AMPK通路介導(dǎo)骨代謝相關(guān)細(xì)胞自噬調(diào)控牙周炎骨穩(wěn)態(tài)的研究進展

李炎杰，劉旺，和紅兵

1.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院牙周科，云南昆明（650106）；2.云南省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，云南昆明（650106）

腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在自噬調(diào)控中起著關(guān)鍵作用［1］。自噬（autophagy）是在自噬相關(guān)基因（autophagy-related gene，ATG）編碼蛋白的調(diào)控下，細(xì)胞通過次級溶酶體對自身的細(xì)胞器、生物大分子等底物進行消化分解的現(xiàn)象，其與破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化、凋亡及功能密切相關(guān)［2-3］。牙周炎的主要臨床癥狀是附著喪失及牙槽骨的骨吸收［4-5］。近期有研究發(fā)現(xiàn)，AMPK 參與牙周炎癥、骨代謝相關(guān)細(xì)胞細(xì)胞自噬水平的調(diào)控。本文擬對AMPK 介導(dǎo)的骨代謝相關(guān)細(xì)胞自噬調(diào)控牙周炎癥水平及骨穩(wěn)態(tài)作綜述。

1 AMPK 通路主要成員

AMPK 通常以異源三聚體復(fù)合物出現(xiàn)，內(nèi)含一個催化性α 亞單位、調(diào)節(jié)性β 和γ 亞單位，可對體內(nèi)ATP 不足做出反應(yīng)，在其被激活后，可對補充細(xì)胞ATP 的信號通路做出正向調(diào)控，這些通路包括細(xì)胞自噬［6］。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR 位于AMPK 下游，通常形成2 個不同的復(fù)合體，即mTOR 復(fù)合體1（mTOR complex 1，mTORC1）和mTOR 復(fù)合體2（mTOR complex 2，mTORC2），其中mTORC1 是一個包含mTOR、雷帕霉素調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（regulatory-associated protein of mTOR，Raptor）、哺乳動物致死蛋白sec-13 蛋白8（mammalian lethal with sec-13 protein 8，mLST8）的多蛋白復(fù)合物，其對雷帕霉素的抑制敏感，對自噬起負(fù)調(diào)控作用［7］。ULK1 為酵母Atg1 的哺乳動物同源基因，是mTOR下游靶點，它通常與ATG13、FIP200 和ATG101 組成復(fù)合體，在自噬小體的啟動過程中，發(fā)揮著重要作用［8］。研究發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)外可通過激活A(yù)MPK/mTOR/ULK1 信號通路而激活自噬，而抑制AMPK則對自噬流起負(fù)調(diào)節(jié)作用［9-10］。

2 自噬與牙周炎

自噬是在營養(yǎng)缺乏或其他因素刺激下，細(xì)胞通過次級溶酶體對體內(nèi)某些生物分子進行消化降解的現(xiàn)象。通常根據(jù)胞內(nèi)物質(zhì)運送至溶酶體的途徑不同將自噬分為3 類：巨自噬（macroautophagy）、微自噬（microautophagy）和分子伴侶介導(dǎo)的自噬（chaperone-mediatedautophagy）［11］。由于巨自噬是對環(huán)境和生理信號作出反應(yīng)的最主要的自噬方式，一般將巨自噬簡稱為“自噬”［12］。細(xì)胞自噬大致分為5 個階段：①啟動；②自噬泡成核；③自噬小體擴張和底物選擇；④自噬小體與溶酶體融合；⑤底物被降解［13］。Bullon 等［14］首次描述了牙周炎患者中的自噬水平的顯著激活，他們發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，牙周炎患者外周血單個核細(xì)胞的自噬基因表達(dá)水平增加，兩者之間存在顯著的正相關(guān)。在非靈長類動物牙周炎模型中，通過基因芯片篩查對比牙周炎側(cè)和健康側(cè)的牙齦組織發(fā)現(xiàn)，牙周炎側(cè)牙齦組織中的自噬早期基因ULK 和晚期基因ATG12 在牙周炎進展期（1～3 個月）明顯被激活［15］。An 等［16］發(fā)現(xiàn)在牙周炎中，牙周膜干細(xì)胞（periodontal ligament stem cells，PDL）中的自噬水平高于正常組織，表現(xiàn)為LC3、Beclin-1、ATG7 和ATG12 蛋白水平較高，且自噬小體數(shù)量明顯增多。

