線粒體質(zhì)量控制調(diào)控骨質(zhì)疏松的研究機(jī)制進(jìn)展*

胡艷東，王永慶**，孫魯寧

1南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，南京 210029;2南京醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，南京 211166

1 骨質(zhì)疏松中的線粒體質(zhì)量控制

線粒體與一系列生物過程有關(guān)，包括氧化還原平衡、鈣穩(wěn)態(tài)、能量產(chǎn)生、代謝和細(xì)胞死亡[1]。線粒體質(zhì)量控制（mitochondrial quality control，MQC）是一種細(xì)胞內(nèi)機(jī)制，旨在維持線粒體的結(jié)構(gòu)完整性、功能穩(wěn)定性和適應(yīng)性，以確保細(xì)胞能夠有效地執(zhí)行其生物學(xué)功能。MQC 監(jiān)測和維護(hù)線粒體的健康狀態(tài)，并針對受損或功能異常的線粒體采取相應(yīng)的修復(fù)或清除策略[2]，其關(guān)鍵機(jī)制包括線粒體生物發(fā)生、線粒體的融合/分裂以及線粒體自噬。線粒體生物發(fā)生補(bǔ)充線粒體成分；線粒體融合/裂變通過調(diào)控線粒體網(wǎng)絡(luò)，使線粒體正常運(yùn)作并且適應(yīng)細(xì)胞生長、分裂和損傷反應(yīng)；線粒體自噬選擇性地去除受損和功能失調(diào)的線粒體，維持線粒體群體的整體健康和功能[3]。

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OP）是一種全身性和代謝性骨病，隨著人口老齡化的加劇，OP 已成為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[4]。骨形成過程需要破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的協(xié)同作用：破骨細(xì)胞是源自骨髓/單核細(xì)胞譜系的終末分化的多核細(xì)胞，主要負(fù)責(zé)骨吸收；成骨細(xì)胞來自骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs），可礦化形成新的骨質(zhì)。研究表明，OP 發(fā)展過程中常常伴有代謝過程的變化和線粒體功能障礙[5，6]，原發(fā)性線粒體疾病中也普遍存在導(dǎo)致骨骼健康不良的危險(xiǎn)因素[7]。線粒體質(zhì)量控制失調(diào)會(huì)加劇線粒體功能障礙，因此，詳細(xì)闡明線粒體質(zhì)量控制機(jī)制，對于維持骨骼健康、使骨骼免受線粒體功能障礙的影響十分重要。

2 線粒體生物發(fā)生和骨質(zhì)疏松

2.1 線粒體生物發(fā)生

線粒體生物發(fā)生是指預(yù)先存在的線粒體的生長和分裂，從而產(chǎn)生新的線粒體的過程[8]。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 coactivator-1α，PGC-1α）是線粒體生物發(fā)生的“主要調(diào)節(jié)劑”，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）和沉默信息調(diào)節(jié)因子（sirtuin，SIRT）通過磷酸化和脫乙?；閷?dǎo)PGC-1α 的活性，后者激活核呼吸因子-1、核呼吸因子-2（nuclear respiratory factor 1/2，NRF-1/2）、過氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferatoractivated receptor-α，PPAR-α）、雌激素相關(guān)受體（estrogen-related receptors,ERRs）等轉(zhuǎn)錄因子，刺激線粒體生物生成和呼吸，促進(jìn)線粒體復(fù)制和轉(zhuǎn)錄、線粒體蛋白的合成以及新的線粒體生物發(fā)生[9]。其中，NRF1 和NRF2 促進(jìn)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的表達(dá)，TFAM 激活mtDNA 轉(zhuǎn)錄并且參與mtDNA 復(fù)制過程，是mtDNA 轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的最終效應(yīng)因子[10]。

