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小鼠模型中Smurf2异位表达与年龄相关性椎间盘退变加速

Qiuqian吴 神经外科,转化医学研究所,贝开云体育app官方网站下载入口勒斯科特和怀特卫生系统,坦普尔,德克萨斯州

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客观的

腰椎间盘退变是一种与年龄有关的过程,是腰痛的主要原因。虽然腰痛是老年人群中非常常见的临床问题,但由于缺乏对椎间盘退变分子机制的了解,目前尚无有效的治疗方法。本研究的目的是表征由II型α - 1胶原驱动的Smurf2的异位表达(Col2a1)启动子改变小鼠椎间盘退变过程中椎间盘细胞表型和相关细胞事件、基质合成和基因表达。

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表征Smurf2异位表达在Col2a1-启动子工作细胞影响椎间盘退变过程,作者对野生型和野生型腰椎标本进行了组织学和免疫组织化学分析Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(每个年龄组n≥6只)。为了阐明smurf2介导的椎间盘退变的分子机制,作者从WT和Col2a1-Smurf2采用Western blot和实时RT-PCR(逆转录聚合酶链反应)检测感兴趣靶点的蛋白和mRNA水平。

结果

作者证明,大约30%的WT小鼠在10-12月龄时开始出现椎间盘退变,并且椎间盘退变过程在3-6月龄时加速Col2a1-Smurf2转基因小鼠。在转基因圆盘中,内环的软骨细胞样细胞增殖、成熟和纤维化组织形成通常伴随着外环的成纤维细胞向软骨细胞的分化。转基因椎间盘中的软骨细胞样细胞表达的结缔组织生长因子(CTGF)水平高于WT对应体。

结论

研究结果表明,Smurf2的异位表达是由Col2a1启动子加速椎间盘退变Col2a1-Smurf2转基因小鼠的CTGF蛋白和mRNA水平较高Col2a1-Smurf2表明Smurf2通过上调CTGF加速椎间盘退变。

缩写

Col2a1 = II型胶原α 1 ; 结缔组织生长因子 ; OCT =最佳切削温度化合物 ; 逆转录聚合酶链反应 ; 转化生长因子-β ; 野生型

客观的

腰椎间盘退变是一种与年龄有关的过程,是腰痛的主要原因。虽然腰痛是老年人群中非常常见的临床问题,但由于缺乏对椎间盘退变分子机制的了解,目前尚无有效的治疗方法。本研究的目的是表征由II型α - 1胶原驱动的Smurf2的异位表达(Col2a1)启动子改变小鼠椎间盘退变过程中椎间盘细胞表型和相关细胞事件、基质合成和基因表达。

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表征Smurf2异位表达在Col2a1-启动子工作细胞影响椎间盘退变过程,作者对野生型和野生型腰椎标本进行了组织学和免疫组织化学分析Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(每个年龄组n≥6只)。为了阐明smurf2介导的椎间盘退变的分子机制,作者从WT和Col2a1-Smurf2采用Western blot和实时RT-PCR(逆转录聚合酶链反应)检测感兴趣靶点的蛋白和mRNA水平。

结果

作者证明,大约30%的WT小鼠在10-12月龄时开始出现椎间盘退变,并且椎间盘退变过程在3-6月龄时加速Col2a1-Smurf2转基因小鼠。在转基因圆盘中,内环的软骨细胞样细胞增殖、成熟和纤维化组织形成通常伴随着外环的成纤维细胞向软骨细胞的分化。转基因椎间盘中的软骨细胞样细胞表达的结缔组织生长因子(CTGF)水平高于WT对应体。

结论

研究结果表明,Smurf2的异位表达是由Col2a1启动子加速椎间盘退变Col2a1-Smurf2转基因小鼠的CTGF蛋白和mRNA水平较高Col2a1-Smurf2表明Smurf2通过上调CTGF加速椎间盘退变。

Cartilage是一种特殊类型的结缔组织。根据其在体内的位置,软骨的功能分为生长板软骨、纤维软骨或关节软骨。生长板软骨是短暂的,在发育过程中通过软骨内成骨过程负责长骨延长,该过程包括间充质细胞-软骨细胞分化(软骨发生)、软骨细胞增殖和基质合成、软骨细胞成熟为肥厚软骨细胞以及骨替代肥厚组织。关节软骨覆盖在长骨的末端,在出生后的整个生命中都处于稳定的状态。5112930.44然而,在骨关节炎期间,关节软骨细胞再现了软骨内成骨过程中生长板中正常发生的成熟过程。164045导致关节软骨退化。纤维软骨独特地位于特定的关节空间内,以确保平滑的关节和应力吸收。例如,膝关节的半月板和椎间关节的椎间盘是人体主要的纤维软骨组织。它们具有复杂的几何形状和高度有序的矩阵结构,这是组织正常功能所必需的。

半月板在其细胞组成和微观结构上表现出区域和区域差异。151835半月板呈楔形,位于胫骨关节面周围。24半月板外三分之二为纤维软骨,纤维母细胞呈梭状,主要表达I型胶原蛋白和少量II型胶原蛋白及蛋白多糖。半月板的内三分之一由关节软骨组织组成,其中圆形的软骨细胞平衡缓慢的基质周转。3639

与半月板类似,椎间盘在不同区域的细胞表型和基质结构也各不相同。9103134椎间盘由一个纤维环、一个髓核核心和2个终板组成。外环由高度有序的胶原片组成,其中I型胶原纤维与细长的成纤维细胞排列在一起。34内环与外环不同,含有球形细胞,层间距更宽,II型胶原蛋白和蛋白多糖含量更高。931中央细胞核是一种水凝胶状组织,主要由蛋白聚糖和II型胶原蛋白组成。核中高度带负电荷的糖胺聚糖提供渗透特性,使核能够在抗压缩载荷下保持高度和膨胀。2342产生和维持核基质的核细胞是较大的脊索细胞群和相对较小的软骨细胞样细胞。23终板位于椎间盘和相邻椎骨的关节面,20.是一层关节软骨样组织,内含软骨细胞样细胞,嵌入软骨基质内。椎环、椎核和终板相互连接,形成脊柱运动节段最重要的部分。

