糖代謝對骨骼細胞的影響

王振虎 崔燎 林思恩 魏波*

1.廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科中心，廣東 湛江 524001 2.廣東天然藥物研究與開發(fā)重點實驗室藥理教研室，廣東 湛江 524023

長期高血糖會影響骨骼健康，有學者通過對比骨密度、骨代謝以及糖代謝等指標發(fā)現(xiàn)，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者的骨折風險更高。因此，筆者認為糖代謝與骨穩(wěn)態(tài)之間關(guān)系密切并且相互影響。由于成骨細胞和破骨細胞是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的主要細胞類型，因此闡明調(diào)節(jié)其分化和活性的機制不僅對于了解骨生理學而且對于設(shè)計有效的骨治療藥至關(guān)重要。本綜述將總結(jié)葡萄糖代謝過程中對調(diào)控破骨、成骨分化這一重要生物學過程的相關(guān)事件。

1 糖代謝和哺乳動物細胞

哺乳動物細胞的能量來源有很多種，其中葡萄糖至關(guān)重要。葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白，不依賴三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)沿濃度梯度轉(zhuǎn)運到細胞中[1]。葡萄糖進入細胞后，在己糖激酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖可以轉(zhuǎn)化為糖原，也可以進行代謝產(chǎn)生ATP和中間代謝產(chǎn)物。

葡萄糖代謝有多個途徑，例如葡萄糖的有氧氧化、無氧酵解、己糖胺生物合成途徑和磷酸戊糖途徑。大多數(shù)細胞類型中，大多數(shù)6-磷酸葡萄糖進入糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸，然后在線粒體中進一步代謝或者在細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)化為乳酸。在線粒體中，丙酮酸通過三羧酸循環(huán)的完全氧化和氧化磷酸化相結(jié)合，所提取到的能量比丙酮酸向乳酸轉(zhuǎn)化過程中要多得多[2]。但是，乳酸途徑在不需要氧氣的情況下即可產(chǎn)生能量，并以更快的速度消耗葡萄糖。

糖酵解的第一階段最終產(chǎn)生果糖1,6-二磷酸，然后將其裂解形成兩個可相互轉(zhuǎn)化的三碳分子甘油醛3-磷酸和磷酸二羥丙酮。在糖酵解的最后階段，甘油醛3-磷酸最終轉(zhuǎn)化為丙酮酸，在此過程中產(chǎn)生ATP。在線粒體中，丙酮酸可以通過丙酮酸脫氫酶脫羧形成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A通過與草酰乙酸縮合形成檸檬酸鹽進入三羧酸循環(huán)，然后依次釋放出兩個CO2分子再生草酰乙酸。三羧酸循環(huán)中的丙酮酸氧化通過氧化磷酸化在每個葡萄糖分子中產(chǎn)生最多的ATP[3]。在細胞質(zhì)中，丙酮酸在乳酸脫氫酶催化下生成乳酸，不依賴氧氣，并再生進一步糖酵解所必需的氧化NAD(NAD+)[4]。

2 糖代謝和成骨細胞

間充質(zhì)干細胞在各種關(guān)鍵因子的調(diào)控下最終分化為成骨細胞。在這個分化過程中，Runx2(Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子是成骨細胞分化所需的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子之一)、Osterix(也稱為轉(zhuǎn)錄因子 Sp7，通過增強1型膠原蛋白和骨鈣素表達來驅(qū)動膜內(nèi)和軟骨內(nèi)骨化)和β-連環(huán)蛋白對成骨細胞分化至關(guān)重要。雖然大多數(shù)成骨細胞被認為會發(fā)生凋亡，但一部分成骨細胞會嵌入骨基質(zhì)中并進一步分化為骨細胞。現(xiàn)在關(guān)于成骨細胞的分化和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究已經(jīng)非常全面，但是在細胞能量代謝水平上對成骨細胞功能活性的了解較少。

