糖代謝對骨骼細(xì)胞的影響

王振虎 崔燎 林思恩 魏波*

1.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科中心，廣東 湛江 524001 2.廣東天然藥物研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藥理教研室，廣東 湛江 524023

長期高血糖會(huì)影響骨骼健康，有學(xué)者通過對比骨密度、骨代謝以及糖代謝等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者的骨折風(fēng)險(xiǎn)更高。因此，筆者認(rèn)為糖代謝與骨穩(wěn)態(tài)之間關(guān)系密切并且相互影響。由于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的主要細(xì)胞類型，因此闡明調(diào)節(jié)其分化和活性的機(jī)制不僅對于了解骨生理學(xué)而且對于設(shè)計(jì)有效的骨治療藥至關(guān)重要。本綜述將總結(jié)葡萄糖代謝過程中對調(diào)控破骨、成骨分化這一重要生物學(xué)過程的相關(guān)事件。

1 糖代謝和哺乳動(dòng)物細(xì)胞

哺乳動(dòng)物細(xì)胞的能量來源有很多種，其中葡萄糖至關(guān)重要。葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，不依賴三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)沿濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中[1]。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后，在己糖激酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖可以轉(zhuǎn)化為糖原，也可以進(jìn)行代謝產(chǎn)生ATP和中間代謝產(chǎn)物。

葡萄糖代謝有多個(gè)途徑，例如葡萄糖的有氧氧化、無氧酵解、己糖胺生物合成途徑和磷酸戊糖途徑。大多數(shù)細(xì)胞類型中，大多數(shù)6-磷酸葡萄糖進(jìn)入糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸，然后在線粒體中進(jìn)一步代謝或者在細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)化為乳酸。在線粒體中，丙酮酸通過三羧酸循環(huán)的完全氧化和氧化磷酸化相結(jié)合，所提取到的能量比丙酮酸向乳酸轉(zhuǎn)化過程中要多得多[2]。但是，乳酸途徑在不需要氧氣的情況下即可產(chǎn)生能量，并以更快的速度消耗葡萄糖。

糖酵解的第一階段最終產(chǎn)生果糖1,6-二磷酸，然后將其裂解形成兩個(gè)可相互轉(zhuǎn)化的三碳分子甘油醛3-磷酸和磷酸二羥丙酮。在糖酵解的最后階段，甘油醛3-磷酸最終轉(zhuǎn)化為丙酮酸，在此過程中產(chǎn)生ATP。在線粒體中，丙酮酸可以通過丙酮酸脫氫酶脫羧形成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A通過與草酰乙酸縮合形成檸檬酸鹽進(jìn)入三羧酸循環(huán)，然后依次釋放出兩個(gè)CO2分子再生草酰乙酸。三羧酸循環(huán)中的丙酮酸氧化通過氧化磷酸化在每個(gè)葡萄糖分子中產(chǎn)生最多的ATP[3]。在細(xì)胞質(zhì)中，丙酮酸在乳酸脫氫酶催化下生成乳酸，不依賴氧氣，并再生進(jìn)一步糖酵解所必需的氧化NAD(NAD+)[4]。

2 糖代謝和成骨細(xì)胞

間充質(zhì)干細(xì)胞在各種關(guān)鍵因子的調(diào)控下最終分化為成骨細(xì)胞。在這個(gè)分化過程中，Runx2(Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子是成骨細(xì)胞分化所需的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子之一)、Osterix(也稱為轉(zhuǎn)錄因子 Sp7，通過增強(qiáng)1型膠原蛋白和骨鈣素表達(dá)來驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)和軟骨內(nèi)骨化)和β-連環(huán)蛋白對成骨細(xì)胞分化至關(guān)重要。雖然大多數(shù)成骨細(xì)胞被認(rèn)為會(huì)發(fā)生凋亡，但一部分成骨細(xì)胞會(huì)嵌入骨基質(zhì)中并進(jìn)一步分化為骨細(xì)胞?，F(xiàn)在關(guān)于成骨細(xì)胞的分化和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究已經(jīng)非常全面，但是在細(xì)胞能量代謝水平上對成骨細(xì)胞功能活性的了解較少。