腰痛是一个非常常见的临床问题,通常是由腰椎间盘退变引起的。121420.椎间盘退变早在生命的第二个十年就开始了,是衰老的必然结果。4因此,很难区分椎间盘老化和退变的生理过程;然而,当观察到椎间盘的结构失效并伴有加速或恶化的衰老迹象时,椎间盘被认为是退行性椎间盘。2椎间盘老化/退变的过程已经在宏观和组织学水平上得到了清楚的描述。例如,随着年龄的增长,细胞核中的水分含量减少,胶原蛋白含量增加。裂缝和撕裂首先发生在细胞核和终板,然后延伸到环空,在老化/退变的椎间盘中经常发现环核边界和终板浅层的丢失、成纤维细胞-软骨细胞分化、软骨细胞克隆和环向核的迁移。在椎间盘退变的晚期,结构失败的修复导致瘢痕或纤维化组织的形成,这一过程导致结构失败的进展而不是修复。472733关于椎间盘老化或结构破坏进程的调节,我们所知甚少。已知当成纤维细胞持续高表达CTGF时,结缔组织生长因子(CTGF)及其表达诱导剂转化生长因子-β (tgf -β)是皮肤创面愈合和纤维化形成过程中结缔组织再生的关键因子。1719然而,在椎间盘老化或退变过程中,CTGF的表达是在退行性椎间盘细胞中改变,还是在易成为退行性或纤维化组织的细胞中改变,目前尚不清楚。

我们之前已经证明,在II型胶原α 1的控制下,E3泛素连接酶Smurf2的异位表达(Col2a1)启动子诱发成人膝关节骨关节炎Col2a1-Smurf2转基因小鼠。45我们发现当关节软骨在Col2a1-Smurf2转基因小鼠的半月板也发生了类似的变化。因此,我们认为Col2a1-Smurf2转基因小鼠可能表现为椎间盘退变表型。本研究的目的是表征Smurf2的异位表达Col2a1小鼠的-启动子工作细胞改变了椎间盘表型及其相关机制。

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Col2a1-Smurf2转基因小鼠

我们之前生成了3行Col2a1-Smurf2通过克隆flag标记的人Smurf2 cDNA下游II型α 1 (Col2a1)启动子。45我们最近使用的材料和方法与之前的研究类似,开云体育世界杯赔率45包括flag标记的Smurf2 cDNA (Addgene)和Col2a1启动子(Yoshihiko Yamada, NIH/NIDCR),除了Smurf2 cDNA片段被注射到受精的C57BL/6卵母细胞(Cyagen Biosciences)。Smurf2异位表达的细胞Col2a1启动子的Col2a1-Smurf2用抗flag M2抗体(Sigma)免疫染色鉴定转基因小鼠。染色阳性细胞为软骨细胞、骨前体细胞和纤维软骨细胞,与先前的报道一致。374145

组织和免疫组织化学分析样品的处理

在小鼠中进行的所有程序均按照机构动物护理和使用委员会批准的动物方案中提出的政策和指导方针进行。如前所述,制备成年小鼠膝关节和腰椎组织进行组织学检查。4345简单地说,成年小鼠膝关节和腰椎组织固定,脱钙,并包埋在石蜡或最佳切割温度化合物(OCT)中。分别取5 μm厚的石蜡切片和10 μm厚的OCT切片,在膝关节和椎体正中矢状区每隔30 μm取4-6个连续矢状石蜡切片。每组至少6只;如前所述,每个样品的3个切片用红素- o - fast绿色(蛋白多糖为红色)和阿利新蓝- h和E(软骨为蓝色)染色。4445表型根据腰椎间盘年龄相关变化的分类进行评估。7如前所述,对OCT切片进行抗ctgf (ab6992, abcam)染色。45

Western Blot分析

用放射免疫沉淀法(RIPA)缓冲液从未培养的新鲜分离的盘状细胞中提取蛋白质。根据以往的报道,我们采用了一种改良的方法分离椎间盘细胞。3.13简单地说,在解剖显微镜下,每组6只小鼠分离腰椎间盘,用0.2% (w/v) Pronase (Roche)在37°C下消化1小时,然后用0.02% (w/v) collagenase (Sigma)在DMEM/F-12中消化。通过70 μm过滤器过滤消化后的混合物,收获细胞。10-15 μg的蛋白通过SDS-PAGE分离,抗ctgf抗体(ab6992, abcam)印迹,BioMax XAR膜(Carestream)曝光显示。

实时逆转录聚合酶链反应

用TRIzol从类似于Western blot的细胞中提取总RNA。利用SuperScript IV逆转录酶(ThermoFisher Scientific)将RNA逆转录为cDNA。实时逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)进行如上所述45使用SYBR Green。CTGF的引物为5′-CTG TCAAGTTTGAGCTTTCTGG-3′和5′-GGACTCA AA GATGTCATTTGTCC-3′;22TGF-β1的引物分别为5′-TGCTCGCTTTGTACAACAGCA-3′和5′-G GT TTT CTCATAGATGGCGTTG-3′。

