自噬相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在骨代謝中的作用

李智卓，時(shí)利軍，高福強(qiáng)，孫 偉

1. 北京大學(xué)中日友好臨床醫(yī)學(xué)院骨科（北京 100029）

2. 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院中日友好醫(yī)院骨科（北京 100029）

3. 中日友好醫(yī)院骨壞死與關(guān)節(jié)保留重建中心（北京 100029）

自噬是一種高度保守細(xì)胞分解代謝和能量動(dòng)態(tài)循環(huán)的過程，在真核細(xì)胞增殖、分化和成熟過程中，它通過回收降解蛋白質(zhì)、受損的細(xì)胞器及致病微生物，為細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和生存提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，主要的自噬形式包括小自噬、大自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬三種，最終都將以細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)被運(yùn)送到溶酶體進(jìn)行降解和循環(huán)而告終[2]。參與骨代謝的細(xì)胞主要包括成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，有研究表明自噬在維持成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的細(xì)胞功能和動(dòng)態(tài)平衡方面起著重要作用，因此自噬在骨代謝過程中可能具有重要的調(diào)節(jié)作用[3]。本文就自噬在骨代謝中的作用進(jìn)行綜述，旨在探討自噬在骨代謝中的調(diào)控機(jī)制。

1 成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞與骨代謝

骨代謝受多種因素調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定的骨代謝需要多種干細(xì)胞不斷分化成熟，其中成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是參與骨代謝的主要細(xì)胞，這個(gè)過程既需要成骨細(xì)胞的鈣化、破骨細(xì)胞的吞噬，又需要一系列細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)。骨骼中不同類型的細(xì)胞具有不同的功能，來自骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨細(xì)胞是骨形成的主要功能細(xì)胞，負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化，而來自造血干細(xì)胞的破骨細(xì)胞是骨分解和吸收的主要功能細(xì)胞。骨代謝中成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間存在著復(fù)雜的聯(lián)系，它們共同參與骨骼發(fā)育和維持[4-5]。

2 細(xì)胞自噬概述

細(xì)胞自噬是組織衰老退變的有效保護(hù)機(jī)制。細(xì)胞自噬是從真核細(xì)胞到哺乳動(dòng)物高度保守的重要亞細(xì)胞事件之一，主要包括長壽蛋白和損傷細(xì)胞器的降解與循環(huán)利用。正常的自噬過程對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定及細(xì)胞生命活動(dòng)的順利進(jìn)行極其重要[6]。

自噬過程可分為自噬的誘導(dǎo)、自噬小體的形成、融合和分解四個(gè)步驟。迄今為止，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了30多種自噬相關(guān)基因（autophagy related gene，ATG），這些基因編碼的蛋白在自噬小體的形成和調(diào)控中起著關(guān)鍵作用[7]。在ATG蛋白中，ATG1、ATG6、ATG8和ATG5是自噬過程中的四個(gè)主動(dòng)調(diào)節(jié)因子。ATG1的激酶結(jié)構(gòu)域在自噬誘導(dǎo)中起著重要作用[8]。ATG1被激活后與ATG13相互作用并與FIP200結(jié)合，形成ATG1-ATG13-FIP200復(fù)合體，該復(fù)合體是自噬過程中哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)因子[9]。mTOR是控制細(xì)胞自噬的關(guān)鍵蛋白，能感受細(xì)胞的多種變化信號(hào)，加強(qiáng)或降低自噬的發(fā)生水平，是自噬調(diào)節(jié)的分子開關(guān)[10]。mTOR通過抑制ATG1來抑制自噬的啟動(dòng)。在細(xì)胞中，當(dāng)mTOR被激活時(shí)，會(huì)抑制ATG1的表達(dá)，進(jìn)而影響ATG1-ATG13-FIP200復(fù)合體的形成，從而抑制自噬小體的組裝。ATG6在自噬調(diào)控中的作用受Bcl-2的調(diào)控，Bcl-2與ATG6結(jié)合則抑制自噬，Bcl-2與 ATG6分離則誘導(dǎo)自噬的進(jìn)行。微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3）與磷脂酰乙醇胺 （phosphatidylethanolamine，PE）結(jié)合形成LC3-PE復(fù)合體，自噬小體在LC3-PE和ATG12-ATG5的驅(qū)動(dòng)下不斷延伸形成，然后自噬小體與溶酶體融合，包封于自噬體內(nèi)的物質(zhì)被溶酶體酶降解，并釋放進(jìn)入包漿中，被細(xì)胞重新代謝利用[1]。