圖1 線粒體質(zhì)量控制作用機(jī)制（使用BioRender 繪制）

2.2 線粒體生物發(fā)生對成骨細(xì)胞的調(diào)控

BMSCs 分化為成骨細(xì)胞的過程以及成骨細(xì)胞的增殖分化中均伴隨著線粒體生物發(fā)生的上調(diào)[11]。研究人員發(fā)現(xiàn)，在BMSCs 的成骨分化過程中，雌激素相關(guān)受體α（estrogen-related receptor α，ERRα）通過增加線粒體內(nèi)谷氨酰胺酶的表達(dá)增強(qiáng)線粒體功能，在老年小鼠的BMSCs 中，PGC-1α 和ERRα的表達(dá)減少，但ERRα 的補(bǔ)償作用可以挽救BMSCs的成骨能力[12]。MA J 等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇通過上調(diào)沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，SIRT1）表達(dá)激活PGC-1α，線粒體生物發(fā)生增加，ATP 產(chǎn)生增多，從而促進(jìn)了小鼠胚胎或骨細(xì)胞前體細(xì)胞（MC3T3-E1 細(xì)胞）的成骨分化。MüLLER DIH 等[14]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子PPAR-δ 參與調(diào)節(jié)線粒體代謝并增加線粒體呼吸，是成骨細(xì)胞分化和礦化所必需的。此外，過表達(dá)PGC-1α 能夠抑制成骨細(xì)胞中由SIRT3 敲低引起的線粒體密度、膜電位和堿性磷酸酶活性降低[15]。TANG X[16]的研究顯示，NaB 通過調(diào)節(jié)Nrf2/GSK-3β 信號通路激活PGC-1α和TFAM，增強(qiáng)線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)、能量代謝以及線粒體抗氧化酶的活性，從而對骨具有保護(hù)作用。另外，線粒體DNA 聚合酶γ（DNA polymerase γ，Polg）在線粒體中起著關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)細(xì)胞中線粒體DNA的復(fù)制和修復(fù)。DOBSON PF 等[17]的研究表明，Polg突變導(dǎo)致成骨細(xì)胞線粒體呼吸鏈蛋白表達(dá)減少，引起線粒體功能障礙，加速骨質(zhì)流失和骨形成的減少。綜上所述，線粒體生物發(fā)生對于骨的形成具有重要意義。

2.3 線粒體生物發(fā)生對破骨細(xì)胞的調(diào)控

與PGC-1α 類似，PGC-1β 是線粒體生物形成的強(qiáng)激活劑，可調(diào)節(jié)能量代謝的多個(gè)方面。在破骨細(xì)胞形成過程中，SIRT3 通過調(diào)節(jié)AMPK-PGC-1β和ERRα 的表達(dá)，增強(qiáng)mRNA 和蛋白質(zhì)水平[18]。ISHII KA 等[19]發(fā)現(xiàn)PGC-1β 和鐵吸收協(xié)同促進(jìn)線粒體生物合成以激活破骨細(xì)胞分化，PGC-1β 缺失則會(huì)抑制體外破骨細(xì)胞生成。WEI W 等[20]的研究也表明PGC1-β 與PPAR-γ 協(xié)同增強(qiáng)線粒體生物發(fā)生和破骨細(xì)胞功能。然而，ZHANG Y 等[21]認(rèn)為破骨細(xì)胞譜系細(xì)胞中PGC-1β 缺失雖然會(huì)導(dǎo)致線粒體生物豐度和功能降低、破壞破骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架組織和功能，但并不會(huì)影響破骨細(xì)胞生成。因此，對于線粒體生物發(fā)生對破骨細(xì)胞的功能調(diào)控仍需更多探索。

3 線粒體動(dòng)力學(xué)和骨質(zhì)疏松

3.1 線粒體的裂變和融合

線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，具有恒定的運(yùn)動(dòng)和形態(tài)變化，形成動(dòng)態(tài)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，該過程被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)，涉及線粒體融合和裂變以及線粒體分布[22]。線粒體裂變產(chǎn)生較小的細(xì)胞器，維持線粒體的數(shù)量、細(xì)胞極性并幫助消除受損的線粒體；線粒體融合促進(jìn)線粒體內(nèi)容物相互交換和連接，以提供足夠的能量，減輕氧化損傷，保持膜電位[23]。裂變和融合之間的動(dòng)態(tài)平衡對于維持最佳線粒體功能以及滿足細(xì)胞特定能量代謝需求至關(guān)重要[24]。哺乳動(dòng)物中，運(yùn)動(dòng)蛋白酶和動(dòng)力蛋白沿著微管網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)，將線粒體輸送到需要ATP 的區(qū)域以及與線粒體功能相關(guān)的其他方面，如鈣穩(wěn)態(tài)[25]。