结果

野生型和半月板的老化和退化Col2a1-Smurf2转基因小鼠

我们之前的研究表明,异位表达的Smurf2驱动Col2a1启动子诱导成人膝关节软骨退变和骨赘形成Col2a1-Smurf2转基因小鼠。4345同时,我们还发现这些小鼠的半月板退行性变的进展速度与关节软骨退行性变相似(图1).45具体来说,野生型(WT)小鼠在2月龄和6月龄时,半月板内三分之一的关节软骨样组织含有圆形软骨细胞,这些软骨细胞嵌入软骨基质(图1A和C).但在2月龄时,蛋白聚糖含量下降,软骨基质相应部位出现钙化Col2a1-Smurf2转基因小鼠(图1 b),这些表型变化在6个月大的转基因小鼠中有所进展。如:软骨基质蛋白聚糖含量减少、钙化区域扩大,半月板软骨表面出现裂隙(图1 d).8月龄WT小鼠半月板内关节软骨样组织出现蛋白多糖减少和基质钙化(图1 e),其程度与2个月大转基因小鼠(图1,E与B的比较).在年龄匹配的Col2a1-Smurf2然而,转基因小鼠的内三分之一区域,正常情况下是软骨状的,却变成了纤维化组织,类似于半月板根部的纤维化组织(图1 f).软骨形成和软骨内成骨(图1 f)常见于外纤维软骨区,并导致半月板外区扩大和关节周围的骨赘。45这些数据表明:1)在WT小鼠中,半月板变性是一个与年龄相关的过程;2) Smurf2异位表达Col2a1 -启动子工作细胞加速与年龄相关的半月板退化Col2a1-Smurf2转基因小鼠。

图1所示。
图1所示。

野生型(WT)小鼠半月板老化及半月板退化Col2a1-Smurf2转基因小鼠。对WT内侧关节室矢状面(A, C, E)和Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(B、D、F)。模拟:半月板内区发生钙化Col2a1-Smurf22个月和6个月大的转基因小鼠。星号A、C组为WT半月板内带关节软骨样组织;星号图B和图D为转基因半月板内区钙化软骨基质。E和F:WT的半月板老化和退化进展Col2a1-Smurf28个月大的转基因小鼠。WT半月板内三分之一发生钙化(E;星号)(9个标本中的6个)。转基因半月板内三分之一发生纤维化组织(F;细黑箭头),类似于半月板根部的纤维化组织(F;细蓝箭头).粗黑色箭头箭头图F分别为软骨形成中心和骨化中心。Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

椎间盘老化和退变在WT和Col2a1-Smurf2转基因小鼠

考虑到Smurf2在Col2a1 -启动子工作细胞诱导半月板变性Col2a1-Smurf2在转基因小鼠中,半月板与椎间盘的相似性促使我们对这些转基因小鼠椎间盘的表型变化进行研究。我们从不同年龄的小鼠身上采集腰椎,并对标本进行组织学和免疫组织化学分析。2月龄WT小鼠外环基质致密排列成片状,细胞呈梭状(图2一个).9内环内基质排列松散,细胞呈球形。20.细胞核内基质为凝胶状组织,有松散堆积的II型胶原原纤维。终板是一层关节软骨样组织,其表层含有II型胶原蛋白、蛋白聚糖和小扁平细胞(图2一个;也看到图4摄氏度).与2月龄WT小鼠的椎间盘比较,年龄相匹配Col2a1-Smurf2转基因小鼠表现出内环、细胞核和终板浅区蛋白多糖含量降低和终板厚度增加(图2 b).6月龄WT小鼠的椎间盘结构和基质成分与2月龄WT小鼠相似(图2 c).在年龄匹配的Col2a1-Smurf2然而,转基因小鼠的细胞核和终板中经常检测到环撕裂和基质破裂(图2 d).内环和细胞核中的蛋白多糖含量与WT对照体相比显著增加(图2,对比D和C),这通常被认为是开始修复的尝试,2类似于这些转基因小鼠关节软骨的改变。45在10个月或更大的WT小鼠中,超过三分之一的小鼠表现出某种程度的椎间盘退变(老化)。例如,在10个月大的小鼠(n = 3 / 8)中检测到内环和细胞核中蛋白多糖含量的增加(图2 e), 12月龄小鼠出现环撕裂和核基质破裂(n = 3 / 6) (图2 g).10- 12月龄WT小鼠衰老椎间盘的这些表型变化与6月龄小鼠相似Col2a1-Smurf2转基因小鼠(图2,E和G与D的比较).与10- 12月龄WT小鼠的局灶性和轻度椎间盘退变(椎间盘老化)相反,10月龄Col2a1-Smurf2转基因小鼠表现出整个细胞核降解(图2 f).到12个月时,核退化已扩展到终板以外的椎体钙化区(图2 h).这些数据表明椎间盘退变是一个与年龄相关的过程,6和Smurf2的异位表达Col2a1-启动子工作细胞大大加速了细胞的退化过程Col2a1-Smurf2转基因小鼠。

图2所示。
图2所示。

腰椎间盘退变Col2a1-Smurf2转基因小鼠。腰椎间盘WT (A, C, E, G)和Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(B、D、F和H)。A和B:2月龄小鼠转基因椎间盘中蛋白多糖含量降低。在WT小鼠(A) (n = 7)中,外环的基质为密集排列的带有纺锤状细胞的片层,内环的基质为松散排列的(A,箭头),球胞(A,黑色箭头).终板的表层是一层薄薄的富含蛋白多糖的组织(a;红色箭头).细胞核是一个凝胶状组织,主要含有蛋白聚糖(染色为红色)和松散堆积的II型胶原原纤维(a,星号).在转基因小鼠(B) (n = 7)中,终板厚度增加(B,黑色的箭头);内环、细胞核和终板的蛋白多糖含量降低。C和D:6月龄转基因小鼠的代偿性蛋白多糖合成。与WT圆盘(C)相比,转基因圆盘(D)内环、细胞核和终板的蛋白多糖含量增加(n = 7)。箭头D为环撕裂;箭头星号分别表示终板和细胞核的基质破裂。E和F:转基因小鼠10月龄时轻度椎间盘老化和细胞核退化。8只WT小鼠中有3只表现出内环和细胞核蛋白多糖含量增加(E)。转基因小鼠表现出严重的细胞核变性(F) (n = 6)。G和H:转基因小鼠12月龄时的椎间盘老化和严重的椎间盘退变。WT小鼠(G), 6只小鼠中有3只出现环撕裂(G;箭头)和核基质分解(G,箭头).在转基因小鼠(H, n = 6)中,细胞核降解从终板扩展到椎体生长板(H, n = 6)。箭头).星号(H)表示内环变性。蓝色箭头(H)表示外环成纤维细胞向软骨细胞分化。Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

