IF 10.787｜上海长征医院史建刚教授团队发现USP11可能是椎间盘退变的治疗靶点

2023年，海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）史建刚教授团队在Redox Biology（IF 10.787）上发表了题为“The deubiquitinase USP11 ameliorates intervertebral disc degeneration by regulating oxidative stress-induced ferroptosis via deubiquitinating and stabilizing Sirt3 ”的研究论文。研究发现USP11和Sirt3通过调节氧化应激诱导的铁死亡作用在椎间盘退变（IVDD）病理过程中发挥重要作用，USP11介导的氧化应激诱导铁死亡作用可能是治疗IVDD的一个有前途的靶点。

01研究背景

腰痛（LBP）是指存在于腰部和骶部之间的疼痛或不适，越来越多的研究表明椎间盘退变（IVDD）是导致LBP的主要因素。因此，研究IVDD的确切发病机制和开发靶向性分子药物具有重要意义。铁死亡是一种新的程序性细胞死亡形式，其特征是谷胱甘肽(GSH)耗竭和抗氧化系统GPX4调控核心失活，氧化应激与铁死亡的密切关系已在各种疾病中得到研究，但在IVDD中氧化应激与铁死亡之间的相互作用尚未探究。

02研究结果分享

1、Sirt3的敲除促进IVDD和不良疼痛相关行为评分

作者研究发现IVDD后Sirt3的表达减少，并发生铁死亡。接着，作者通过形态学检测进一步探讨了Sirt3的KO对LSI诱导的IVDD的影响，HE和SF结果以及退化性评分表明，与WT组相比，Sirt3的KO可促进IVDD的发展。此外，Sirt3的KO促进ACAN的高表达和MMP3的低表达。小鼠腰椎的MRI成像显示，Sirt3的KO导致更严重的IVDD，随着IVDD持续时间的增加，Sirt3^−/−组的疼痛相关行为评分显著降低。综上，Sirt3的KO促进了IVDD和不良疼痛相关行为评分。

2、Sirt3的KO增加氧化应激诱导的铁死亡

作者利用NP细胞在体外研究了Sirt3的KO对氧化应激的影响，TBHP处理后，抗氧化应激基因下调，而Sirt3的KO会加剧这些基因的下调；此外，Sirt3-KO加剧TBHP处理后超氧化物上调的情况。随后，探究了Sirt3的KO对氧化应激诱导的铁死亡的影响，发现TBHP处理后，Sirt3的缺失加剧了氧化应激诱导的铁死亡，而10 mM的特异性氧化应激抑制剂N-乙酰-L-半胱氨酸乙酯（NAC）可以逆转这种情况。与TBHP组相比，NAC预处理组的铁死亡有所改善，表明铁死亡是由氧化应激诱导的。TEM结果表明，伴随TBHP的给药，Sirt3-KO组线粒体形态变化最大，NAC部分逆转了这种变化。以上表明，Sirt3的KO在体外增加了氧化应激诱导的铁死亡。进一步研究发现USP11与Sirt3相互作用，并且相互作用依赖于USP11的M2结构域和Sirt3的M2结构域。

3、USP11抑制Sirt3的泛素化和降解

根据先前的研究，作者发现正常USP11的过表达可以上调Sirt3的表达，而具有C318S突变的USP11过表达则不能，推测USP11可以去泛素化Sirt3，从而稳定Sirt3的表达，结果证实了USP11对Sirt3具有去泛素化作用。接下来，作者利用AAV-USP11在小鼠中过表达USP11。与野生小鼠相比，在USP11^-/-小鼠的IVDD中，Sirt3的去泛素化被消除，但在注射AAV-USP11的小鼠中观察到Sirt3更高水平的去泛素化和表达。接下来，为研究USP11对Sirt3多泛素修饰的影响，根据先前的研究,将Ub不同位点的赖氨酸残基突变为精氨酸（K27R、K48R或K63R）,发现Lys48连接的多泛素化对于USP11调节的Sirt3去泛素化是必要的。综上，USP11通过去泛素化Sirt3来抑制Sirt3降解。

4、USP11通过增加Sirt3来改善铁死亡并减轻IVDD

为证实USP11通过增强Sirt3的表达对IVDD过程中铁死亡的调节作用，在小鼠NP细胞中过表达USP11或敲低Sirt3表达，WB结果表明，敲低Sirt3加剧了铁死亡事件，而过表达USP11可以改善铁死亡。过表达USP11后，线粒体形态保持良好，而敲低Sirt3线粒体嵴明显减少，此外，USP11过表达可以部分逆转Sirt3敲低导致的脂质过氧化增强，并减轻IVDD。以上结果表明USP11通过增加Sirt3改善铁死亡，缓解IVDD。进一步研究发现，Sirt3抑制由USP11缺失诱导的IVDD，从而改善体内疼痛相关的行为评分。