王銀博 孫維佳 李玉恒 凌樹寬 李英賢1,*

1.空軍軍醫(yī)大學(xué)航天航空醫(yī)學(xué)系，陜西 西安 710038 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100094

能量代謝對于維持機(jī)體的生理功能具有重要意義，一方面，機(jī)體的任何有機(jī)活動都需要能量參與，另一方面，能量代謝的異常會導(dǎo)致機(jī)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(xì)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(zhuǎn)變[4]，積極適應(yīng)細(xì)胞在不同階段對能量的需求。近年來，破骨細(xì)胞能量代謝的研究主要集中在破骨細(xì)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(zhì)的產(chǎn)生)及其意義，以及破骨細(xì)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(jié)合近年的研究，對這些方面進(jìn)行概述。

1 破骨細(xì)胞分化伴隨線粒體生物發(fā)生

線粒體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄調(diào)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?qū)?xì)胞營養(yǎng)狀況作出響應(yīng)，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(jìn)而通過調(diào)控PGC-1自身的乙酰化和去乙?；`活地控制線粒體生物發(fā)生[6]。PGC-1能夠與特定轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用調(diào)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(fù)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(dǎo)骨髓巨噬細(xì)胞(bone marrow macrophages，BMMs)生成破骨細(xì)胞，線粒體大小和數(shù)量隨之增加，成熟的破骨細(xì)胞含有大量線粒體[8-10]。在RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成過程中，PGC-1β的表達(dá)增加，體外敲低PGC-1β，線粒體基因表達(dá)受到抑制，破骨細(xì)胞分化受到抑制。并且，PGC-1β全KO小鼠由于成熟破骨細(xì)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(dǎo)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(xì)胞功能受抑制，這種功能的缺陷是由于破骨細(xì)胞肌動蛋白環(huán)的形成障礙以及細(xì)胞骨架功能障礙引起，并且這種破骨細(xì)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(xì)胞的分化和功能具有重要意義。

PGC-1β敲除的破骨細(xì)胞出現(xiàn)的肌動蛋白環(huán)缺失可通過過表達(dá)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(dá)GIT1顯著增加了線粒體酶Cox1、Cox3、ND4和Cytb的表達(dá)。這項研究說明，PGC-1β以線粒體/GIT1依賴性方式調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的骨吸收能力[12]。ASXL2是Trithorax和Polycomb增強(qiáng)子(enhancers of trithorax and polycomb，ETP)家族的一種蛋白，調(diào)節(jié)組蛋白甲基化，ASXL2能夠調(diào)控PGC-1β表達(dá)和破骨細(xì)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(diào)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(zhuǎn)錄因子核受體家族成員之一)和雌激素相關(guān)受體α(estrogen-related receptorα，ERRα)。破骨細(xì)胞分化過程中，PPARγ的激活可通過下調(diào)β-Catenin和降低c-jun的含量間接誘導(dǎo)PGC-1β表達(dá)。反過來，PGC-1β充當(dāng)PPARγ共激活劑，刺激破骨細(xì)胞分化。另外，PPARγ還誘導(dǎo)ERRa表達(dá)，ERRa與PGC-1β協(xié)調(diào)以增強(qiáng)線粒體的生物發(fā)生和破骨細(xì)胞功能。ERRa基因敲除小鼠破骨細(xì)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(xì)胞分化的重要過程(圖 1)。

圖1 破骨細(xì)胞的能量代謝及調(diào)控機(jī)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(fù)合體Ⅰ至復(fù)合體Ⅳ的核心組成部分[15]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Tfam)調(diào)節(jié)mtDNA的轉(zhuǎn)錄和修復(fù)，并控制mtDNA的拷貝數(shù)，是線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)控因子[16-17]。Tfam特異性敲除的破骨細(xì)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(xì)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(xì)胞凋亡加快，骨吸收活性增強(qiáng)[18]。這些結(jié)果表明線粒體的生物發(fā)生似乎并不是破骨細(xì)胞形成和發(fā)揮功能的關(guān)鍵決定因素。