3 自噬相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在成骨細(xì)胞代謝中的作用

3.1 sirtuins1

組蛋白脫乙酰酶sirtuins1（SIRT1）是一類高度保守的蛋白質(zhì)家族，是酵母沉默信息調(diào)節(jié)因子2（silent information regulator 2，Sir2）在哺乳動(dòng)物中的同源基因，在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞代謝功能調(diào)節(jié)方面起著關(guān)鍵作用。SIRT1最初是在篩選沉默子時(shí)分離出來的，是骨代謝的重要調(diào)節(jié)因子[11]。Cohen-Kfir等研究發(fā)現(xiàn)，雌性小鼠敲除SIRT1基因后，小鼠的骨量明顯下降，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化明顯減少，相反骨髓脂肪的生成變多[11]。Sun等研究證實(shí)，SIRT1在間充質(zhì)干細(xì)胞中的過表達(dá)促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，并延緩了間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在顆粒誘導(dǎo)的骨溶解動(dòng)物模型中，顆粒物可降低成骨細(xì)胞SIRT1的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子增高及細(xì)胞凋亡。若上調(diào)SIRT1表達(dá)，成骨細(xì)胞則可通過p53信號(hào)通路，顯著降低顆粒物誘導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子水平和成骨細(xì)胞的凋亡[12]。

3.2 FOXO3/MAPK8

叉頭轉(zhuǎn)錄因子（forkhead transcription factor，F(xiàn)OXO）是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族，主要由FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6組成，在細(xì)胞氧化應(yīng)激防御中起著重要作用[13]。Gómez-Puerto等研究發(fā)現(xiàn)，在分化過程中，由于需要更多的能量，線粒體代謝增加，活性氧生成隨之增加，導(dǎo)致FOXO3被活性氧激活，進(jìn)而激活自噬來降低活性氧的水平[13]。Wei等研究發(fā)現(xiàn)，氟可抑制細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬。在氟誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡中，通過絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）/c-Jun -氨基端蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinases，JNK）激活自噬，對細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用，進(jìn)而減少細(xì)胞的凋亡[14]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，在金屬顆粒誘導(dǎo)的骨溶解模型及成骨細(xì)胞中，由于金屬顆粒的刺激，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞核信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)1（endoplasmic reticulum to nucleus signaling，ERN1）被激活后通過MAPK8介導(dǎo)自噬[15]。

4 自噬相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在破骨細(xì)胞代謝中的作用

4.1 Beclin-1

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后產(chǎn)生的磨損顆粒會(huì)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成，導(dǎo)致骨溶解的發(fā)生。有研究表明，CD147、白介素17A（interleukin-17A，IL-17A）和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6（tumor necrosis factor receptor-associated factor 6，TRAF6）等分子參與了破骨細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)[16]。Su等研究發(fā)現(xiàn)，磨損顆粒能激活CD147，誘導(dǎo)自噬的發(fā)生，并通過增加Bcl-2相互作用卷曲蛋白（Bcl-2 interacting coiled-coil protein，Beclin-1）和核因子 -κB 受體激活劑配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）的水平，促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成[17]。Xue等研究發(fā)現(xiàn)，炎性細(xì)胞因子IL-17A也可通過調(diào)節(jié)Beclin-1活性，參與自噬的調(diào)節(jié)，進(jìn)而通過RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成[18]。Arai等研究發(fā)現(xiàn)，TRAF6作為一種E3泛素連接酶，可介導(dǎo)Beclin-1泛素化，進(jìn)而通過RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的生成[19]。總之，Beclin-1通路在破骨細(xì)胞自噬過程中的調(diào)節(jié)起著重要作用。

