破骨細胞能量代謝的研究進展

王銀博 孫維佳 李玉恒 凌樹寬 李英賢1,*

1.空軍軍醫(yī)大學航天航空醫(yī)學系，陜西 西安 710038 2.中國航天員科研訓練中心航天醫(yī)學基礎與應用國家重點實驗室，北京 100094

能量代謝對于維持機體的生理功能具有重要意義，一方面，機體的任何有機活動都需要能量參與，另一方面，能量代謝的異常會導致機體生理功能的異常。在骨骼生長發(fā)育以及不斷重塑的過程中，破骨細胞發(fā)揮重要功能[1-3]，在其分化過程以及發(fā)揮功能的不同階段，能量代謝無時無刻不參與其中，并且能量代謝的方式也發(fā)生轉變[4]，積極適應細胞在不同階段對能量的需求。近年來，破骨細胞能量代謝的研究主要集中在破骨細胞分化過程中的線粒體生物發(fā)生(新的線粒體DNA和蛋白質的產(chǎn)生)及其意義，以及破骨細胞在分化和發(fā)揮噬骨功能不同階段主要的代謝方式及其意義。本文將結合近年的研究，對這些方面進行概述。

1 破骨細胞分化伴隨線粒體生物發(fā)生

線粒體生物發(fā)生的轉錄調控主要是通過過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1，PGC-1)家族發(fā)揮作用[5]。PGC-1能夠對細胞營養(yǎng)狀況作出響應，例如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotid，NADH)以及一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)與ATP比率的變化，進而通過調控PGC-1自身的乙?；腿ヒ阴；`活地控制線粒體生物發(fā)生[6]。PGC-1能夠與特定轉錄因子之間的相互作用調節(jié)線粒體的主要功能，包括脂肪酸β-氧化、三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)、mtDNA復制和氧化磷酸化以及電子傳遞[7]。研究顯示，核因子κB受體激活劑配體(NF-κB receptor activator ligand，RANKL)誘導骨髓巨噬細胞(bone marrow macrophages，BMMs)生成破骨細胞，線粒體大小和數(shù)量隨之增加，成熟的破骨細胞含有大量線粒體[8-10]。在RANKL誘導破骨細胞形成過程中，PGC-1β的表達增加，體外敲低PGC-1β，線粒體基因表達受到抑制，破骨細胞分化受到抑制。并且，PGC-1β全KO小鼠由于成熟破骨細胞形態(tài)異常，骨吸收功能受損，μCT顯示，骨量增加[11]。另有研究顯示，RANKL誘導PGC-1β敲除型和野生型 BMMs破骨向分化未出現(xiàn)明顯差異，而PGC-1β敲除的成熟破骨細胞功能受抑制，這種功能的缺陷是由于破骨細胞肌動蛋白環(huán)的形成障礙以及細胞骨架功能障礙引起，并且這種破骨細胞PGC-1β特異性敲除的小鼠出現(xiàn)骨硬化癥[12]。這些研究表明線粒體生物發(fā)生對破骨細胞的分化和功能具有重要意義。

PGC-1β敲除的破骨細胞出現(xiàn)的肌動蛋白環(huán)缺失可通過過表達GPCR激酶2相互作用蛋白1(GPCR kinase 2 interacting protein1，GIT1)得到明顯的改善，過表達GIT1顯著增加了線粒體酶Cox1、Cox3、ND4和Cytb的表達。這項研究說明，PGC-1β以線粒體/GIT1依賴性方式調節(jié)破骨細胞的細胞骨架，調節(jié)破骨細胞的骨吸收能力[12]。ASXL2是Trithorax和Polycomb增強子(enhancers of trithorax and polycomb，ETP)家族的一種蛋白，調節(jié)組蛋白甲基化，ASXL2能夠調控PGC-1β表達和破骨細胞分化，并且ASXL2基因敲除小鼠出現(xiàn)骨硬化表型[13]。與PGC-1β共同協(xié)調發(fā)揮作用的還有氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ，轉錄因子核受體家族成員之一)和雌激素相關受體α(estrogen-related receptorα，ERRα)。破骨細胞分化過程中，PPARγ的激活可通過下調β-Catenin和降低c-jun的含量間接誘導PGC-1β表達。反過來，PGC-1β充當PPARγ共激活劑，刺激破骨細胞分化。另外，PPARγ還誘導ERRa表達，ERRa與PGC-1β協(xié)調以增強線粒體的生物發(fā)生和破骨細胞功能。ERRa基因敲除小鼠破骨細胞功能出現(xiàn)缺陷[14]。這些研究充分說明了PGC-1β參與破骨細胞分化的重要過程(圖 1)。

圖1 破骨細胞的能量代謝及調控機制示意圖Fig.1 Model for energy metabolism and regulatory mechanism of osteoclasts

線粒體具有自身的基因組，人類線粒體基因能夠編碼合成定位于線粒體內(nèi)膜上的13種蛋白，這些蛋白是線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ至復合體Ⅳ的核心組成部分[15]。線粒體轉錄因子A(Tfam)調節(jié)mtDNA的轉錄和修復，并控制mtDNA的拷貝數(shù)，是線粒體生物發(fā)生的重要調控因子[16-17]。Tfam特異性敲除的破骨細胞mtDNA減少，ATP的產(chǎn)生降低，凋亡加快。但是體內(nèi)研究顯示，破骨細胞Tfam選擇性敲除的小鼠骨量與WT小鼠相似，而且該基因型小鼠的破骨細胞凋亡加快，骨吸收活性增強[18]。這些結果表明線粒體的生物發(fā)生似乎并不是破骨細胞形成和發(fā)揮功能的關鍵決定因素。