葡萄糖是成骨細胞發(fā)育和分化過程所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，對放射性標記的葡萄糖類似物的研究證實了小鼠骨骼對葡萄糖的顯著攝取[5]。大多數(shù)細胞類型中，葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白穿過質(zhì)膜，進入細胞[6]，此過程也發(fā)生在成骨細胞中[7]。

氧化磷酸化與糖酵解相比，可以產(chǎn)生更多的ATP，有氧糖酵解是成骨細胞在氧氣充足的條件下，主要將葡萄糖代謝為乳酸，該現(xiàn)象類似于Warburg效應(yīng)[8]。在某些條件下，成骨細胞似乎更喜歡有氧糖酵解[8-9]。與通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化的代謝相比，通過有氧糖酵解產(chǎn)生ATP的效率更低[10]。

有研究表明，甲狀旁腺激素信號通過胰島素生長因子-1的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)間接增強有氧糖酵解，胰島素生長因子-1通過mTORC2(雷帕霉素復(fù)合物2的哺乳動物靶標)發(fā)出信號以提高各種糖酵解酶[11]。缺氧誘導(dǎo)因子1a激活會增加糖酵解，增加體內(nèi)骨形成。Wnt蛋白還促進成骨細胞譜系細胞的有氧糖酵解[12]。特別是Wnt3a-Lrp5連鎖反應(yīng)可以迅速增加mTORC2下游的Glut1(葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1)、Hk2(己糖激酶2)、Ldha(乳酸脫氫酶 A)和Pdk1(丙酮酸脫氫酶激酶1)的水平，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化[13]。有氧糖酵解可能有利于抵消氧化磷酸化產(chǎn)生的活性氧，因為活性氧被證明有利于間充質(zhì)祖細胞的脂肪生成[14]。成骨細胞在糖酵解過程中會產(chǎn)生大量的檸檬酸鹽。而骨骼中的檸檬酸鹽被證明對磷灰石納米晶體的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，可提供穩(wěn)定性、強度和抗斷裂性[15-16]，這在結(jié)構(gòu)上對骨中磷灰石納米晶體的形成很重要。成骨細胞的高檸檬酸輸出可能意味著線粒體檸檬酸水平升高，從而抑制丙酮酸進入三羧酸循環(huán)。總之，需要進一步的研究來闡明有氧糖酵解促進成骨細胞表型的全部機制。

3 糖代謝和破骨細胞

破骨細胞是源自造血干細胞的組織特異性巨噬細胞。造血干細胞在巨噬細胞集落刺激因子作用下可形成巨噬細胞集落形成單位，即巨噬細胞和破骨細胞的常見前體細胞。當被RANKL-RANK(RANKL是核因子 kappa b 配體的受體激活劑；RANK是核因子kappa b的受體激活劑)信號激活時，巨噬細胞集落形成單位進一步分化為單核破骨細胞，之后融合成為多核破骨細胞[17]。多核破骨細胞在與成骨細胞相互作用后完全成熟，并分泌酸、蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶，它們在骨表面和破骨細胞的基底膜之間緊密連接以形成密封的隔室，然后形成破骨細胞[18]。

在巨噬細胞向破骨細胞分化過程中，發(fā)現(xiàn)氧化磷酸化和有氧糖酵解增加[19]。此外，發(fā)現(xiàn)抑制線粒體氧化磷酸化會延緩破骨細胞生成[20]。這些結(jié)果表明破骨細胞分化與增加的線粒體呼吸相結(jié)合。相關(guān)體內(nèi)實驗表明，敲除葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1基因的破骨前體細胞中，有氧糖酵解減弱，破骨細胞形成障礙[21]。然而，通過在培養(yǎng)基中降低葡萄糖濃度或敲低缺氧誘導(dǎo)因子1a來限制糖酵解并不會損害體外破骨細胞生成，這表明在這些環(huán)境中激活了替代能源底物以支持分化過程。破骨細胞中線粒體呼吸的重要性已在遺傳學上得到證實。通過刪除Ndufs4(線粒體復(fù)合物1的亞基)破壞線粒體復(fù)合物1會損害破骨細胞的分化和功能，導(dǎo)致小鼠骨硬化癥[22]。在小鼠中用組織蛋白酶K-Cre刪除線粒體轉(zhuǎn)錄因子Tfam會降低破骨細胞中的細胞ATP水平并加速細胞凋亡[23]。