3 自噬參與調(diào)控破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞的分化與凋亡

近年來，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)在破骨細(xì)胞的分化和成熟過程中，自噬作用增強，自噬活性與破骨細(xì)胞活性及存活率呈正相關(guān)［17-18］。破骨細(xì)胞主要由破骨前體細(xì)胞（osteoclast precursors，OCPs）分化而來，低濃度的白細(xì)胞介素-17A（interleukin-17A，IL-17A）可通過激活Beclin1 從而上調(diào)自噬水平，抑制RAW264.7 的凋亡，從而促進破骨細(xì)胞的形成［19］。自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-Methyladenine，3-MA）可抑制RAW264.7 向破骨細(xì)胞分化減少牙槽骨吸收，而激活自噬則會促進其向破骨細(xì)胞分化，加劇牙槽骨吸收［20-21］。成骨細(xì)胞作為維持骨穩(wěn)態(tài)的另一個重要的細(xì)胞，自噬在其分化和凋亡過程中同樣發(fā)揮著的重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)自噬對于人類成骨細(xì)胞的存活和礦化是必不可少的，成骨細(xì)胞在分化過程中由于自噬減少而容易發(fā)生凋亡，而雌激素可通過上調(diào)成骨細(xì)胞在分化過程中的自噬，從而提高成骨細(xì)胞的存活及成骨礦化能力［22］。

4 AMPK 參與調(diào)控自噬及牙周炎癥水平

4.1 AMPK 調(diào)節(jié)能量代謝及自噬

三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是生物體內(nèi)最直接的能量來源，而AMPK 是體內(nèi)重要的能量調(diào)節(jié)器，AMPK 主要通過減少合成脂肪基因和rRNA 的轉(zhuǎn)錄、核糖體蛋白的翻譯、膽固醇和脂肪酸的合成等ATP 消耗過程來維持能量平衡，同時增加葡萄糖和脂肪運輸、脂肪酸氧化、自噬、線粒體合成和氧化代謝等代謝途徑，以在能量不足時保護ATP［23］。自噬是通過溶酶體分解細(xì)胞內(nèi)外組分并將其在自噬泡中降解為簡單的分子，例如單糖、脂肪酸和氨基酸，然后這些分子可以進一步用于通過分解代謝產(chǎn)生ATP 或為必需蛋白質(zhì)的合成提供條件，所以自噬同樣也是維持能量穩(wěn)態(tài)的重要機制［24］。AMPK 是自噬重要的上游調(diào)控因子，其主要通過3 條途徑激活自噬從而調(diào)節(jié)能量代謝：①AMPK 活化后，通過直接激活ULK1 的Ser317 和Ser777 位點，ULK1 進一步激活A(yù)TG14 在Ser29 位點的磷酸化，從而促進自噬小體的形成。而mTORC1則通過抑制ULK1 的Ser757 位點的磷酸化，從而阻止了AMPK 對ULK1 的激活［25］；②AMPK 可通過抑制mTOR 的活化來激活自噬［26］。AMPK 激活后，通過結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體1/2（tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/2）-腦Ras 同源蛋白（Rashomologenrichedin brain，Rheb）途徑抑制mTOR，或者通過抑制雷帕霉素（Rapamycin，RAPA）來抑制mTORC1 的磷酸化，從而激活自噬［27-28］；③AMPK 還可通過直接磷酸化Beclin1 和液泡蛋白分類34（Vps34）來激活自噬。

4.2 AMPK 與牙周炎

體外促進AMPK 的磷酸化，可抑制RAW264.7細(xì)胞中腫瘤壞死因子-α（tumr necrosis factor αlpha，TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）和白細(xì)胞介素1β（interleukin-1 beta，IL-1β）等促炎細(xì)胞因子水平的顯著下調(diào)。同時，在牙周炎小鼠模型中，激活A(yù)MPK 信號通路可抑制炎癥反應(yīng)、炎癥細(xì)胞浸潤和促炎因子的分泌［29］。Li 等［30］在體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)光生物調(diào)節(jié)（photobiomodulation，PBM）通過激活A(yù)MPK 信號通路，能顯著改善牙周炎癥水平，減少牙槽骨的骨吸收，同時促進牙槽骨修復(fù)。AMPK 除了調(diào)控牙周炎本身，在牙周炎與系統(tǒng)性疾病相互作用機制中也發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。Xing 等［31］體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，牙周炎大鼠的肝細(xì)胞中AMPK磷酸化水平明顯下調(diào)，同時TNF-α、IL-1β 等炎癥因子的mRNA 及肝組織中脂肪變性程度顯著升高。AMPK 還可通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、炎癥因子及自噬等方式在糖尿病及牙周炎的相關(guān)調(diào)控機制中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用［32］。