2 氧化磷酸化及調控機制

葡萄糖氧化磷酸化已被確定為破骨細胞分化形成的主要能量來源[19]。RANKL誘導破骨細胞分化前期(48 h以內(nèi)，未成熟破骨細胞)，線粒體呼吸作用增強，用線粒體復合物抑制劑(如魚藤酮和抗霉素A)或ATP合酶抑制劑(寡霉素)阻斷ATP的產(chǎn)生，破骨細胞的生成受到了阻礙[20-21]。與破骨前體細胞(未成熟破骨細胞)相比，RANKL誘導破骨細胞分化后，線粒體呼吸鏈蛋白表達升高，完全分化的破骨細胞顯示出更高量的電子傳遞鏈酶[8]。全身敲除線粒體復合體Ⅰ亞基Ndufs4的小鼠，呈現(xiàn)骨量增加的表型。Ndufs4敲除小鼠的BMMs，體外RANKL誘導培養(yǎng)顯示，多核抗酒石酸酸性磷酸酶陽性(anti-tartaric acid phosphatase positive，TRAP+)細胞(破骨細胞)數(shù)量減少、體積變小、骨吸收活性降低[22]。MYC能夠誘導ERRα和電子傳遞鏈(electron transfer chain，ETC)基因的表達，在激活氧化磷酸化中起重要作用。破骨細胞特異性MYC敲除的小鼠骨量增加，并能夠有效地對抗卵巢切除術(ova -riectomy，OVX)誘導的骨丟失[23]。但是與破骨細胞分化相反，體外研究成熟破骨細胞發(fā)揮骨吸收功能代謝特點時發(fā)現(xiàn)，氧化磷酸化作用降低，骨吸收反而增強。用不產(chǎn)生毒性計量的魚藤酮(線粒體復合體I的抑制劑)處理破骨細胞，破骨細胞骨吸收活性增強[8]。這些研究說明破骨細胞分化和發(fā)揮骨吸收功能的不同階段能量代謝方式不同。除了氧化磷酸化外還存在其他的重要代謝途徑，現(xiàn)在研究比較多的是糖酵解途徑。

3 糖酵解及調控機制

葡萄糖代謝被證明是破骨細胞的主要能量來源[19,24-25]。研究顯示，與未進行誘導的BMMs相比，RANKL誘導的前期破骨細胞(48 h以內(nèi)，未成熟破骨細胞)，糖酵解速率增加[20]，糖酵解作用增強[26]。破骨細胞分化過程中6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-雙磷酸酶3(PFKFB3)被上調，它是糖酵解過程的一種限速酶。PFKFB3在BMMs中的遺傳缺陷和藥理抑制能夠抑制破骨細胞的分化和功能，腹腔注射PFKFB3抑制劑PFK15可防止卵巢切除術引起的骨丟失，其作用機制是抑制破骨細胞分化過程中重要信號通路分子NF-κB和MAPK的活化[21]。在破骨細胞分化形成過程中，RANKL激活HIF-1α并誘導Glut1和糖酵解酶的表達[27]，Glut1是破骨細胞分化所必需的[19]。乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)催化丙酮酸轉化為乳酸，體內(nèi)和體外實驗均證明，LDHA或LDHB的敲低會降低代謝水平，下調NFATc1表達，抑制破骨細胞前體的融合[26]。這些結果說明在破骨細胞分化階段，糖酵解作用增強，并且發(fā)揮重要的作用。

體外BMMs誘導為破骨細胞過程中，在BMMs、前破骨細胞和成熟破骨細胞(mature osteoclast，mOC)3個不同階段，應用全基因表達分析技術解析代謝變化，結果顯示，在mOC中，Glut1的表達明顯高于BMMs。糖酵解過程限速酶，包括己糖激酶(hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructo-kinase，PFK)和丙酮酸激酶在mOC中的表達同樣升高，乳酸脫氫酶A和B以及血管內(nèi)皮生長因子A和B在mOC中的表達也明顯增加[28]。相對于靜止的前體細胞，成熟的破骨細胞擁有更高的糖酵解速率[8]。當成熟的破骨細胞暴露于僅有葡萄糖的培養(yǎng)基中時，Ⅰ型膠原蛋白的降解活性明顯增強，免疫組織化學分析發(fā)現(xiàn)與糖酵解途徑相關的丙酮酸激酶2(pyruvate kinase 2，PKM2)和甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH)位于成熟破骨細胞的封閉區(qū)域，該區(qū)域是發(fā)揮骨吸收的重要部位。這些結果表明糖酵解是成熟破骨細胞骨吸收階段的主要能量來源[8]。

破骨細胞中谷氨酰胺能夠轉化為谷氨酸，進而轉化為α-KG提供能量，缺失谷氨酰胺，破骨細胞分化受到抑制，但是添加可透膜的a-KG類似物能夠緩解分化抑制，突顯了谷氨酰胺分解供應a-KG在破骨細胞分化中的重要性[28]。

破骨細胞分化過程伴隨著線粒體的生物發(fā)生，并且在分化前期氧化磷酸化和糖酵解作用都呈上升趨勢，而糖酵解作用在破骨細胞成熟階段作為主要能量來源?？傊乒羌毎哪芰看x是一個復雜的系統(tǒng)，其如何影響破骨細胞的分化和功能還有待進一步研究。

4 展望

骨質疏松癥的主要特征是成骨細胞與破骨細胞共同作用下骨量下降和骨三維結構破壞[29]。骨質疏松性骨折嚴重影響老年人生活質量, 也是導致老年人死亡的常見原因之一[30]。研究破骨細胞的能量代謝，是為了從能量代謝的角度來尋找潛在的靶點，通過影響破骨細胞的分化和功能調節(jié)骨平衡，即對骨質疏松癥的發(fā)生進行有效的干預。