線粒體裂變主要依賴于細(xì)胞質(zhì)中的動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，DRP1），在應(yīng)激條件下，細(xì)胞質(zhì)中的DRP1 被線粒體外膜上的線粒體裂變因子（mitochondrial fission factor，MFF）、線粒體裂變蛋白1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)IS1）等線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白募集到裂變部位[26]。DRP1 是三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）酶，裂變時(shí)DRP1 在收縮位點(diǎn)周圍聚集，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，隨后DRP1 以GTP 依賴的方式刺激線粒體膜收縮，促使線粒體內(nèi)外線粒體膜破裂以及線粒體裂變，進(jìn)而分離有缺陷的和去極化的線粒體[23]。

線粒體融合過程包括線粒體內(nèi)外膜的結(jié)合。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中協(xié)調(diào)這一過程的主要蛋白質(zhì)是由核基因編碼的，同屬動(dòng)力蛋白相關(guān)的GTP 酶家族，包括線粒體融和蛋白1 和2（mitofusin1/2，MFN1/2）和視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）。MFN1/2 相互連接束縛相鄰的線粒體并介導(dǎo)外膜的融合。OPA1 具有N 末端結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域內(nèi)含有用于線粒體導(dǎo)入的線粒體靶向序列（mitochondrial targeting sequence，MTS），以及將MTS 錨定到線粒體內(nèi)膜的跨膜結(jié)構(gòu)域和卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域。因此，OPA1 參與線粒體內(nèi)膜的融合，并保持線粒體結(jié)構(gòu)和內(nèi)膜的完整性[27]。

3.2 線粒體動(dòng)力學(xué)對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的調(diào)控

BMSC 成骨分化能力減弱是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松發(fā)生的主要原因之一[28]，研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)在體內(nèi)和體外干細(xì)胞的自我更新和分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。線粒體裂變參與維持BMSC 的干性[29]。最新的研究顯示，在成骨過程中，線粒體裂變增加，導(dǎo)致小型線粒體增多以及線粒體衍生囊泡（mitochondrialderived vesicles，MDVs）增加，線粒體和MDVs 從成骨細(xì)胞中釋放到胞外基質(zhì)中，促進(jìn)成骨祖細(xì)胞的成熟分化和骨形成。敲低OPA1 或者過表達(dá)FIS1 會(huì)增加線粒體裂變、MDVs 釋放，并加速成骨過程，這充分說明了線粒體形態(tài)改變在骨形成當(dāng)中的重要性[30]。體外研究表明，在腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞炎癥模型中，DRP1發(fā)揮重要作用。線粒體分裂抑制劑1（mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1）可以顯著改善由DRP1上調(diào)引起的線粒體形態(tài)異常、線粒體功能障礙和成骨細(xì)胞損傷[31]。高葡萄糖會(huì)改變成骨細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)，表現(xiàn)為成骨細(xì)胞內(nèi)DRP1 表達(dá)減少、融合線粒體增加、碎片化線粒體減少，同時(shí)，線粒體生物發(fā)生減少，損害成骨細(xì)胞的遷移和趨化性[32]。在破骨細(xì)胞中，MFN1 和MFN2 的雙重缺失導(dǎo)致雌性小鼠體內(nèi)骨量增加，MFN2 的過表達(dá)可逆轉(zhuǎn)破骨細(xì)胞生成缺陷，表明線粒體動(dòng)力學(xué)對骨吸收有顯著影響[33]。DRP1 在破骨細(xì)胞分化過程中通過活化T 細(xì)胞核因子1（nuclear factor of activated T cells 1，NFATC1）發(fā)揮重要作用，使用DRP1 抑制劑可有效防止體內(nèi)脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或卵巢切除（ovariectomized，OVX）誘導(dǎo)的過度骨質(zhì)流失[34]。線粒體的分裂和融合對于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性具有非常重要的影響，對線粒體動(dòng)力學(xué)的干預(yù)成為了一種潛在的治療骨質(zhì)疏松癥的策略。