异常软骨细胞分化和成熟导致椎间盘退变的进展Col2a1-Smurf2转基因小鼠

为了更好地了解椎间盘退变的过程,从10月龄时的核破裂到12月龄时的椎间盘扩展到终板以外的椎体Col2a1-Smurf2在转基因小鼠中,我们对11月龄小鼠的连续椎间盘切片进行组织学检查。终板中的软骨细胞增殖并形成柱状结构并迁移到细胞核内(图3B和B’).迁移组织前部出现裂口和撕裂,裂口和撕裂下方开始发育瘢痕/纤维化组织(图3 b”).同样,内环的软骨细胞样细胞也发生增殖,形成细胞团(图3C′和D′),转化为肥大的软骨细胞样细胞并迁移到细胞核中。在含有许多肥厚细胞的“肥厚样区”内发生大面积撕裂或组织破裂,相邻形成纤维化组织(图3C′和D′).与内环和终板软骨形成的同时,外环的细胞通常呈成纤维细胞样,主要表达I型胶原,分化为软骨细胞样细胞,表达软骨基质蛋白,如蛋白聚糖和II型胶原(无花果2 h。3 c,4 f).在八个月大Col2a1-Smurf2转基因小鼠,当椎间盘退变处于早期阶段时(即失去环核边界)[图4 b]和端板浅层的轻微破裂[图4 d]),我们观察到外环细胞变大变圆,但II型胶原蛋白表达不强(图4,B与A的比较).这些数据,以及12个月大的婴儿的数据Col2a1-Smurf2转基因小鼠显示成纤维细胞分化为软骨细胞的程度与椎间盘退行性分化程度平行。

图3所示。
图3所示。

异常的软骨细胞增殖和成熟导致椎间盘退变进展Col2a1-Smurf2转基因小鼠。得了:切片采用阿利新蓝h&e (AHE)染色。在11月龄的WT小鼠(A)中,AHE染色检测到外环撕裂(A,箭头)和核基质降解(A,星号)在完整的椎间盘中。11个月大的转基因小鼠(B和C) (B '和C '放大后的图像是盒装的地区在B和C中),终板软骨细胞增殖并形成柱状结构并向细胞核内迁移(B;星号;B”,黄色箭头);软骨组织前部区域形成裂隙和撕裂(B′;黄色箭头);裂隙和泪液下方开始形成纤维化组织(B ',红色箭头).环状软骨细胞样细胞形成细胞簇(C ';黄色箭头),其中细胞保留了它们的肥厚特征(C ',箭头).肥大样组织(C′,星号),相邻形成纤维化组织(C′,厚的箭头).薄的箭头厚的箭头C分别表示外环成纤维细胞-软骨细胞分化和最外环骨组织分化。D:C连续切片,但用Safranin-O染色快绿。厚的箭头D表示椎骨骺与外环之间结缔组织的成熟软骨。薄的箭头箭头星号,厚的箭头D '表示类似于C '中的结构。bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

图4所示。
图4所示。

ⅱ型胶原蛋白表达改变Col2a1-Smurf2转基因椎间盘。A和C:8月龄WT小鼠椎间盘II型胶原表达模式。面板A和C中的图像来自一个部分。II型胶原蛋白在环核边界高(A;黑色箭头)和端板浅层(C,黑色箭头).内环的球形细胞表达和沉积中等水平的II型胶原(A;箭头).在外环的梭形细胞中几乎检测不到II型胶原蛋白(A;红色箭头).端板浅层下的细胞小而扁平(C;红色箭头).B和D:8月龄转基因小鼠椎间盘环核边界和终板浅层的缺失。面板B和D中的图像来自一个部分。环核边界和富含II型胶原的浅层丢失(B和D;黑色的箭头).内环的球形细胞变大变圆,II型胶原的生成和沉积减少(B;蓝色箭头).外环细胞变为圆形软骨细胞样细胞,但没有明显的II型胶原表达(B,红色箭头).星号D表示原子核。E和F:成纤维细胞在12月龄转基因小鼠椎间盘中分化为软骨细胞样细胞。外环的梭形细胞在WT椎间盘中几乎不表达II型胶原(E;红色箭头).转基因椎间盘相应区域的细胞变成圆形软骨细胞样细胞,表达II型胶原(F;红色箭头).Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

CTGF在大鼠椎间盘组织中表达升高Col2a1-Smurf2转基因小鼠

考虑到CTGF在软骨细胞成熟中的作用,222628伤口愈合,纤维化疾病,1917腰椎间盘结构缺损附近瘢痕组织和纤维化的形成Col2a1-Smurf2可能是由于CTGF表达水平的增加。为了验证这一假设,我们通过免疫组织化学、Western blot和实时RT-PCR分析检测了腰椎间盘中CTGF的表达水平。6月龄WT小鼠标本抗CTGF抗体免疫染色显示外环成纤维细胞样细胞表达中等水平的CTGF (图5),内环和边界细胞中几乎检测不到这种染色。在相应的区域与年龄相匹配Col2a1-Smurf2然而,在外环由成纤维细胞样细胞分化而来的软骨细胞样细胞和增大的内环细胞中,CTGF的表达水平要高得多,这些细胞通常是小而球形的(图5 b).到10个月时,这些变化在内环更明显,即该区域的软骨细胞样细胞更圆,CTGF染色更强(图5 d).