成熟破骨細胞的主要能量來源包括葡萄糖。早期對雞破骨細胞的研究表明，葡萄糖是骨吸收的主要能源，破骨細胞附著在骨表面消耗細胞內(nèi)的葡萄糖[24]。在培養(yǎng)基中降低葡萄糖濃度或在細胞內(nèi)敲除缺氧誘導(dǎo)因子1a，可減少破骨細胞的骨吸收[25]。這說明成熟的破骨細胞發(fā)揮骨吸收的作用時更依賴活躍的糖酵解。

4 糖代謝和骨細胞

骨細胞的壽命可長達數(shù)十年，它來源于成骨細胞，終生嵌入骨基質(zhì)內(nèi)，并且可以調(diào)控成骨細胞和破骨細胞。

基于骨細胞微環(huán)境的缺氧性質(zhì)，可以推測葡萄糖代謝和糖酵解可能在調(diào)節(jié)骨細胞功能中起重要作用。低氧環(huán)境中的細胞通過減少線粒體ATP生成，將代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒鈁26-27]。硬化素(SOST，是骨細胞產(chǎn)生的骨形成負調(diào)節(jié)劑)是Wnt通路的特異性拮抗劑，在高葡萄糖和晚期糖基化終產(chǎn)物的糖酵解代謝異常期間增加[28]。骨細胞分泌RANKL[29](核因子 kappa b 配體的受體激活劑)以響應(yīng)甲狀旁腺激素信號調(diào)控來增強細胞內(nèi)有氧糖酵解，還可以通過分泌硬化素和RANKL等因子以及其他細胞因子來協(xié)調(diào)骨形成和再吸收[30]。HDAC共阻遏抑制劑(即組蛋白去乙酰化酶抑制劑，是調(diào)節(jié)組蛋白尾部、染色質(zhì)構(gòu)象、蛋白質(zhì)-DNA相互作用甚至轉(zhuǎn)錄的表觀遺傳調(diào)節(jié)劑)抑制骨細胞中的硬化素并增加參與葡萄糖攝取的基因，使葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4水平上調(diào)[31]。甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白(PTHrP)通過調(diào)節(jié)β-catenin(β-連環(huán)蛋白)和Erk(絲氨酸-蘇氨酸激酶，是一種細胞外信號調(diào)節(jié)激酶)介導(dǎo)的途徑可減輕骨細胞凋亡[32]。高血糖不僅影響糖酵解的速率，而且影響骨細胞的活力。高血糖和氧化應(yīng)激參與晚期糖基化終產(chǎn)物(AGE)的產(chǎn)生和積累，在體外發(fā)現(xiàn)FoxO1(是一種參與能量代謝的保守轉(zhuǎn)錄因子)可以介導(dǎo)晚期糖基化終產(chǎn)物誘導(dǎo)的骨細胞凋亡以及成骨細胞和破骨細胞平衡的失調(diào)[33]。

5 小結(jié)

目前已經(jīng)研究了一些關(guān)于葡萄糖代謝對成骨細胞、破骨細胞和骨細胞的作用和分子調(diào)控的主要機制。遺傳學研究對于闡明特定代謝途徑在各種骨細胞類型中的生理作用是必要的。骨骼細胞之間相互平衡的維持與恰當?shù)哪芰看x方式息息相關(guān)，在能量代謝中涉及到的中間代謝產(chǎn)物在細胞分化的不同階段可能發(fā)揮了重要作用。希望今后可以將骨骼系統(tǒng)細胞的能量代謝研究應(yīng)用于骨相關(guān)疾病的藥物開發(fā)和臨床治療中。