PGC-1α在骨代謝中的作用

溫宇華， 劉培培， 宋利格

(1. 同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科，上海 200065; 2. 同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院骨質(zhì)疏松與代謝性骨病研究所，上海 200065)

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(peroxisome-proliferator-activated receptor γ coa-ctivator-1α, PGC-1α)最早發(fā)現(xiàn)于棕色脂肪中，由PPARGC1A基因編碼。作為多功能調(diào)節(jié)因子-過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs)的協(xié)同激活因子，PGC-1α在骨骼肌、肝臟和大腦的線粒體生物生成和氧化代謝中發(fā)揮重要作用[1]。同時(shí)PGC-1α可作為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄輔激活因子調(diào)節(jié)產(chǎn)熱基因的表達(dá)[2]。在富含線粒體的細(xì)胞中，PGC-1α還可作為氧化應(yīng)激的關(guān)鍵因子降低活性氧類(reactive oxygen species, ROS)生成、減少氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)[3]。PGC-1α在骨骼的代謝中也發(fā)揮著重要的作用。骨骼作為人體的重要器官，主要由3種細(xì)胞構(gòu)成： 成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。骨代謝主要包括兩個(gè)過程： 成骨細(xì)胞負(fù)責(zé)的骨形成、破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)的骨吸收。PGC-1α在成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞中的作用見圖1，本文對其進(jìn)行綜述。

圖1 PGC-1α在骨代謝中的功能和機(jī)制綜合圖Fig.1 The function and mechanism of PGC-1α in bone metabolism

1 PGC-1α在成骨細(xì)胞中的作用

1.1 PGC-1α影響成骨細(xì)胞的分化和增殖

成骨細(xì)胞由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow stem cells, BMSCs)分化而來。PGC-1α表達(dá)的上調(diào)會(huì)導(dǎo)致BMSCs向成骨細(xì)胞分化增加[4]。然而在老齡化小鼠中，PGC-1α基因表達(dá)的下降導(dǎo)致BMSCs向脂肪細(xì)胞分化增加而向成骨細(xì)胞分化減少，進(jìn)而導(dǎo)致老齡化小鼠骨量減少伴骨髓脂肪增加。另外在小鼠體內(nèi)骨骼干細(xì)胞(skeletal stem cells， SSCs)基因敲除實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PGC-1α的敲除與骨質(zhì)疏松過程中的骨脂失衡密切相關(guān)[5]。同樣小鼠體內(nèi)全身PGC-1α基因敲除實(shí)驗(yàn)顯示在SSCs中I型膠原mRNA表達(dá)降低，表明成骨細(xì)胞分化減少[5]。有體外研究顯示，來自PGC-1α基因敲除小鼠的成骨細(xì)胞具有自主缺陷，表現(xiàn)為分化以及其它細(xì)胞活動(dòng)的延遲[6]。在小鼠的體外過表達(dá)和缺失實(shí)驗(yàn)中，PGC-1α對于SSCs成骨和成脂分化也有顯著影響： (1) PGC-1α的過表達(dá)使關(guān)鍵成骨標(biāo)志基因RUNX2、IBSP、COLLA1和BGLAP的表達(dá)增強(qiáng)。然而在PGC-1α特異性敲除的SSCs中，由腺病毒介導(dǎo)PGC-1α的表達(dá)(adPGC-1α)卻顯著恢復(fù)了關(guān)鍵成骨標(biāo)志基因的表達(dá)； (2) 在SSCs中PGC-1α的缺失顯著促進(jìn)其向脂肪細(xì)胞的分化[5,7-8]。此外，在人SSCs的體外研究中，腺病毒介導(dǎo)PGC-1α的過表達(dá)可以促進(jìn)成骨分化且抑制成脂分化，這一結(jié)果也證實(shí)PGC-1α對人SSCs譜系分化的影響[5]。

研究顯示，有關(guān)PGC-1α影響成骨細(xì)胞分化的調(diào)控過程與幾種經(jīng)典的細(xì)胞信號(hào)通路如Wnt/β-catenin、Hippo密切相關(guān)。Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨代謝平衡中至關(guān)重要。研究證實(shí)，PGC-1α作為線粒體生物生成的關(guān)鍵分子，在Wnt通路中可通過Erk和p38 MAPK途徑增加PGC-1α表達(dá)，從而促進(jìn)小鼠間充質(zhì)C3H10T1/2細(xì)胞的成骨分化[9]。有研究表明，ERRα與PGC-1α等共激活因子的結(jié)合是成骨細(xì)胞分化過程中Wnt信號(hào)通路的新調(diào)節(jié)因子[10]。在PGC-1α/ERRα信號(hào)激活后，RUNX2的表達(dá)上調(diào)可增強(qiáng)成骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)骨組織的形成[11]。在Hippo信號(hào)通路中，PDZ結(jié)合域(TAZ)是一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄輔激活因子，可作為RUNX2的聯(lián)合激活劑促進(jìn)成骨分化以及PPARγ的聯(lián)合抑制因子抑制脂肪生成，因此在調(diào)節(jié)骨形成、促進(jìn)成骨方面具有重要作用[12]。此外，SSCs中PGC-1α的缺失可顯著抑制TAZ轉(zhuǎn)錄輔激活因子的誘導(dǎo)[5]。

