2023线粒体调控成骨细胞功能的研究进展.docx

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1、2023线粒体调控成骨细胞功能的研究进展成骨细胞是骨修复重建过程中负责骨形成的细胞，主要由骨髓中的间充质干细胞(bonemarrowmesenchymstemce11s,BMSCS)分化而来。成骨细胞分化和功能的异常是骨代谢疾病的重要发病原因口-2,表现为骨组织骨量减少、骨小梁稀疏，导致骨脆性增加、易于发生骨折。骨修复过程是由成骨细胞和破骨细胞协同完成的，首先破骨细胞分泌酸性物质将旧骨进行溶解、吸收，同时分泌成骨细胞募集因子；在募集因子作用下，成骨细胞通过线粒体能量供应和信号转导进行大量增殖、分化，迁移至骨修复部位形成新骨。随着研究的深入，已初步认识到线粒体在调节成骨细胞功能中的重要作用。本文

2、旨在阐明线粒体调节成骨细胞功能的潜在分子机制，为骨代谢相关疾病的防治提供新的靶点。1线粒体结构和功能线粒体是双层膜结构的细胞器，其结构亦是由膜分隔构成的4个区室组成：外膜、内膜、内外膜间隙和基质。线粒体途径的细胞凋亡蛋白定位于外膜、进行氧化磷酸化的蛋白质复合物定位于内膜形成的线粒体靖上，基质是线粒体基因组和蛋白翻译系统以及进行柠檬酸循环和脂肪酸-氧化代谢过程的部位引。线粒体蛋白是各区室发挥功能的物质基础，由线粒体基因组(mtDNA)和核基因组编码。mtDNA由一个大约16.6kb的环状、无内含子的双链DNA组成，含13个线粒体蛋白编码基因，即NADH泛醍氧化还原酶核心亚基16、细胞色素b、细胞

3、色素c氧化酶13和ATP合成酶4。核基因组编码99%的线粒体蛋白，核基因组编码的线粒体蛋白依赖于线粒体蛋白转位酶(如TOM、TIM23、SAM等)选择性运输到特定线粒体区室，其作用方可发挥5-7o线粒体在细胞增殖、分化等多种细胞生理中发挥着关键调控作用，在功能上调控能量的产生、信号传导和程序性细胞死亡，线粒体功能异常会导致骨质疏松症等与成骨细胞活性降低相关的骨科疾病。线粒体活性异常是老年性骨质疏松症的重要特征，功能障碍的线粒体会损害成骨、增加破骨细胞活性、加速骨流失8。进一步研究发现9,功能障碍的线粒体会释放mtDNA,mtDNA激活了成骨细胞中的炎症性I1-I信号导致成骨细胞增殖、分化矿化能

4、力，并增强了破骨细胞的生成，使用烯丙基硫(AS)可促进线粒体功能,并阻止依赖mtDNA释放的炎症性I1-I信号和破骨细胞生成。此外，线粒体移植可促进BMSCs向骨流失部位迁移并进行成骨分化10,从而改善骨质疏松。2线粒体对成骨细胞功能的调控线粒体是细胞发挥功能的动力车间，即可通过氧化磷酸化产生成骨细胞代谢所需的大量ATP,亦可通过参与成骨相关信号通路传导影响成骨细胞生成。线粒体对成骨细胞功能的调控，主要与线粒体氧化磷酸化、线粒体生物发生、线粒体动力学、线粒体自噬的改变相关。2.1 线粒体氧化磷酸化对成骨细胞的调控线粒体氧化磷酸(OXidatiVephosphory1ation,OXPHOS)过

5、程是细胞能量供应的主要途径。OXPHoS反应链发生在线粒体内膜，受呼吸链复合酶I-IV及ATP合成酶调控，伴随电子传递的形成。在电子传递链(e1ectrontransportchain,ETC)传递过程中，复合酶I(腺瞟岭二核甘酸脱氢酶)、复合酶W琥珀酸脱氢酶)氧化NADH、FADH2形成电子并将电子传递给辅酶Q,辅酶Q随后将电子传递给复合体I(细胞色素c氧化还原酶)，复合体III将电子传递给细胞色素c,最终经复合体IV(细胞色素c氧化酶)实现电子与氧气结合11ETC传递过程中形成了内膜两侧电化学梯度和质子动力(PMF)的形成12oATP合酶位于线粒体内膜上的Fo亚基13,PMF可驱动Fo亚基