图5所示。
图5所示。

CTGF在Col2a1-Smurf2转基因腰椎间盘。模拟:抗CTGF抗体冷冻切片免疫染色显示,6 ~ 10月龄转基因小鼠椎间盘中CTGF表达水平升高。在6月龄和10月龄的WT小鼠(A和C)中,在外成纤维细胞样细胞中检测到低或中等水平的CTGF表达(红色箭头);CTGF很少在内、边界细胞中检测到(星号).然而,在年龄匹配的转基因小鼠(B和D)中,CTGF的表达水平在外环从成纤维细胞分化的软骨细胞样细胞(红色箭头),并经常在内细胞和边界细胞(黑色的箭头).原始放大×40。例如:CTGF蛋白和mRNA水平升高Col2a1-Smurf2转基因圆盘细胞。从6只WT和6只转基因小鼠的腰椎间盘分离的椎间盘细胞中制备蛋白质提取物或总RNA,而无需进行细胞培养。艾凡:Western blot结果显示转基因盘状细胞中CTGF蛋白水平升高。SDS-PAGE分离10 ~ 15个μg蛋白,用抗ctgf抗体印迹。印迹带上方的值显示了Western印迹的密度分析结果(归一化为β-肌动蛋白)。F和G:real-time RT-PCR结果显示tgf - β1 (F)轻度升高,CTGF (G) mRNA水平显著升高。值为3个独立实验的平均值和扫描电镜。统计分析采用单因素方差分析和学生非配对t检验。*p < 0.05;**p < 0.01。图片仅在线提供彩色。

为了证实免疫组化结果,我们分析了转基因小鼠和野生型小鼠新鲜分离的椎间盘细胞中CTGF蛋白和mRNA的水平(图5 e).Western blot结果显示,CTGF (36 - 38kd)蛋白水平8在6和10个月大的椎间盘细胞中Col2a1-Smurf2显著高于相应的WT对照组(图5 e).同样,CTGF在类似转基因盘状细胞中的mRNA水平比相应WT对照高3倍(图5克).此外,10月龄WT小鼠的CTGF蛋白和mRNA水平略高于6月龄WT小鼠,10月龄和6月龄转基因小鼠(图5E和G),提示CTGF表达水平随着年龄和退行性程度的增加而增加,这与先前在人和小鼠椎间盘中的结果一致。63338

鉴于TGFβ在多种细胞中诱导CTGF表达的能力,192138我们检测了tgf - β mRNA水平是否升高Col2a1-Smurf2转基因圆盘细胞与WT对照细胞的比较。事实上,与WT对照细胞相比,在6个月大的小鼠的转基因盘状细胞中检测到TGFβ1 mRNA水平的微小但显著的增加,而不是8个月大的小鼠(图5 f).

讨论

在骨关节炎发展的过程中Col2a1-Smurf2转基因小鼠,4445内半月板软骨样组织在年轻和成年小鼠中表现出类似的变化,包括基质降解和钙化,而外半月板根是滑膜和囊附近的纤维化组织,在老年小鼠中表现出软骨形成和骨化(图1 f).结果表明,转基因小鼠的半月板变性是关节软骨变性的原发性而非继发性后果,因为关节软骨和半月板的变性几乎同时发生和进展。

鉴于半月板和椎间盘之间的相似性,半月板的退行性表型Col2a1-Smurf2转基因小鼠促使我们对转基因小鼠的椎间盘表型进行研究。通过比较细胞表型、基质组成和结构Col2a1-Smurf2转基因小鼠圆盘与不同年龄的WT对照组(无花果。- - - - - -4),我们发现WT小鼠的椎间盘发生了生理性老化,并且Smurf2的异位表达受到Col2a1启动子加速了3-6个月的衰老过程,导致椎间盘退变。尽管啮齿类动物椎间盘退变模型由于高细胞密度和成年核中脊索细胞的存在,对椎间盘修复的倾向增加,Col2a1-Smurf2转基因小鼠表现为慢性椎间盘退变表型。在该小鼠模型椎间盘退变的发展过程中,我们观察到许多微观变化,如成纤维细胞向软骨细胞分化、细胞克隆、迁移和纤维化,与人类相似。2733这些相似性可能归因于以下原因:1)异位Smurf2的表达水平由Col2a1启动子的Col2a1-Smurf2转基因小鼠的软骨细胞仅比WT对照组多2.6倍,45这可能刚刚超过Smurf2在椎间盘细胞中表达的阈值水平,可以启动与椎间盘老化或退变进展相关的某些分子事件。2)异位表达Smurf2的细胞Col2a1启动子为内环的软骨细胞样细胞Col2a1-Smurf2转基因小鼠和老龄转基因小鼠外环分化的软骨细胞样细胞。因此,环细胞大多处于老旧状态Col2a1-Smurf2转基因小鼠呈软骨细胞样并表达转基因Smurf2在人类退行性椎间盘细胞中观察到的特征类似,其中内环和核细胞都是软骨细胞样。71033