葡萄糖是成骨細(xì)胞發(fā)育和分化過程所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，對放射性標(biāo)記的葡萄糖類似物的研究證實(shí)了小鼠骨骼對葡萄糖的顯著攝取[5]。大多數(shù)細(xì)胞類型中，葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿過質(zhì)膜，進(jìn)入細(xì)胞[6]，此過程也發(fā)生在成骨細(xì)胞中[7]。

氧化磷酸化與糖酵解相比，可以產(chǎn)生更多的ATP，有氧糖酵解是成骨細(xì)胞在氧氣充足的條件下，主要將葡萄糖代謝為乳酸，該現(xiàn)象類似于Warburg效應(yīng)[8]。在某些條件下，成骨細(xì)胞似乎更喜歡有氧糖酵解[8-9]。與通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化的代謝相比，通過有氧糖酵解產(chǎn)生ATP的效率更低[10]。

有研究表明，甲狀旁腺激素信號(hào)通過胰島素生長因子-1的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)間接增強(qiáng)有氧糖酵解，胰島素生長因子-1通過mTORC2(雷帕霉素復(fù)合物2的哺乳動(dòng)物靶標(biāo))發(fā)出信號(hào)以提高各種糖酵解酶[11]。缺氧誘導(dǎo)因子1a激活會(huì)增加糖酵解，增加體內(nèi)骨形成。Wnt蛋白還促進(jìn)成骨細(xì)胞譜系細(xì)胞的有氧糖酵解[12]。特別是Wnt3a-Lrp5連鎖反應(yīng)可以迅速增加mTORC2下游的Glut1(葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1)、Hk2(己糖激酶2)、Ldha(乳酸脫氫酶 A)和Pdk1(丙酮酸脫氫酶激酶1)的水平，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[13]。有氧糖酵解可能有利于抵消氧化磷酸化產(chǎn)生的活性氧，因?yàn)榛钚匝醣蛔C明有利于間充質(zhì)祖細(xì)胞的脂肪生成[14]。成骨細(xì)胞在糖酵解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的檸檬酸鹽。而骨骼中的檸檬酸鹽被證明對磷灰石納米晶體的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，可提供穩(wěn)定性、強(qiáng)度和抗斷裂性[15-16]，這在結(jié)構(gòu)上對骨中磷灰石納米晶體的形成很重要。成骨細(xì)胞的高檸檬酸輸出可能意味著線粒體檸檬酸水平升高，從而抑制丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)?？傊?，需要進(jìn)一步的研究來闡明有氧糖酵解促進(jìn)成骨細(xì)胞表型的全部機(jī)制。

3 糖代謝和破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞是源自造血干細(xì)胞的組織特異性巨噬細(xì)胞。造血干細(xì)胞在巨噬細(xì)胞集落刺激因子作用下可形成巨噬細(xì)胞集落形成單位，即巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的常見前體細(xì)胞。當(dāng)被RANKL-RANK(RANKL是核因子 kappa b 配體的受體激活劑；RANK是核因子kappa b的受體激活劑)信號(hào)激活時(shí)，巨噬細(xì)胞集落形成單位進(jìn)一步分化為單核破骨細(xì)胞，之后融合成為多核破骨細(xì)胞[17]。多核破骨細(xì)胞在與成骨細(xì)胞相互作用后完全成熟，并分泌酸、蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶，它們在骨表面和破骨細(xì)胞的基底膜之間緊密連接以形成密封的隔室，然后形成破骨細(xì)胞[18]。

在巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化過程中，發(fā)現(xiàn)氧化磷酸化和有氧糖酵解增加[19]。此外，發(fā)現(xiàn)抑制線粒體氧化磷酸化會(huì)延緩破骨細(xì)胞生成[20]。這些結(jié)果表明破骨細(xì)胞分化與增加的線粒體呼吸相結(jié)合。相關(guān)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，敲除葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1基因的破骨前體細(xì)胞中，有氧糖酵解減弱，破骨細(xì)胞形成障礙[21]。然而，通過在培養(yǎng)基中降低葡萄糖濃度或敲低缺氧誘導(dǎo)因子1a來限制糖酵解并不會(huì)損害體外破骨細(xì)胞生成，這表明在這些環(huán)境中激活了替代能源底物以支持分化過程。破骨細(xì)胞中線粒體呼吸的重要性已在遺傳學(xué)上得到證實(shí)。通過刪除Ndufs4(線粒體復(fù)合物1的亞基)破壞線粒體復(fù)合物1會(huì)損害破骨細(xì)胞的分化和功能，導(dǎo)致小鼠骨硬化癥[22]。在小鼠中用組織蛋白酶K-Cre刪除線粒體轉(zhuǎn)錄因子Tfam會(huì)降低破骨細(xì)胞中的細(xì)胞ATP水平并加速細(xì)胞凋亡[23]。

