自噬相關信號轉導通路在骨代謝中的作用

李智卓，時利軍，高福強，孫 偉

1. 北京大學中日友好臨床醫學院骨科（北京 100029）

2. 北京協和醫學院中日友好醫院骨科（北京 100029）

3. 中日友好醫院骨壞死與關節保留重建中心（北京 100029）

自噬是一種高度保守細胞分解代謝和能量動態循環的過程，在真核細胞增殖、分化和成熟過程中，它通過回收降解蛋白質、受損的細胞器及致病微生物，為細胞的穩態和生存提供能量和物質基礎[1]。在哺乳動物細胞中，主要的自噬形式包括小自噬、大自噬和分子伴侶介導的自噬三種，最終都將以細胞質物質被運送到溶酶體進行降解和循環而告終[2]。參與骨代謝的細胞主要包括成骨細胞和破骨細胞，有研究表明自噬在維持成骨細胞及破骨細胞的細胞功能和動態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節作用[3]。本文就自噬在骨代謝中的作用進行綜述，旨在探討自噬在骨代謝中的調控機制。

1 成骨細胞、破骨細胞與骨代謝

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

2 細胞自噬概述

細胞自噬是組織衰老退變的有效保護機制。細胞自噬是從真核細胞到哺乳動物高度保守的重要亞細胞事件之一，主要包括長壽蛋白和損傷細胞器的降解與循環利用。正常的自噬過程對細胞內環境的穩定及細胞生命活動的順利進行極其重要[6]。

自噬過程可分為自噬的誘導、自噬小體的形成、融合和分解四個步驟。迄今為止，學者們發現了30多種自噬相關基因（autophagy related gene，ATG），這些基因編碼的蛋白在自噬小體的形成和調控中起著關鍵作用[7]。在ATG蛋白中，ATG1、ATG6、ATG8和ATG5是自噬過程中的四個主動調節因子。ATG1的激酶結構域在自噬誘導中起著重要作用[8]。ATG1被激活后與ATG13相互作用并與FIP200結合，形成ATG1-ATG13-FIP200復合體，該復合體是自噬過程中哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號轉導的重要調節因子[9]。mTOR是控制細胞自噬的關鍵蛋白，能感受細胞的多種變化信號，加強或降低自噬的發生水平，是自噬調節的分子開關[10]。mTOR通過抑制ATG1來抑制自噬的啟動。在細胞中，當mTOR被激活時，會抑制ATG1的表達，進而影響ATG1-ATG13-FIP200復合體的形成，從而抑制自噬小體的組裝。ATG6在自噬調控中的作用受Bcl-2的調控，Bcl-2與ATG6結合則抑制自噬，Bcl-2與 ATG6分離則誘導自噬的進行。微管相關蛋白1輕鏈3（microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3）與磷脂酰乙醇胺 （phosphatidylethanolamine，PE）結合形成LC3-PE復合體，自噬小體在LC3-PE和ATG12-ATG5的驅動下不斷延伸形成，然后自噬小體與溶酶體融合，包封于自噬體內的物質被溶酶體酶降解，并釋放進入包漿中，被細胞重新代謝利用[1]。

3 自噬相關信號轉導通路在成骨細胞代謝中的作用

3.1 sirtuins1

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

3.2 FOXO3/MAPK8

叉頭轉錄因子（forkhead transcription factor，FOXO）是一個轉錄因子家族，主要由FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6組成，在細胞氧化應激防御中起著重要作用[13]。Gómez-Puerto等研究發現，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，導致FOXO3被活性氧激活，進而激活自噬來降低活性氧的水平[13]。Wei等研究發現，氟可抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡和自噬。在氟誘導的成骨細胞凋亡中，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，對細胞產生保護作用，進而減少細胞的凋亡[14]。Wang等研究發現，在金屬顆粒誘導的骨溶解模型及成骨細胞中，由于金屬顆粒的刺激，內質網細胞核信號轉導1（endoplasmic reticulum to nucleus signaling，ERN1）被激活后通過MAPK8介導自噬[15]。

4 自噬相關信號轉導通路在破骨細胞代謝中的作用

4.1 Beclin-1

人工關節置換術后產生的磨損顆粒會誘導破骨細胞形成，導致骨溶解的發生。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因子6（tumor necrosis factor receptor-associated factor 6，TRAF6）等分子參與了破骨細胞自噬的調節[16]。Su等研究發現，磨損顆粒能激活CD147，誘導自噬的發生，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，促進破骨細胞的形成[17]。Xue等研究發現，炎性細胞因子IL-17A也可通過調節Beclin-1活性，參與自噬的調節，進而通過RANKL誘導破骨細胞的形成[18]。Arai等研究發現，TRAF6作為一種E3泛素連接酶，可介導Beclin-1泛素化，進而通過RANKL誘導破骨細胞的生成[19]。總之，Beclin-1通路在破骨細胞自噬過程中的調節起著重要作用。

4.2 p62/SQSTM1

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

4.3 AMPK/mTOR

mTOR在破骨細胞分化過程中控制自噬信號通路的傳導，是自噬調節的分子開關。骨保護素（osteoprotegerin，OPG）是一種由成骨細胞分泌的糖蛋白，是骨代謝的關鍵調節因子。OPG是RANKL的受體，與RANKL的結合力非常高，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信號轉導通路介導[22]。Tong等研究發現，OPG誘導的結節性硬化癥復合體2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）與TSC1結合形成TSC復合體，使小G蛋白Rheb失活，降低mTOR活性，進而抑制破骨細胞自噬的發生[23]。在葡萄糖饑餓、細胞能量耗竭的情況下，AMPK被激活并使mTOR因子TSC2發生磷酸化，進而關閉耗能的mTOR信號通路，誘導自噬的發生[24]。

4.4 HIF-1α

在缺氧條件下，缺氧誘導因子-1α（hypoxiainducible factor-1α，HIF-1α）在自噬的激活過程中起著重要作用。Zhao等研究發現，在缺氧條件下應用3-甲基腺嘌呤抑制自噬可顯著抑制破骨細胞分化，提示自噬在缺氧誘導破骨細胞分化過程中具有重要意義，在細胞缺氧條件下，HIF-1α被激活，進而誘導自噬的發生，最終上調破骨細胞相關基因的表達[25]。在缺氧條件下，HIF-1α除了調節自噬的蛋白質信號通路外，還調節了參與破骨細胞自噬的miRNA。破骨細胞分化過程中，HIF-1α的上調在轉錄水平上抑制了miRNA-20a的表達，進而誘導自噬的發生[26]。

5 結語

成骨細胞和破骨細胞是骨的重要細胞成分。成骨細胞來源于骨髓間充質干細胞，是成骨細胞系的終末分化狀態，是骨中含量最豐富的細胞類型。破骨細胞來源于造血干細胞，是唯一具有骨吸收功能的細胞。成骨細胞的骨形成和破骨細胞的骨吸收之間的平衡構成了骨代謝的兩個主要過程。自噬水平的高低會顯著影響成骨細胞和破骨細胞的功能和活性，在骨代謝中起著至關重要的作用。有研究表明，骨代謝紊亂相關疾病如骨質疏松癥、骨關節炎、風濕性關節炎和無菌性骨溶解與細胞自噬有著密不可分的聯系[27]。無菌性骨溶解是人工關節置換術后一個晚期并發癥，是關節置換術失敗的主要原因。骨溶解是由成骨細胞的骨形成和破骨細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，一些信號通路對成骨細胞和破骨細胞自噬的調節作用，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，但自噬不同階段的精確調控機制目前尚不清楚，仍需進一步研究，以便未來能將其應用于臨床。