4 線粒體自噬和骨質(zhì)疏松

4.1 線粒體自噬的形成和分類

線粒體自噬是一種特殊形式的自噬，選擇性分解受損線粒體并促進(jìn)線粒體代謝，專門作用于降解受損或功能失調(diào)的線粒體[35]。根據(jù)吞噬囊泡與受損線粒體識(shí)別機(jī)制的不同可大致分為泛素依賴型及受體依賴型線粒體自噬[36]。

泛素依賴型線粒體自噬主要是指PTEN 誘導(dǎo)激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）和E3 泛素-蛋白連接酶（E3 ubiquitin-protein ligase，PARKIN）通過線粒體自噬激活參與維持線粒體質(zhì)量的過程[37]。在正常生理情況下，PINKI 和PARKIN 通過MTS 持續(xù)靶向正常的線粒體。當(dāng)線粒體損傷時(shí)，線粒體膜電位去極化阻止PINK1 進(jìn)入內(nèi)膜，隨后PINK1 在線粒體外膜大量聚集磷酸化泛素，促進(jìn)PARKIN 由胞漿向線粒體膜轉(zhuǎn)位，激活線粒體自噬[38]。微管相關(guān)蛋白1 輕鏈 3（microtubule-associated protein light chain-3，LC3）是吞噬囊泡上的一種表面分子，它與泛素化蛋白如視神經(jīng)病變誘導(dǎo)反應(yīng)蛋白（optineurin，OPTN）、核點(diǎn)蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）等與相互作用，誘導(dǎo)自噬體的形成，降解受損的線粒體[39]。

受體依賴型自噬由線粒體外膜上的含長鏈反向重復(fù)序列（long inverted repea，LIR）的線粒體自噬相關(guān)受體介導(dǎo)。缺氧狀態(tài)下，BCL2 相互作用蛋白3（BCL2 interacting protein 3，BNIP3）和NIP3 樣蛋白（NIP3-like protein X，NIX）能夠與BCL-2 家族蛋白結(jié)合，通過抑制雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）或調(diào)節(jié)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生來激活線粒體自噬。BNIP3 的N 端具有LIR 序列，可識(shí)別LC3 并與之直接結(jié)合，從而被吞噬囊泡識(shí)別并誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生。除BNIP3/NIX 途徑外，含F(xiàn)UN14 結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUN14 domain-containing protein 1，F(xiàn)UNDC1）同樣定位于線粒體外膜，通過其LIR 結(jié)構(gòu)域與LC3 直接相互作用，直接誘導(dǎo)線粒體自噬[40]。

4.2 線粒體自噬對成骨細(xì)胞的調(diào)控

成骨細(xì)胞分化和成熟過程受到線粒體自噬的調(diào)節(jié)。線粒體自噬被抑制時(shí)會(huì)加劇糖尿病小鼠成骨能力的喪失和骨質(zhì)流失[41]，LEE SY 等[42]發(fā)現(xiàn)PINK1在骨質(zhì)疏松癥患者中下調(diào)，PINK1 缺失加劇了OVX誘導(dǎo)的小鼠骨質(zhì)減少。同時(shí)，體外實(shí)驗(yàn)表明，PINK1能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化，Pink1-/-成骨細(xì)胞線粒體質(zhì)量減少、異常線粒體增加、受損線粒體的選擇性清除減少，表明PINK1 在成骨細(xì)胞的線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬中發(fā)揮作用。LIU X 等[43]表明線粒體自噬可清除受損的線粒體，防止成骨細(xì)胞凋亡。線粒體自噬參與骨質(zhì)疏松的調(diào)節(jié)還與磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）等信號有關(guān)。YANG X 等[44]的實(shí)驗(yàn)證明，白藜蘆醇通過介導(dǎo)SIRT1 和PI3K/AKT/mTOR 信號通路增強(qiáng)線粒體自噬來預(yù)防地塞米松治療大鼠的成骨細(xì)胞功能障礙和骨質(zhì)疏松癥。ZHAO B 等[45]發(fā)現(xiàn)益母草通過抑制PI3K/AKT/mTOR途徑激活線粒體自噬防止BMSCs 中ROS 的產(chǎn)生，從而保護(hù)BMSCs 的增殖和分化免受氧化應(yīng)激。