4.2 p62/SQSTM1

p62/sequestosome 1（p62/SQSTM1）是一類自噬特征性接頭蛋白，在RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。Kim等研究發(fā)現(xiàn)，山奈酚作為一種黃酮類化合物，在RANKL誘導(dǎo)的小鼠破骨細(xì)胞形成過程中，可通過降解p62/SQSTM1，抑制破骨細(xì)胞自噬并激活細(xì)胞凋亡[20]。Rea等研究發(fā)現(xiàn)，p62/SQSTM1通過自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)對泛素化的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)起主要調(diào)節(jié)作用，可能是自噬和細(xì)胞凋亡信號(hào)之間的分子開關(guān)[21]。

4.3 AMPK/mTOR

mTOR在破骨細(xì)胞分化過程中控制自噬信號(hào)通路的傳導(dǎo)，是自噬調(diào)節(jié)的分子開關(guān)。骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）是一種由成骨細(xì)胞分泌的糖蛋白，是骨代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。OPG是RANKL的受體，與RANKL的結(jié)合力非常高，可通過阻斷RANKL與核因子-κB受體激活劑（RANK）之間的相互作用來抑制破骨細(xì)胞的分化和骨吸收，在這一過程中，自噬由AMP活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路介導(dǎo)[22]。Tong等研究發(fā)現(xiàn)，OPG誘導(dǎo)的結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）與TSC1結(jié)合形成TSC復(fù)合體，使小G蛋白R(shí)heb失活，降低mTOR活性，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞自噬的發(fā)生[23]。在葡萄糖饑餓、細(xì)胞能量耗竭的情況下，AMPK被激活并使mTOR因子TSC2發(fā)生磷酸化，進(jìn)而關(guān)閉耗能的mTOR信號(hào)通路，誘導(dǎo)自噬的發(fā)生[24]。

4.4 HIF-1α

在缺氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxiainducible factor-1α，HIF-1α）在自噬的激活過程中起著重要作用。Zhao等研究發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下應(yīng)用3-甲基腺嘌呤抑制自噬可顯著抑制破骨細(xì)胞分化，提示自噬在缺氧誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化過程中具有重要意義，在細(xì)胞缺氧條件下，HIF-1α被激活，進(jìn)而誘導(dǎo)自噬的發(fā)生，最終上調(diào)破骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)[25]。在缺氧條件下，HIF-1α除了調(diào)節(jié)自噬的蛋白質(zhì)信號(hào)通路外，還調(diào)節(jié)了參與破骨細(xì)胞自噬的miRNA。破骨細(xì)胞分化過程中，HIF-1α的上調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平上抑制了miRNA-20a的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)自噬的發(fā)生[26]。

5 結(jié)語

成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是骨的重要細(xì)胞成分。成骨細(xì)胞來源于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，是成骨細(xì)胞系的終末分化狀態(tài)，是骨中含量最豐富的細(xì)胞類型。破骨細(xì)胞來源于造血干細(xì)胞，是唯一具有骨吸收功能的細(xì)胞。成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞的骨吸收之間的平衡構(gòu)成了骨代謝的兩個(gè)主要過程。自噬水平的高低會(huì)顯著影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能和活性，在骨代謝中起著至關(guān)重要的作用。有研究表明，骨代謝紊亂相關(guān)疾病如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和無菌性骨溶解與細(xì)胞自噬有著密不可分的聯(lián)系[27]。無菌性骨溶解是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后一個(gè)晚期并發(fā)癥，是關(guān)節(jié)置換術(shù)失敗的主要原因。骨溶解是由成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞的骨吸收之間的失衡引起的[28]。

本文主要討論了在骨代謝中，一些信號(hào)通路對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)作用，可以為骨代謝紊亂疾病的治療提供新的思路。自噬可能成為治療骨代謝紊亂疾病的潛在靶點(diǎn)，但自噬不同階段的精確調(diào)控機(jī)制目前尚不清楚，仍需進(jìn)一步研究，以便未來能將其應(yīng)用于臨床。