5 AMPK 通過調(diào)控骨代謝相關(guān)細(xì)胞自噬水平影響骨代謝

5.1 AMPK 調(diào)控破骨細(xì)胞自噬及骨吸收

破骨細(xì)胞是體內(nèi)唯一負(fù)責(zé)骨吸收的細(xì)胞，在多種轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞因子的作用下先分化成OCP，再相互融合形成的多核巨細(xì)胞［33］。AMPK 基因敲低后，小鼠牙周炎癥及骨吸收更加明顯［34］。然而，也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，AMPK 信號通路參與了破骨細(xì)胞自噬的調(diào)控，抑制AMPK/mTOR/途徑可下調(diào)破骨細(xì)胞的自噬水平，從而降低破骨細(xì)胞骨吸收功能［35］。Tong 等［36］研究發(fā)現(xiàn)AMPK 可通過能量代謝及自噬途徑降低活化T 細(xì)胞相關(guān)胞漿因子-1（nuclear factor of activated T cells-1，NFATc-1）的表達(dá)從而抑制RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的分化和及骨吸收功能。自噬抑制劑3-MA 可通過升高p-AMPKα 水平，降低p-mTOR 水平，從而抑制RAW264.7 的Beclin-1、ATG5 蛋白水平和LC3-II/LC3-I 比值，以及自噬小體的形成，同時降低破骨細(xì)胞的形成和骨吸收功能。而自噬激動劑RAPA 則可逆轉(zhuǎn)3-MA 對RAW264.7 的影響［37］。

5.2 AMPK 調(diào)控成骨細(xì)胞自噬及骨重建

骨是一種動態(tài)組織，由成骨細(xì)胞形成，并在整個生命周期中被破骨細(xì)胞再吸收，生理情況下，破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞保持著的骨代謝的動態(tài)平衡，使骨骼結(jié)構(gòu)適應(yīng)最佳功能［38-39］。在體內(nèi)成骨細(xì)胞主要由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）而來。近期有學(xué)者發(fā)現(xiàn)AMPK 可通過增強BMSCs 自噬水平抑制成骨細(xì)胞的凋亡，從而減少骨吸收，促進骨再生。AMPKULK1 自噬軸在負(fù)壓創(chuàng)傷治療時可在體內(nèi)外促進成骨細(xì)胞分化，從而促進骨再生［40］。Ran 等［41］研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長因子-β 活化激酶1（TGF-β-activated kinase1，TAK1）可激活A(yù)MPK，并通過磷酸化ULK1S317 位點激活ULK1，抑制mTORC1，提高LC3-II 脂質(zhì)化及P62 降解水平，相反敲除AMPK 則阻斷了成骨細(xì)胞的自噬流。二甲雙胍是AMPK 激動劑，聚多巴胺模板羥基磷灰石（polydopamine-templated hydroxyapatite，tHA）聯(lián)合二甲雙胍可顯著降低活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生和凋亡，促進成骨分化。在tHA和二甲雙胍處理后LC3及Beclin-1水平升高，同時AMPK 和磷酸化升高，mTOR 磷酸化水平降低，成骨分化增強［42］。在體內(nèi)大鼠牙周炎時，AMPK 通路在二甲雙胍碳點（metformin carbon dots，MCDs）處理時促進成骨分化，促進牙槽骨的骨再生［43］。

6 小結(jié)與展望

牙周炎是口腔疾病中的常見病和多發(fā)病，嚴(yán)重的可導(dǎo)致大量的牙槽骨吸收，牙松動移位甚至脫落。目前臨床上對于牙周炎的治療仍然以牙周基礎(chǔ)治療為主，必要時牙周手術(shù)治療，以達(dá)到控制局部炎癥，促進牙周組織再生的目的，然而效果并不太理想。近年來，大量研究已證明AMPK 參與了牙周炎癥水平的調(diào)控，并可通過調(diào)控骨代謝相關(guān)細(xì)胞的自噬水平從而調(diào)節(jié)牙槽骨代謝，未來針對AMPK 及骨代謝相關(guān)細(xì)胞自噬水平的檢測具有一定的臨床應(yīng)用潛力。目前AMPK 作用于牙周炎中骨代謝相關(guān)細(xì)胞自噬的具體機制尚未完全闡明，有待進一步的研究。

【Author contributions】Li YJ wrote the article.Liu W revised the article.He HB reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.