4.3 線粒體自噬對破骨細(xì)胞的調(diào)控

最新的研究表明，線粒體自噬在破骨細(xì)胞的分化中起著至關(guān)重要的作用。SIRT3 通過介導(dǎo)PINK1的去乙?；饔茫{(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的線粒體自噬，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。使用SIRT3 抑制劑LC-0296 可以部分抑制破骨細(xì)胞功能，減弱由雌激素缺乏或衰老引起的骨吸收增加和骨量減少，從而預(yù)防骨質(zhì)疏松的發(fā)生[46]。通常情況下，破骨細(xì)胞是終末分化的細(xì)胞，其壽命僅2 周左右，在此之后會(huì)發(fā)生凋亡。然而，最新的研究發(fā)現(xiàn)，成熟的破骨細(xì)胞還會(huì)通過分裂形成較小的子細(xì)胞，研究人員將其稱為“osteomorphs”，它們能夠與鄰近的破骨細(xì)胞融合或自身融合，實(shí)現(xiàn)破骨細(xì)胞的循環(huán)[47]。在此基礎(chǔ)上的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬能夠促進(jìn)破骨細(xì)胞分裂，增加“osteomorphs”的形成，抑制線粒體自噬會(huì)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡[48]。線粒體自噬在破骨細(xì)胞的形成和存活中發(fā)揮重要作用，其與骨穩(wěn)態(tài)之間的機(jī)制仍然需要進(jìn)一步展開更深入的研究。

5 總結(jié)與展望

線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)在維護(hù)線粒體完整性和骨穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。線粒體氧化應(yīng)激、線粒體裂變?nèi)诤袭惓！⒕€粒體生物發(fā)生減少以及線粒體過度自噬等因素都與骨質(zhì)疏松的發(fā)生有關(guān)。調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制相關(guān)因子的表達(dá)，可以提高成骨細(xì)胞的成骨能力和降低破骨細(xì)胞的破骨能力，從而達(dá)到治療骨質(zhì)疏松的目的。

目前，骨質(zhì)疏松中線粒體質(zhì)量控制的研究處于早期階段，仍存在以下問題：①不同細(xì)胞類型中線粒體質(zhì)量控制能力的變化、線粒體質(zhì)量控制作用時(shí)間、程度以及周圍微環(huán)境可能會(huì)對組織損傷和修復(fù)產(chǎn)生不同甚至相反的影響。因此，有必要確定成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞線粒體質(zhì)量控制能力的改變對骨質(zhì)疏松的影響。②線粒體質(zhì)量控制各機(jī)制之間相互作用串?dāng)_，任何一個(gè)機(jī)制的變化都將影響其他機(jī)制，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)。③目前研究多集中于動(dòng)物和細(xì)胞層面，臨床應(yīng)用仍然需要大量的實(shí)驗(yàn)研究證據(jù)，進(jìn)一步開展相關(guān)機(jī)制及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等方面的研究，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。全面理解線粒體質(zhì)量控制的機(jī)制，維持線粒體數(shù)量及質(zhì)量的內(nèi)穩(wěn)態(tài)對于預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松具有重要的臨床意義，也為相關(guān)藥物的研究和開發(fā)提供了新的方向。