成熟破骨細(xì)胞的主要能量來源包括葡萄糖。早期對雞破骨細(xì)胞的研究表明，葡萄糖是骨吸收的主要能源，破骨細(xì)胞附著在骨表面消耗細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖[24]。在培養(yǎng)基中降低葡萄糖濃度或在細(xì)胞內(nèi)敲除缺氧誘導(dǎo)因子1a，可減少破骨細(xì)胞的骨吸收[25]。這說明成熟的破骨細(xì)胞發(fā)揮骨吸收的作用時(shí)更依賴活躍的糖酵解。

4 糖代謝和骨細(xì)胞

骨細(xì)胞的壽命可長達(dá)數(shù)十年，它來源于成骨細(xì)胞，終生嵌入骨基質(zhì)內(nèi)，并且可以調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。

基于骨細(xì)胞微環(huán)境的缺氧性質(zhì)，可以推測葡萄糖代謝和糖酵解可能在調(diào)節(jié)骨細(xì)胞功能中起重要作用。低氧環(huán)境中的細(xì)胞通過減少線粒體ATP生成，將代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒鈁26-27]。硬化素(SOST，是骨細(xì)胞產(chǎn)生的骨形成負(fù)調(diào)節(jié)劑)是Wnt通路的特異性拮抗劑，在高葡萄糖和晚期糖基化終產(chǎn)物的糖酵解代謝異常期間增加[28]。骨細(xì)胞分泌RANKL[29](核因子 kappa b 配體的受體激活劑)以響應(yīng)甲狀旁腺激素信號(hào)調(diào)控來增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)有氧糖酵解，還可以通過分泌硬化素和RANKL等因子以及其他細(xì)胞因子來協(xié)調(diào)骨形成和再吸收[30]。HDAC共阻遏抑制劑(即組蛋白去乙?；敢种苿?，是調(diào)節(jié)組蛋白尾部、染色質(zhì)構(gòu)象、蛋白質(zhì)-DNA相互作用甚至轉(zhuǎn)錄的表觀遺傳調(diào)節(jié)劑)抑制骨細(xì)胞中的硬化素并增加參與葡萄糖攝取的基因，使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4水平上調(diào)[31]。甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白(PTHrP)通過調(diào)節(jié)β-catenin(β-連環(huán)蛋白)和Erk(絲氨酸-蘇氨酸激酶，是一種細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶)介導(dǎo)的途徑可減輕骨細(xì)胞凋亡[32]。高血糖不僅影響糖酵解的速率，而且影響骨細(xì)胞的活力。高血糖和氧化應(yīng)激參與晚期糖基化終產(chǎn)物(AGE)的產(chǎn)生和積累，在體外發(fā)現(xiàn)FoxO1(是一種參與能量代謝的保守轉(zhuǎn)錄因子)可以介導(dǎo)晚期糖基化終產(chǎn)物誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡以及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞平衡的失調(diào)[33]。

5 小結(jié)

目前已經(jīng)研究了一些關(guān)于葡萄糖代謝對成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的作用和分子調(diào)控的主要機(jī)制。遺傳學(xué)研究對于闡明特定代謝途徑在各種骨細(xì)胞類型中的生理作用是必要的。骨骼細(xì)胞之間相互平衡的維持與恰當(dāng)?shù)哪芰看x方式息息相關(guān)，在能量代謝中涉及到的中間代謝產(chǎn)物在細(xì)胞分化的不同階段可能發(fā)揮了重要作用。希望今后可以將骨骼系統(tǒng)細(xì)胞的能量代謝研究應(yīng)用于骨相關(guān)疾病的藥物開發(fā)和臨床治療中。