6、将质子、ADPxPi泵入线粒体内膜，从而合成ATPo成骨细胞分化及矿化过程需要大量的能量供应，以合成高水平的胶原蛋白、骨基质蛋白，因此OXPHOS对于维持成骨细胞功能发挥着重要调控作用。近年研究发现,OXPHOS不仅通过提供ATP,亦可通过调控成骨相关信号传导影响成骨细胞增殖分化。Gremminger等14研究发现，OXPHOS水平降低会导致成骨分化降低，与成骨不全症密切相关。-catenin可通过入核与1EF/TCF等转录因子结合，调控成骨相关基因RUnX2、骨钙素的表达15,在成骨过程中发挥着重要作用。-catenin通过乙酰化状态维持活性，线粒体可产生乙酰基供体乙酰辅酶A(acety1-

7、CoA)zacety1-CoA进入三竣酸循环后可通过转化为柠檬酸盐离开线粒体，ATP柠檬酸裂解酶(ATPcitrateIyasexAC1Y)可将胞质柠檬酸转化回acety1-CoAoShares等16研究发现，使用半乳糖刺激OXPHOS可通过上调acety1-CoA水平刺激B-Catenin乙酰化从而促进成骨分化,使用SB204990抑制AC1Y活性，能够降低B-Catenin乙酰化水平，从而逆转半乳糖刺激OXPHOS对成骨细胞分化的调控表明OXPHOS可通过促进-catenin乙酰化支持成骨细胞分化。Smith等17研究发现，BMP2诱导成骨增殖分化过程中，需要通过激活AKT刺激OXPHOS

8、促进成骨增殖分化。番石榴果实提取物及其三菇成分如熊果酸和2-羟基熊果酸通过激活WwB-CateninGSK-3刺激OXPHOS促进成骨分化,使用鱼藤酮抑制ETC可阻断番石榴果实提取物对成骨分化的支持作用18。2.2 线粒体生物发生对成骨细胞的调控线粒体生物发生是成熟线粒体在mtDNA及核DNAmDNA)共同调控下，生成新的线粒体的过程,以修复线粒体结构、保证线粒体功能。线粒体生物发生包括其内外膜的合成、mtDNA的复制及其编码的线粒体蛋白的合成、nDNA编码的线粒体蛋白的合成与输入19,其关键调节因子是过氧化物酶体增殖物激活受体-1(peroxisomepro1iferator-activat

9、edreceptorgammacoactivator-1,PGC-1a)oPGC-I漏于中间调节因子,受上游信号分子激活如AMPKxSIRT1xSIRT3等激活后，可进而影响NEF-1NRF-2等下游信号分子活性,从而上调线粒体生物发生水平”等低ROS生成，维持线粒体质量，促进成骨细胞增殖分化20-21。在线粒体生物发生时，PGC-Ia通过与核呼吸因子I(NRFI)相互作用并促进其转录及表达，从而增加其下游线粒体转录因子A(TFAM)的水平，促进mtDNA的表达22。SIRTs是烟酰胺腺瞟岭二核苜酸(NAD+)依赖的去乙酰化酶，SIRT3可去乙酰化PGC-1a,Ding等研究发现23,SIRT

10、3介导PGC-1aNRF1和TFAM的活化并增加ROS水平,进一步研究发现zSIRT3通过去乙酰化激活PGC-Ia调控S0D2介导的线粒体生物发生，从而促进成骨细胞分化。利拉鲁肽和异牡荆素可通过促进脂联素受体(AdiPoRS)AMPKPGC-Iaf言号通路传导干预线粒体生物发生，促进成骨分化24-25。以上研究证实，线粒体生物发生与成骨细胞功能发挥密切相关，但研究多局限于线粒体生物发生的上游信号，而线粒体生物发生与成骨细胞增殖、分化的直接信号分布专导尚未揭示清楚，需要进一步探明。2.3 线粒体动力学对成骨细胞的调控线粒体处于不断分裂和融合的动态过程中，即线粒体动力学。线粒体动力学通过调控线粒体

11、功能维持细胞能量供应和信号传导，对细胞稳态具有重要调节作用，受线粒体动力学相关蛋白介导及调控。线粒体融合过程由视神经萎缩蛋白I(OPtiCatrophyprotein,0pa1)x线粒体融合蛋白12(mitofusin-12,Mfn12)介导26。在线粒体功能受损时，Mfn1/2通过其竣基端锚定于相邻线粒体外膜,经水解ATP释放能量引起线粒体外膜融合，随后经OPa1与相邻线粒体内膜锚定并实现其融合,以促进相邻线粒体的物质交换，维护线粒体功能的稳定27。线粒体分裂过程由动力相关蛋白1(dynamin-re1atedprotein1zDrP1)和线粒体分裂蛋白1(mitochondria1fiss