研究顯示，PGC-1α可通過影響成骨細(xì)胞的增殖和凋亡而維持其功能。在骨質(zhì)疏松大鼠模型中，miR-23a-3p表達(dá)上調(diào)是通過抑制PGC-1α基因的表達(dá)進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞增殖、促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡[13]。有研究表明，C57BLKS的肥胖糖尿病小鼠模型中，可通過抑制PGC-1α表達(dá)、增加骨骼肌萎縮基因在骨骼中的表達(dá)導(dǎo)致成骨細(xì)胞的凋亡[14]。

1.2 PGC-1α影響成骨細(xì)胞參與的骨基質(zhì)礦化

前成骨細(xì)胞到成熟成骨細(xì)胞的過程伴隨著骨基質(zhì)的礦化。小鼠細(xì)胞與人體細(xì)胞的體外研究均顯示，PGC-1α促進(jìn)成骨細(xì)胞參與的骨基質(zhì)礦化作用。骨鈣素是一種非膠原骨蛋白，對于維持骨基質(zhì)礦化作用至關(guān)重要。小鼠成骨細(xì)胞分化的體外研究表明，PGC-1α直接協(xié)同NR4A/NGFI-B孤核受體(the NR4A/NGFI-B orphan nuclear receptor， Nurr1)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中骨鈣素的表達(dá)。因此，PGC-1α和Nurr1可能是cAMP誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞基因表達(dá)和成骨細(xì)胞功能的關(guān)鍵介質(zhì)[15]。此外，PGC-1α在線粒體生成中也有重要作用。Leigh 綜合征(Leigh syndrome， LS)是一種因線粒體DNA 或線粒體及核DNA 同時(shí)突變而導(dǎo)致的線粒體疾病。該病患兒表現(xiàn)為基質(zhì)干細(xì)胞線粒體功能降低，且向成骨細(xì)胞分化和骨基質(zhì)礦化異常[16]。茜素紅與礦化的鈣結(jié)節(jié)結(jié)合所形成的沉淀能夠體現(xiàn)成骨細(xì)胞礦化的程度。從LS患兒牙髓組織中分離人脫落乳牙牙髓干細(xì)胞用于體外成骨分化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中較對照組相比，LS的成骨細(xì)胞中茜素紅染色明顯減弱，PGC-1α表達(dá)明顯降低，表明PGC-1α介導(dǎo)的線粒體生成影響成骨細(xì)胞參與的骨基質(zhì)礦化[17]。

一些利用化學(xué)物質(zhì)體外干預(yù)成骨細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)顯示，PGC-1α在骨基質(zhì)礦化的過程中發(fā)揮著重要作用。納米炭黑顆粒(Printex 90)和丁酸鈉(Sodium butyrate， NaB)影響線粒體生成、體內(nèi)外骨代謝以及礦化結(jié)節(jié)的形成[18]。體外研究顯示，在納米炭黑顆粒(Printex 90)處理的SD大鼠的成骨細(xì)胞中PGC-1α在mRNA和蛋白質(zhì)水平表達(dá)減少、堿性磷酸酶表達(dá)下降。茜素紅染色后顯示骨基質(zhì)礦化減少，表明納米炭黑顆粒(Printex 90)可通過下調(diào)PGC-1α表達(dá)，導(dǎo)致線粒體功能受損，從而抑制骨基質(zhì)礦化[19]。然而在NaB處理的SD大鼠股骨中，PGC-1α在mRNA和蛋白質(zhì)水平的表達(dá)增強(qiáng)。在成骨細(xì)胞中，成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Osterix表達(dá)和PGC-1α蛋白表達(dá)水平密切相關(guān)。NaB在維持成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞平衡、促進(jìn)ATP生成和線粒體氧化磷酸化中具有重要作用。PGC-1α可能是NaB介導(dǎo)的線粒體功能和骨生理調(diào)節(jié)的重要靶點(diǎn)[20]。此外，miR-23a-3p和Mg2+也可影響骨基質(zhì)的礦化。在骨質(zhì)疏松癥中miR-23a-3p高表達(dá)，然而抑制miR-23a-3p卻促進(jìn)PGC-1α的表達(dá)。在體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，由于miR-23a-3p的缺失和PGC-1α的過表達(dá)導(dǎo)致骨基質(zhì)礦化增強(qiáng)[13]。此外，Mg2+在體內(nèi)外均有促進(jìn)骨再生的作用。有研究表明，較對照組相比，使用MgSO4處理培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中礦化結(jié)節(jié)增加、PGC-1α的蛋白質(zhì)水平升高，表明PGC-1α的表達(dá)顯著增強(qiáng)了骨基質(zhì)礦化[21]。