考虑到CTGF通过促进细胞粘附、迁移、增殖以及基质生成和纤维化形成在伤口愈合和纤维化疾病中的作用,101719我们推测退行性椎间盘的表型改变,如软骨细胞样细胞簇、软骨组织向细胞核迁移、纤维化样组织的形成(图3)可能是原位细胞或易发生退行性或纤维化组织的细胞中CTGF水平升高的结果。正如预期的那样,CTGF染色更强,CTGF蛋白和mRNA水平更高Col2a1-Smurf2转基因盘比WT对照盘(图5).与CTGF表达模式一致的是,同一转基因圆盘中检测到的TGFβ mRNA水平高于WT对照圆盘(图5 f),尽管增幅很小或并不显著。这一发现可能归因于以下情况:由于转录后机制,TGFβ的表达水平并不总是与其在基质环境中的生物活性多肽水平相关;2532CTGF通过增强TGFβ与其受体的结合而提高TGFβ活性。1总的来说,当结构缺陷发生在椎间盘退变的早期阶段时,椎间盘细胞试图通过激活软骨细胞成熟和基质生成来启动修复CTGF基因的表达。然而,由于再生的软骨组织不能抵抗来自日常活动的机械负荷,其结果可能是结构破坏的扩大和持续CTGF表达,最终导致椎间盘瘢痕和纤维化。

结论

控制下Smurf2异位表达Col2a1小鼠启动子通过加速与年龄相关的椎间盘老化过程诱导椎间盘退变。此外,还观察到成纤维细胞-软骨细胞分化、软骨细胞克隆、纤维化组织形成等表型变化Col2a1-Smurf2在人类中经常检测到转基因退行性椎间盘,并且在这些软骨细胞样细胞中CTGF蛋白和mRNA水平上调Col2a1-Smurf2转基因光盘。因此,我们的研究结果表明,smurf2介导的椎间盘退变是通过上调CTGF发生的,这一途径可能代表了人类椎间盘退变发生或进展的新机制。

致谢

本研究由NIH/NINDS的Jason H. Huang博士(R01 NS067435)、Baylor Scott & White Plummer和Baylor Scott & White Equipment资助。Col2a1启动子由Yoshihiko Yamada (NIH/NIDCR)提供;FLAG-tagged人类Smurf2cDNA购自Addgene。本研究的研究数据由Randy Rosier (University of Rochester)广泛审阅并支持出版。该手稿被Quoc-Bao Nguyen (Texas A&M College of Medicine)广泛审阅。

披露的信息

作者报告在本研究中使用的材料或方法或本文中指定的研究结果不存在利益冲突。开云体育世界杯赔率

作者的贡献

概念和设计:两位作者。数据获取:吴。数据分析和解释:两位作者。文章起草者:吴。批判性地修改文章:两位作者。审稿提交版本:两位作者。代表两位作者:吴审定了稿件的最终版本。统计分析:吴。行政/技术/物资支持:吴。

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    野生型(WT)小鼠半月板老化及半月板退化Col2a1-Smurf2转基因小鼠。对WT内侧关节室矢状面(A, C, E)和Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(B、D、F)。模拟:半月板内区发生钙化Col2a1-Smurf22个月和6个月大的转基因小鼠。星号A、C组为WT半月板内带关节软骨样组织;星号图B和图D为转基因半月板内区钙化软骨基质。E和F:WT的半月板老化和退化进展Col2a1-Smurf28个月大的转基因小鼠。WT半月板内三分之一发生钙化(E;星号)(9个标本中的6个)。转基因半月板内三分之一发生纤维化组织(F;细黑箭头),类似于半月板根部的纤维化组织(F;细蓝箭头).粗黑色箭头箭头图F分别为软骨形成中心和骨化中心。Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

  • Lumbar disc degeneration in Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic mice. Safranin-O staining of lumbar intervertebral discs from WT (A, C, E, and G) and Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic mice (B, D, F, and H) at various ages as indicated. A and B:<\/strong> Proteoglycan content was decreased in transgenic discs in 2-month-old mice. In WT mice (A) (n = 7), the matrix in the outer annulus was densely organized lamellae with spindle-like cells and that in the inner annulus was loosely packed (A, arrowhead<\/em>) with spherical cells (A, black arrow<\/em>). The superficial zone of the endplate was a thin layer of proteoglycan-rich tissue (A, red arrow<\/em>). The nucleus was a gel-like tissue predominantly containing proteoglycans (stained to be red) with loosely packed Type II collagen fibrils (A, asterisk<\/em>). In the transgenic mice (B) (n = 7), the thickness of endplate was increased (B, black arrows<\/em>); the proteoglycan content in the inner annulus, nucleus, and endplates was decreased. C and D:<\/strong> Compensatory proteoglycan synthesis in transgenic mice at 6 months of age. Compared with WT disc (C), the proteoglycan content in transgenic disc (D) was increased in the inner annulus, nucleus, and endplates (n = 7). Arrows<\/em> in D indicate annulus tears; arrowhead<\/em> and asterisk<\/em> indicate matrix breakdown in the endplate and nucleus, respectively. E and F:<\/strong> Mild disc aging in WT and nucleus degradation in transgenic mice at 10 months of age. Three of 8 WT mice exhibited increased proteoglycan content in the inner annulus and nucleus (E). Transgenic mice exhibited severe nucleus degeneration (F) (n = 6). G and H:<\/strong> Disc aging in WT and severe disc degeneration in transgenic mice at 12 months of age. In WT mice (G), 3 of 6 mice exhibited annulus tears (G, arrow<\/em>) and nucleus matrix breakdown (G, arrowhead<\/em>). In transgenic mice (H, n = 6), nucleus degradation expanded beyond the endplate to the growth plate of vertebra (H, arrows<\/em>). Asterisk<\/em> in (H) indicates inner annulus undergoing degeneration. Blue arrow<\/em> in (H) indicates fibroblast-chondrocyte differentiation in the outer annulus. Bar = 100 μm. Figure is available in color online only.<\/p><\/caption>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-dee02517-c351-4be1-b873-1039705107a7" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    腰椎间盘退变Col2a1-Smurf2转基因小鼠。腰椎间盘WT (A, C, E, G)和Col2a1-Smurf2不同年龄的转基因小鼠(B、D、F和H)。A和B:2月龄小鼠转基因椎间盘中蛋白多糖含量降低。在WT小鼠(A) (n = 7)中,外环的基质为密集排列的带有纺锤状细胞的片层,内环的基质为松散排列的(A,箭头),球胞(A,黑色箭头).终板的表层是一层薄薄的富含蛋白多糖的组织(a;红色箭头).细胞核是一个凝胶状组织,主要含有蛋白聚糖(染色为红色)和松散堆积的II型胶原原纤维(a,星号).在转基因小鼠(B) (n = 7)中,终板厚度增加(B,黑色的箭头);内环、细胞核和终板的蛋白多糖含量降低。C和D:6月龄转基因小鼠的代偿性蛋白多糖合成。与WT圆盘(C)相比,转基因圆盘(D)内环、细胞核和终板的蛋白多糖含量增加(n = 7)。箭头D为环撕裂;箭头星号分别表示终板和细胞核的基质破裂。E和F:转基因小鼠10月龄时轻度椎间盘老化和细胞核退化。8只WT小鼠中有3只表现出内环和细胞核蛋白多糖含量增加(E)。转基因小鼠表现出严重的细胞核变性(F) (n = 6)。G和H:转基因小鼠12月龄时的椎间盘老化和严重的椎间盘退变。WT小鼠(G), 6只小鼠中有3只出现环撕裂(G;箭头)和核基质分解(G,箭头).在转基因小鼠(H, n = 6)中,细胞核降解从终板扩展到椎体生长板(H, n = 6)。箭头).星号(H)表示内环变性。蓝色箭头(H)表示外环成纤维细胞向软骨细胞分化。Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

