IF 10.787｜上海長征醫院史建剛教授團隊發現USP11可能是椎間盤退變的治療靶點

2023年，海軍軍醫大學第二附屬醫院（上海長征醫院）史建剛教授團隊在Redox Biology（IF 10.787）上發表了題為“The deubiquitinase USP11 ameliorates intervertebral disc degeneration by regulating oxidative stress-induced ferroptosis via deubiquitinating and stabilizing Sirt3 ”的研究論文。研究發現USP11和Sirt3通過調節氧化應激誘導的鐵死亡作用在椎間盤退變（IVDD）病理過程中發揮重要作用，USP11介導的氧化應激誘導鐵死亡作用可能是治療IVDD的一個有前途的靶點。

01研究背景

腰痛（LBP）是指存在于腰部和骶部之間的疼痛或不適，越來越多的研究表明椎間盤退變（IVDD）是導致LBP的主要因素。因此，研究IVDD的確切發病機制和開發靶向性分子藥物具有重要意義。鐵死亡是一種新的程序性細胞死亡形式，其特征是谷胱甘肽(GSH)耗竭和抗氧化系統GPX4調控核心失活，氧化應激與鐵死亡的密切關系已在各種疾病中得到研究，但在IVDD中氧化應激與鐵死亡之間的相互作用尚未探究。

02研究結果分享

1、Sirt3的敲除促進IVDD和不良疼痛相關行為評分

作者研究發現IVDD后Sirt3的表達減少，并發生鐵死亡。接著，作者通過形態學檢測進一步探討了Sirt3的KO對LSI誘導的IVDD的影響，HE和SF結果以及退化性評分表明，與WT組相比，Sirt3的KO可促進IVDD的發展。此外，Sirt3的KO促進ACAN的高表達和MMP3的低表達。小鼠腰椎的MRI成像顯示，Sirt3的KO導致更嚴重的IVDD，隨著IVDD持續時間的增加，Sirt3^?/?組的疼痛相關行為評分顯著降低。綜上，Sirt3的KO促進了IVDD和不良疼痛相關行為評分。

2、Sirt3的KO增加氧化應激誘導的鐵死亡

作者利用NP細胞在體外研究了Sirt3的KO對氧化應激的影響，TBHP處理后，抗氧化應激基因下調，而Sirt3的KO會加劇這些基因的下調；此外，Sirt3-KO加劇TBHP處理后超氧化物上調的情況。隨后，探究了Sirt3的KO對氧化應激誘導的鐵死亡的影響，發現TBHP處理后，Sirt3的缺失加劇了氧化應激誘導的鐵死亡，而10 mM的特異性氧化應激抑制劑N-乙酰-L-半胱氨酸乙酯（NAC）可以逆轉這種情況。與TBHP組相比，NAC預處理組的鐵死亡有所改善，表明鐵死亡是由氧化應激誘導的。TEM結果表明，伴隨TBHP的給藥，Sirt3-KO組線粒體形態變化最大，NAC部分逆轉了這種變化。以上表明，Sirt3的KO在體外增加了氧化應激誘導的鐵死亡。進一步研究發現USP11與Sirt3相互作用，并且相互作用依賴于USP11的M2結構域和Sirt3的M2結構域。

3、USP11抑制Sirt3的泛素化和降解

根據先前的研究，作者發現正常USP11的過表達可以上調Sirt3的表達，而具有C318S突變的USP11過表達則不能，推測USP11可以去泛素化Sirt3，從而穩定Sirt3的表達，結果證實了USP11對Sirt3具有去泛素化作用。接下來，作者利用AAV-USP11在小鼠中過表達USP11。與野生小鼠相比，在USP11^-/-小鼠的IVDD中，Sirt3的去泛素化被消除，但在注射AAV-USP11的小鼠中觀察到Sirt3更高水平的去泛素化和表達。接下來，為研究USP11對Sirt3多泛素修飾的影響，根據先前的研究,將Ub不同位點的賴氨酸殘基突變為精氨酸（K27R、K48R或K63R）,發現Lys48連接的多泛素化對于USP11調節的Sirt3去泛素化是必要的。綜上，USP11通過去泛素化Sirt3來抑制Sirt3降解。

4、USP11通過增加Sirt3來改善鐵死亡并減輕IVDD

為證實USP11通過增強Sirt3的表達對IVDD過程中鐵死亡的調節作用，在小鼠NP細胞中過表達USP11或敲低Sirt3表達，WB結果表明，敲低Sirt3加劇了鐵死亡事件，而過表達USP11可以改善鐵死亡。過表達USP11后，線粒體形態保持良好，而敲低Sirt3線粒體嵴明顯減少，此外，USP11過表達可以部分逆轉Sirt3敲低導致的脂質過氧化增強，并減輕IVDD。以上結果表明USP11通過增加Sirt3改善鐵死亡，緩解IVDD。進一步研究發現，Sirt3抑制由USP11缺失誘導的IVDD，從而改善體內疼痛相關的行為評分。