12、ionprotein1zFiSt)介导。在线粒体增殖或线粒体受损过程中Fist被激活并招募位于胞质中的DrP1至线粒体外膜分裂位点，包裹线粒体启动线粒体分裂，以促进线粒体分裂增殖、将受损线粒体分离并通过自噬降解28。线粒体动力学亦可通过影响能量生成、ROS氧堆积、信号转导干预成骨细胞活性。Forni等29研究发现，线粒体动力学变化在间充质干细胞向骨、脂肪和软骨细胞分化过程中是必须的，上调Mnf2水平，增加线粒体融合水平，可促进线粒体成骨分化；脂肪生成过程伴随着线粒体融合的增加，通过敲除Mnf2并上调Drp1抑制线粒体融合,线粒体氧化磷酸化水平降低，导致脂肪细胞生成受阻；抑制DrP1降低线粒体分

13、裂水平可促进软骨细胞增殖分化。与高分子量聚丙烯酸交联的胶原膜可促进间充质干细胞的成骨分化并增强体内骨再生，Wan等30研究发现，其潜在机制是通过调控线粒体动力学加速线粒体生成并调节线粒体动力学的稳态，以维持成骨细胞增殖分化过程中的能量需求。肿瘤坏死因子-面口白细胞介素-6(I1-6)z可通过上调Drp1水平导致线粒体过度分裂，ROS堆积，造成成骨细胞活力降低31,使用氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)或线粒体分裂抑制剂Mdivi-I可抵抗DrP1促进线粒体分裂造成的成骨细胞增殖分化能力降低，从而改善炎症诱导的成骨功能障碍。可见线粒体动力学通过调控线粒体功能，在成骨细胞增殖分化过程中发挥重要调控作

14、用。2.4 线粒体自噬对成骨细胞的调控线粒体自噬是指细胞对受损或不完整的线粒体进行降解、利用，以支持线粒体功能、维护细胞稳态。目前认为线粒体自噬途径主要分为两大类，包括同源性磷酸酶张力蛋白诱导的激酶1phosphataseandtensinhomo1ogue(PTEN)-inducedputativekinase1,PINK1E3泛素连接酶(Parkin)信号通路途径、线粒体受体蛋白调控途径。线粒体损伤时，线粒体外膜上的电信号刺激PINK1活化从而促进细胞浆中的Parkin激活，同时将其募集至外膜上32。激活的Parkin介导线粒体外膜上失去膜电位的蛋白质泛素化，在此过程中泛素接头蛋白p62s

15、equestosome-1被募集到线粒体上并与泛素化蛋白识别结合,并与微管相关蛋白1轻链3(1C3)结合，形成自噬小体促进受损线粒体的清除33。线粒体受体蛋白包括FUNDCkBC12-1-13、PrOhibitin2和NIX/BNIP31,这些受体定位在线粒体上通过与1C3相互作用介导线粒体自噬如NIX/BNIP31与BNIP3定位于线粒体外膜,且N端均具有能与1C3结合的WXX1样氨基酸序列，在细胞发育或病理条件下，可以通过与自噬泡相关蛋白1C3结合促进线粒体自噬34。线粒体自噬异常影响线粒体功能完整性,造成ATP生成不足，过度氧化应激引起ROS堆积阻碍了BMSCs的存活和骨形成,与成骨细胞

16、增殖分化密切相关35。1RRC17敲低通过抑制mT0RPI3K通路激活线粒体自噬，从而减少线粒体功能障碍并抑制BMSCs凋亡、衰老，改善卵巢切除术(OVX)诱导的骨丢失36。Ape1in是脂肪细胞分泌的内源性脂肪因子,能够促进成骨细胞增殖分化、矿化治疗骨质疏松37。Chen等38研究发现，其潜在机制是通过激活AMPK信号通路诱导BMSCs中的线粒体自噬,降低氧化应激水平,从而恢复成骨功能。Zhang等39研究发现，通过抑制P53活性促进Parkin与线粒体外膜上的E3泛素连接酶结合,能够改善糖皮质激素诱导的BMSCs成骨分化能力降低。因此，线粒体自噬能够维持细胞内线粒体数量，保证线粒体功能，从而促进成骨细胞增殖、分化，但线粒体自噬在成骨细胞中的作用尚存在争议，过度的自噬可降低线粒体质量，抑制线粒体功能，导致成骨细胞增殖分化降低，如镁离子转运