  • Abnormal chondrocyte proliferation and maturation leads to disc degeneration progression in Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic mice. A\u2013C:<\/strong> Sections were stained with Alcian blue\u2013H & E (AHE). In 11-month-old WT mice (A), AHE staining detected outer annulus tears (A, arrow<\/em>) and nucleus matrix degradation (A, asterisk<\/em>) in intact discs. In 11-month-old transgenic mice (B and C) (B\u2032 and C\u2032<\/strong> are higher-magnification images of boxed areas<\/em> in B and C), endplate chondrocytes underwent proliferation and formed column-like structures and migrated into the nucleus (B, asterisk<\/em>; B\u2032, yellow arrow<\/em>); clefts and tears were formed in the front area of the cartilaginous tissue (B\u2032, yellow arrowheads<\/em>); and fibrotic tissue started to form below the clefts and tears (B\u2032, red arrow<\/em>). Annulus chondrocyte-like cells formed cell clusters (C\u2032, yellow arrow<\/em>), within which the cells retained their hypertrophic characteristics (C\u2032, arrowhead<\/em>). Wide tears occurred within the hypertrophic-like tissue (C\u2032, asterisk<\/em>), and fibrotic tissue was formed adjacently (C\u2032, thick arrow<\/em>). Thin arrow<\/em> and thick arrows<\/em> in C indicate fibroblast-chondrocyte differentiation in the outer annulus and bony tissue in the outmost annulus, respectively. D:<\/strong> Consecutive section of C but stained with Safranin-O fast green. Thick arrow<\/em> in D represents maturing cartilage in the connective area between the vertebra epiphysis and outer annulus. Thin arrow<\/em>, arrowheads<\/em>, asterisk<\/em>, and thick arrow<\/em> in D\u2032<\/strong> represent structures similar to those in C\u2032. Bars = 100 μm. Figure is available in color online only.<\/p><\/caption>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-dee02517-c351-4be1-b873-1039705107a7" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    异常的软骨细胞增殖和成熟导致椎间盘退变进展Col2a1-Smurf2转基因小鼠。得了:切片采用阿利新蓝h&e (AHE)染色。在11月龄的WT小鼠(A)中,AHE染色检测到外环撕裂(A,箭头)和核基质降解(A,星号)在完整的椎间盘中。11个月大的转基因小鼠(B和C) (B '和C '放大后的图像是盒装的地区在B和C中),终板软骨细胞增殖并形成柱状结构并向细胞核内迁移(B;星号;B”,黄色箭头);软骨组织前部区域形成裂隙和撕裂(B′;黄色箭头);裂隙和泪液下方开始形成纤维化组织(B ',红色箭头).环状软骨细胞样细胞形成细胞簇(C ';黄色箭头),其中细胞保留了它们的肥厚特征(C ',箭头).肥大样组织(C′,星号),相邻形成纤维化组织(C′,厚的箭头).薄的箭头厚的箭头C分别表示外环成纤维细胞-软骨细胞分化和最外环骨组织分化。D:C连续切片,但用Safranin-O染色快绿。厚的箭头D表示椎骨骺与外环之间结缔组织的成熟软骨。薄的箭头箭头星号,厚的箭头D '表示类似于C '中的结构。bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