2 PGC-1α在骨細(xì)胞中的作用

骨細(xì)胞(osteocyte)由成骨細(xì)胞分化而來。成骨細(xì)胞經(jīng)歷了從前成骨細(xì)胞到早期成骨細(xì)胞再到成熟成骨細(xì)胞的過程，最終被埋在自己分泌的膠原中，分化成骨細(xì)胞。研究表明，PGC-1α在維持骨細(xì)胞功能和骨穩(wěn)態(tài)中有重要作用。PGC-1家族協(xié)同激活特定的轉(zhuǎn)錄因子包括NRF1、NRF2、PPARs、ERa、ERRa和MEF2C[22]。在骨細(xì)胞中ERa的特異性缺失影響雄性小鼠的骨密度[23]。在發(fā)育性轉(zhuǎn)錄程序中，PGC-1α對多種轉(zhuǎn)錄因子的共同激活作用至關(guān)重要。同樣，對于骨細(xì)胞基因表達(dá)，ERa、NRF2、PPARs、ERRa和MEF2C具有正向調(diào)節(jié)作用。在骨細(xì)胞生成過程中，一些成骨細(xì)胞基因表達(dá)減少，而一些骨細(xì)胞特異基因如Dmp1、Fgf23和Sost表達(dá)增加[24]。有研究顯示，PGC-1α可以通過影響在Fgf23、Sost、Dmp1基因的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域已知轉(zhuǎn)錄因子的保守結(jié)合位點(diǎn)，從而對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)[25-26]。因此PGC-1α能夠協(xié)同激活多種轉(zhuǎn)錄因子，在維持骨細(xì)胞功能中有著重要作用。

3 PGC-1α在破骨細(xì)胞中的作用

骨髓單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是破骨細(xì)胞的前體細(xì)胞。SSCs中的PGC-1α調(diào)節(jié)骨髓局部炎癥微環(huán)境，對周圍破骨細(xì)胞產(chǎn)生旁分泌作用，間接引起破骨細(xì)胞的改變[5]。研究顯示，在PGC-1α基因敲除小鼠體內(nèi)，皮質(zhì)骨上破骨細(xì)胞的數(shù)量和面積增加、血清標(biāo)記物CTX-I的水平升高。此外，當(dāng)破骨細(xì)胞從非純單核細(xì)胞(即從整個(gè)骨髓)開始分化時(shí)，來自PGC-1α基因敲除小鼠的細(xì)胞顯示多核破骨細(xì)胞的形成增加，表明PGC-1α基因?qū)ζ乒羌?xì)胞的作用可能是通過其他細(xì)胞類型介導(dǎo)的。在成骨細(xì)胞介導(dǎo)的促進(jìn)破骨細(xì)胞分化的過程中，基因敲除小鼠骨髓中核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nu-clear factor kappa-B ligand， RANKL)水平升高，導(dǎo)致RANKL/骨保護(hù)素(osteoprotegerin， OPG)比值顯著升高[6]。線粒體生物生成的調(diào)控與PGC1家族的核共因子(包括PGC-1α、PGC-1β和PRC1)的控制相關(guān)[27]。有研究顯示，線粒體衍生肽MOTS-c可以調(diào)節(jié)不同細(xì)胞的代謝和穩(wěn)態(tài)、增加骨細(xì)胞中OPG/RANKL的比值，從而抑制破骨細(xì)胞的生成。在原代骨髓巨噬細(xì)胞(bone marrow macrophages， BMMs)中，MOTS-c可通過AMPK-PGC-1α-ROS軸抑制NF-κB磷酸化，從而影響破骨細(xì)胞的生成[28-29]。因此PGC-1α在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成中發(fā)揮著重要作用。

4 展 望

PGC-1α在骨代謝中具有重要的作用，對于維持成骨細(xì)胞及骨細(xì)胞功能、促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、防止骨骼肌衰老等方面有重要意義。同時(shí)，PGC-1α的減少會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)胞活性增加，引起骨量減低。PGC-1α對于破骨細(xì)胞分化的作用尚不明確，其在骨骼代謝中作用的研究還在不斷繼續(xù)。衰老伴隨著骨質(zhì)的流失，也伴隨著PGC-1α的減少。通過對于PGC-1α作用的深入探討，有望為骨骼代謝疾病的診治和預(yù)防提供新的研究方向和治療靶點(diǎn)。