2 氧化磷酸化及調(diào)控機(jī)制

葡萄糖氧化磷酸化已被確定為破骨細(xì)胞分化形成的主要能量來源[19]。RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化前期(48 h以內(nèi)，未成熟破骨細(xì)胞)，線粒體呼吸作用增強(qiáng)，用線粒體復(fù)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(xì)胞的生成受到了阻礙[20-21]。與破骨前體細(xì)胞(未成熟破骨細(xì)胞)相比，RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化后，線粒體呼吸鏈蛋白表達(dá)升高，完全分化的破骨細(xì)胞顯示出更高量的電子傳遞鏈酶[8]。全身敲除線粒體復(fù)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(dǎo)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(xì)胞(破骨細(xì)胞)數(shù)量減少、體積變小、骨吸收活性降低[22]。MYC能夠誘導(dǎo)ERRα和電子傳遞鏈(electron transfer chain，ETC)基因的表達(dá)，在激活氧化磷酸化中起重要作用。破骨細(xì)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(shù)(ova -riectomy，OVX)誘導(dǎo)的骨丟失[23]。但是與破骨細(xì)胞分化相反，體外研究成熟破骨細(xì)胞發(fā)揮骨吸收功能代謝特點(diǎn)時發(fā)現(xiàn)，氧化磷酸化作用降低，骨吸收反而增強(qiáng)。用不產(chǎn)生毒性計量的魚藤酮(線粒體復(fù)合體I的抑制劑)處理破骨細(xì)胞，破骨細(xì)胞骨吸收活性增強(qiáng)[8]。這些研究說明破骨細(xì)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(diào)控機(jī)制

葡萄糖代謝被證明是破骨細(xì)胞的主要能量來源[19,24-25]。研究顯示，與未進(jìn)行誘導(dǎo)的BMMs相比，RANKL誘導(dǎo)的前期破骨細(xì)胞(48 h以內(nèi)，未成熟破骨細(xì)胞)，糖酵解速率增加[20]，糖酵解作用增強(qiáng)[26]。破骨細(xì)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(diào)，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(xì)胞的分化和功能，腹腔注射PFKFB3抑制劑PFK15可防止卵巢切除術(shù)引起的骨丟失，其作用機(jī)制是抑制破骨細(xì)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(xì)胞分化形成過程中，RANKL激活HIF-1α并誘導(dǎo)Glut1和糖酵解酶的表達(dá)[27]，Glut1是破骨細(xì)胞分化所必需的[19]。乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)催化丙酮酸轉(zhuǎn)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(diào)NFATc1表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞前體的融合[26]。這些結(jié)果說明在破骨細(xì)胞分化階段，糖酵解作用增強(qiáng)，并且發(fā)揮重要的作用。

體外BMMs誘導(dǎo)為破骨細(xì)胞過程中，在BMMs、前破骨細(xì)胞和成熟破骨細(xì)胞(mature osteoclast，mOC)3個不同階段，應(yīng)用全基因表達(dá)分析技術(shù)解析代謝變化，結(jié)果顯示，在mOC中，Glut1的表達(dá)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(dá)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(dá)也明顯增加[28]。相對于靜止的前體細(xì)胞，成熟的破骨細(xì)胞擁有更高的糖酵解速率[8]。當(dāng)成熟的破骨細(xì)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(qiáng)，免疫組織化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)與糖酵解途徑相關(guān)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(xì)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(jié)果表明糖酵解是成熟破骨細(xì)胞骨吸收階段的主要能量來源[8]。

破骨細(xì)胞中谷氨酰胺能夠轉(zhuǎn)化為谷氨酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為α-KG提供能量，缺失谷氨酰胺，破骨細(xì)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(yīng)a-KG在破骨細(xì)胞分化中的重要性[28]。

破骨細(xì)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(xì)胞成熟階段作為主要能量來源?？傊?，破骨細(xì)胞的能量代謝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其如何影響破骨細(xì)胞的分化和功能還有待進(jìn)一步研究。

4 展望

骨質(zhì)疏松癥的主要特征是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞共同作用下骨量下降和骨三維結(jié)構(gòu)破壞[29]。骨質(zhì)疏松性骨折嚴(yán)重影響老年人生活質(zhì)量, 也是導(dǎo)致老年人死亡的常見原因之一[30]。研究破骨細(xì)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(diǎn)，通過影響破骨細(xì)胞的分化和功能調(diào)節(jié)骨平衡，即對骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生進(jìn)行有效的干預(yù)。