  • Altered expression of Type II collagen in Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic intervertebral discs. A and C:<\/strong> Type II collagen expression pattern in 8-month-old WT mouse discs. Images in panels A and C are from one section. Type II collagen was high in the annulus-nucleus boundary (A, black arrow<\/em>) and superficial layer of the endplate (C, black arrow<\/em>). Spherical cells in the inner annulus expressed and deposited moderate levels of Type II collagen (A, arrowhead<\/em>). Type II collagen was barely detected in spindle-like cells in the outer annulus (A, red arrow<\/em>). Cells located under the superficial layer of the endplate were small and flat (C, red arrow<\/em>). B and D:<\/strong> Loss of an annulus-nucleus boundary and superficial layer of endplate in 8-month-old transgenic mouse discs. Images in panels B and D are from one section. The annulus-nucleus boundary and superficial layer with rich Type II collagen were lost (B and D, black arrows<\/em>). Spherical cells in the inner annulus became big and rounded, and Type II collagen production and deposition were reduced (B, blue arrow<\/em>). The outer annulus cells became rounded chondrocyte-like cells, but without obvious Type II collagen expression (B, red arrow<\/em>). Asterisk<\/em> in D indicates the nucleus. E and F:<\/strong> Fibroblasts differentiated into chondrocyte-like cells in 12-month-old transgenic mouse discs. The spindle-like cells in the outer annulus barely expressed Type II collagen in WT discs (E, red arrow<\/em>). The cells in the corresponding region of transgenic discs became rounded chondrocyte-like cells with expression of Type II collagen (F, red arrows<\/em>). Bar = 100 μm. Figure is available in color online only.<\/p><\/caption>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-dee02517-c351-4be1-b873-1039705107a7" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    ⅱ型胶原蛋白表达改变Col2a1-Smurf2转基因椎间盘。A和C:8月龄WT小鼠椎间盘II型胶原表达模式。面板A和C中的图像来自一个部分。II型胶原蛋白在环核边界高(A;黑色箭头)和端板浅层(C,黑色箭头).内环的球形细胞表达和沉积中等水平的II型胶原(A;箭头).在外环的梭形细胞中几乎检测不到II型胶原蛋白(A;红色箭头).端板浅层下的细胞小而扁平(C;红色箭头).B和D:8月龄转基因小鼠椎间盘环核边界和终板浅层的缺失。面板B和D中的图像来自一个部分。环核边界和富含II型胶原的浅层丢失(B和D;黑色的箭头).内环的球形细胞变大变圆,II型胶原的生成和沉积减少(B;蓝色箭头).外环细胞变为圆形软骨细胞样细胞,但没有明显的II型胶原表达(B,红色箭头).星号D表示原子核。E和F:成纤维细胞在12月龄转基因小鼠椎间盘中分化为软骨细胞样细胞。外环的梭形细胞在WT椎间盘中几乎不表达II型胶原(E;红色箭头).转基因椎间盘相应区域的细胞变成圆形软骨细胞样细胞,表达II型胶原(F;红色箭头).Bar = 100 μm。图片仅在线提供彩色。

  • Increase in CTGF expression in Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic lumbar discs. A\u2013D:<\/strong> Immunostaining of frozen sections with anti-CTGF antibodies showed that CTGF expression levels were increased in discs of 6- to 10-month-old transgenic mice. In 6- and 10-month-old WT mice (A and C), low or moderate levels of CTGF expression were detected in the outer fibroblast-like cells (red arrow<\/em>); CTGF was rarely detected in the inner and boundary cells (asterisk<\/em>). In age-matched transgenic mice (B and D), however, CTGF expression levels were strongly detected in the chondrocyte-like cells that were differentiated from fibroblasts in the outer annulus (red arrow<\/em>) and were frequently detected in the inner and boundary cells (black arrows<\/em>). Original magnification ×40. E\u2013G:<\/strong> CTGF protein and mRNA levels were increased in Col2a1-Smurf2<\/em> transgenic disc cells. Protein extracts or total RNA were prepared from disc cells isolated from lumbar discs of 6 WT and 6 transgenic mice without going through cell culture. E:<\/strong> Increase in CTGF protein levels in transgenic disc cells was shown by Western blot. Ten- to 15-μg proteins were separated by SDS-PAGE and blotted with anti-CTGF antibodies. The values above the blotting bands show results of densitometric analysis of the Western blot (normalized to β-actin). F and G:<\/strong> Slight increase in TGFβ1 (F) and significant increase in CTGF (G) mRNA levels were shown by real-time RT-PCR. Values are the mean and SEM of 3 independent experiments. Statistical analysis was conducted using 1-way ANOVA and Student unpaired t-test. *p < 0.05; **p < 0.01. Figure is available in color online only.<\/p><\/caption>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-dee02517-c351-4be1-b873-1039705107a7" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    CTGF在Col2a1-Smurf2转基因腰椎间盘。模拟:抗CTGF抗体冷冻切片免疫染色显示,6 ~ 10月龄转基因小鼠椎间盘中CTGF表达水平升高。在6月龄和10月龄的WT小鼠(A和C)中,在外成纤维细胞样细胞中检测到低或中等水平的CTGF表达(红色箭头);CTGF很少在内、边界细胞中检测到(星号).然而,在年龄匹配的转基因小鼠(B和D)中,CTGF的表达水平在外环从成纤维细胞分化的软骨细胞样细胞(红色箭头),并经常在内细胞和边界细胞(黑色的箭头).原始放大×40。例如:CTGF蛋白和mRNA水平升高Col2a1-Smurf2转基因圆盘细胞。从6只WT和6只转基因小鼠的腰椎间盘分离的椎间盘细胞中制备蛋白质提取物或总RNA,而无需进行细胞培养。艾凡:Western blot结果显示转基因盘状细胞中CTGF蛋白水平升高。SDS-PAGE分离10 ~ 15个μg蛋白,用抗ctgf抗体印迹。印迹带上方的值显示了Western印迹的密度分析结果(归一化为β-肌动蛋白)。F和G:real-time RT-PCR结果显示tgf - β1 (F)轻度升高,CTGF (G) mRNA水平显著升高。值为3个独立实验的平均值和扫描电镜。统计分析采用单因素方差分析和学生非配对t检验。*p < 0.05;**p < 0.01。图片仅在线提供彩色。

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