазме клеток ПЯ, демонстрируя отрицательную корреляцию с FADD и каспазой-3 [30]. Эти наблюдения предполагают, что FADD и каспаза-3 действуют как гены-мишени miR-155. Кроме того, Fas-опосредованный апоптоз значительно увеличивается при антагонизировании miR-155, но уменьшается в присутствии pre-miR-155 в этих клетках [30]. В целом, miR-155 защищает клетки ПЯ от апоптоза, способствуя замедлению прогрессирования ДМД. Подобно клеткам ПЯ, потеря клеток ФК тесно связана с началом дегенерации МПД. Тем не менее до сих пор не хватает исследований, касающихся влияния miRNAs на апоптоз клеток ФК. Следовательно, будущие исследования в этой области могут оказаться многообещающими.

MiRNAs И ПРОЛИФЕРАЦИЯ КЛЕТОК ПУЛЬПОЗНОГО ЯДРА

Растущее число исследований продемонстрировало, что образование кластеров клеток ПЯ и их аберрантная пролиферация играют решающую роль при ДМД [27]. Дополнительные данные показали, что miRNAs играют важную роль в контроле пролиферации клеток ПЯ путем посттранскрипционной регуляции ряда генов [31]. Предыдущие исследования доказали, что miR-10b участвует в регуляции пролиферации в клетках различных типов, особенно в раковых клетках, таких как рак молочной железы, поджелудочной железы и желудка [32–34]. Он также не регулируется в этих раковых заболеваниях, и его уровни тесно связаны с прогрессированием опухоли и патологической степенью [35, 36]. Кроме того, наши предыдущие результаты показали, что miR-10b значительно подавляется в клеточных линиях и тканях рака желудка, что продемонстрировано количественной ПЦР в реальном времени. Сверхэкспрессия miR-10b в клетках MGC-803 и HGC-27 резко подавляет пролиферацию, миграцию и инвазию клеток и индуцирует апоптоз [37]. Подобно его роли в раке, miR-10b активируется в дегенеративных тканях ПЯ и значительно связан со степенью дегенерации диска. Более того, сверхэкспрессия miR-10b значительно увеличивает пролиферацию клеток ПЯ. MiR-10b способствует пролиферации клеток ПЯ путем прямого воздействия на HOXD10, а также индуцирует фосфорилирование Akt RhoC-зависимым образом [38]. MiR-21 чаще всего дисрегулируется при различных типах рака человека, таких как рак молочной железы, легких, печени и желудка, и было показано, что он вовлечен во множественные клеточные процессы, включая миграцию, дифференцировку, пролиферацию, апоптоз и инвазию [39, 40]. H. Liu et al. сообщили, что miR-21 был активирован в дегенеративных тканях человека по сравнению с нормальным ПЯ [41]. Более того, усиленная экспрессия miR-21 способствует пролиферации клеток ПЯ. В связи с этим избыточная экспрессия miR-21 приводила к повышенному фосфорилированию Akt путем прямого воздействия на PTEN. Кроме того, влияние miR-21 на пролиферацию клеток ПЯ и индукцию циклина D1 в клетках ПЯ может блокироваться Ly294002 (ингибитор AKT).

MiRNAs РЕГУЛИРУЮТ РЕГЕНЕРАЦИЮ ВНЕКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА

Основными компонентами ВКМ на дисках являются коллагены и протеогликаны. Ткани ПЯ представляют собой желатиновую матрицу, которая богата коллагеном типа II (Col II) и протеогликанами, особенно аггреканом [42]. Ткани ФК представляют собой толстую плотную структуру, которая разделена на внешнее и внутреннее кольца. Во внешнем кольце существует большое количество коллагена типа I (Col I) и относительно низкое содержание протеогликана. Тем не менее внутреннее кольцо содержит как Col I, так и Col II, с большим количеством протеогликана. В здоровом диске скорости синтеза и деградации ВКМ находятся в равновесии. Когда катаболизм ВКМ преобладает над его анаболизмом, обычно происходит дегенерация диска [43]. Таким образом, прогрессирующая потеря коллагенов и протеогликанов считается основной патологической особенностью иододефицитных заболеваний. Матричные металлопротеиназы (ММП) являются основными ферментами, которые разлагают компоненты ВКМ. Многие члены ММП высоко экспрессируются в дегенеративных тканях МПД, и их уровни положительно коррелируют со степенью дегенерации диска [44–46]. Уже сообщалось, что ФНОα, интерлейкин-1β и фактор роста нервов способствуют разрушению ВКМ и прогрессированию ДМД, повышая экспрессию ММП [47–49]. Напротив, защитные эффекты ряда лекарств, действующих против дегенерации диска, включая ресвератрол, пентозан-полисульфат, глюкозамин, улинастатин и лигустразин, получены от их способности ингибировать экспрессию ММП. Учитывая широкие биологические функции miRNAs, неудивительно, что некоторые из них участвуют в регуляции экспрессии ММП в МПД. J. Chen et al. установили, что толщина желтых связок и экспрессия коллагена типов I и III, а также miR-155 были выше у пациентов со стенозом поясничного отдела позвоночника, чем у пациентов с грыжей поясничного диска [50]. С этой целью уровень экспрессии miR-155 положительно коррелировал с толщиной желтой связки и уровнями коллагена типов I и III. Сверхэкспрессия miR-155 увеличивала экспрессию мРНК и белка коллагенов I и III в фибробластах, выделенных из желтой связки, в то время как подавленная экспрессия miR-155 имела противоположные эффекты. Передача сигналов протеинкиназы C, основного регулятора хондрогенной дифференцировки, также участвует в патологическом ремоделировании ВКМ. E. Tsirimonaki et al. продемонстрировали, что активация протеинкиназы С индуцировала активацию miR-377 [51].

ВЫВОДЫ И БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

В этом обзоре мы суммировали роль miRNAs в функции клеток ПЯ и их вклад в ДМД. Начало и развитие ДМД является многофакторным и сложным процессом. Хотя существует неполное понимание путей и мишеней miRNA при ДМД, ясно, что ряд miRNAs дифференциально экспрессируются в дегенеративных тканях и клетках МПД человека. Среди них было показано, что некоторые miRNAs играют положительную или отрицательную роль в прогрессировании дегенерации диска, регулируя апоптоз, ремоделирование ВКМ, пролиферацию клеток и воспалительный ответ. Таким образом, эти измененные miRNAs могут быть использованы в качестве новых диагностических и прогностических биомаркеров ДМД. Учитывая, что большинство miRNAs имеют несколько мишеней, идентификация всех мишеней ДМД, связанных с miRNA, также важна для установления их вклада при дегенерации. Если эти miRNAs-мишени играют критическую роль в патогенезе ДМД, мы ожидаем, что применение ингибиторов или мимиков miRNA приведет к биологически индуцированной репарации дисков. Остается неясным, оказывают ли miRNAs влияние на патологические процессы во время дегенерации диска. Насколько нам известно, основанный на miRNA терапевтический потенциал для дегенерации диска в основном является результатом экспериментов in vitro. По-прежнему не хватает исследований, выполненных на животных и пациентах с дегенеративным заболеванием диска. Таким образом, срочно необходимы как доклинические, так и клинические испытания для лучшего определения эффективности и безопасности терапии, нацеленной на miRNA. Основные подходы к доставке miRNAs in vivo в настоящее время заключаются во внутривенной и внутрибрюшинной инъекциях. Однако из-за чрезвычайно гидрофильной природы miRNAs и их чувствительности к деградации рибонуклеазы эти два метода могут значительно снизить способность микроРНК проникать в клетки-мишени. Недавно было разработано несколько новых стратегий доставки для уменьшения разрушения miRNAs, особенно наночастиц, которые характеризуются улучшенной стабильностью, чрезвычайно малым размером, биосовместимостью и самосборкой. Наночастицы могут потенциально эффективно доставлять miRNAs в клетки-мишени [52]. Отвечая на эти и многие другие вопросы, мы будем ближе к разработке целенаправленной терапии miRNA для того, чтобы способствовать биологически индуцированному восстановлению диска, тем самым предоставляя альтернативу хирургическому вмешательству для ранней стадии дегенерации диска.

About the authors

Ozal Arzuman Beylerli

Bashkir State Medical University

Author for correspondence.
Email: obeylerli@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6149-5460

MD, postgraduate student of the Department of Urology with the course IPDE

Russian Federation, Rep. Bashkortostan, Ufa

Ilgiz F. Gareev

Bashkir State Medical University

Email: ilgiz_gareev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4965-0835

MD, postgraduate student of the Department of Neurosurgery and Medical Rehabilitation with Courses IPDE

Russian Federation, Rep. Bashkortostan, Ufa

Valentin N. Pavlov

Bashkir State Medical University

Email: pavlov@bashgmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2125-4897

MD, PhD, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Rector, Head of the Department of Urology with the Course IPDE

Russian Federation, Rep. Bashkortostan, Ufa

References

Supplementary files