銅死亡與骨質(zhì)疏松

李朝霞 張曉峰* 徐西林 劉江燕

1.黑龍江中醫(yī)藥大學,黑龍江 哈爾濱 150040

2.黑龍江中醫(yī)藥大學附屬第三醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱 150006

破骨細胞和成骨細胞介導的骨穩(wěn)態(tài)平衡被破壞引起骨量減少和骨組織微結(jié)構(gòu)惡化,導致骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)[1]。目前,治療OP常見的臨床藥物包括甲狀旁腺激素、雌激素、雙膦酸鹽、地諾單抗、降鈣素等,但它們有許多副作用[2-3]。因此研究新的治療策略有很重要的意義。

細胞程序性死亡在OP中發(fā)揮重要的作用,鐵死亡會破壞成骨細胞分化,細胞凋亡在骨重塑中發(fā)揮作用[4-5]。最近提出一種不同于焦亡和壞死性凋亡的非凋亡程序性死亡機制,稱為“銅死亡(Cuproptosis)”。銅是人體必需的微量元素,研究表明它與OP的發(fā)展有關(guān)。銅誘導的細胞死亡是由銅直接與三羧酸循環(huán)(TCA)的脂酰化蛋白結(jié)合,導致脂?；鞍椎亩蜴I依賴性聚集和Fe-S簇蛋白丟失,進而引發(fā)蛋白質(zhì)毒性應激發(fā)生銅死亡[6]。為了闡明銅死亡的機制,Tsvetkov等[6]進行了全基因組CRISPR-Cas9篩選出7個銅死亡調(diào)控正向基因,包括調(diào)節(jié)鐵氧還蛋白1(FDX1)和硫辛酸途徑3種關(guān)鍵酶:脂酰轉(zhuǎn)移酶1(LIPT1)、硫辛酸合成酶(LiAS)和二氫脂酰胺脫氫酶(DLD);丙酮酸脫氫酶復合物的3種成分:二氫脂酰胺S-乙?；D(zhuǎn)移酶(DLAT)、丙酮酸脫氫酶E1亞基α1(PDHA1)和丙酮酸脫氫酶E1亞基β(PDHB)。臨床發(fā)現(xiàn),OP絕經(jīng)后女性血清銅水平低于正常水平[7]。Rondanelli等[8]調(diào)查發(fā)現(xiàn)飲食和總銅攝入量與成人骨密度增加呈正相關(guān),與OP風險呈負相關(guān)。綜上,OP患者血清銅水平較低,銅攝入量也影響OP,因此從銅死亡和相關(guān)基因出發(fā)探討與OP的潛在聯(lián)系,以期發(fā)現(xiàn)新的治療途徑。

1 銅與OP之間的聯(lián)系

人體內(nèi)含有50～120 mg的銅,近2/3的銅含量存在于肌肉和骨骼中[8]。銅作為多種酶的組成成分,直接參與機體代謝[9]。在這些酶中發(fā)現(xiàn)了一種銅依賴性單胺氧化酶-賴氨酸氧化酶,缺銅會使其活性降低進而導致骨骼強度降低加速OP的發(fā)展[10]。體外研究發(fā)現(xiàn)銅對骨代謝細胞的調(diào)節(jié)有積極作用,銅可以刺激間充質(zhì)干細胞分化為成骨譜系[11]。銅的積極作用是劑量依賴性的,低劑量的銅促進成骨細胞生長,高劑量的銅引起細胞毒性[12]。

2 銅死亡和OP之間的關(guān)系

銅離子載體誘導的細胞死亡主要取決于細胞內(nèi)銅的積累。依賴線粒體呼吸的細胞對銅離子載體誘導的細胞死亡的敏感性比依賴糖酵解的細胞高近1000倍;線粒體呼吸會在缺氧、線粒體抗氧化劑、線粒體功能抑制劑和脂肪酸等條件下被抑制,此外谷胱甘肽消耗可導致銅依賴性細胞死亡[6]。研究發(fā)現(xiàn)活性氧(reactive oxygen species,ROS)的升高可以引起OP,生理狀態(tài)下骨骼和骨髓腔處于自然缺氧狀態(tài),缺氧可以通過增加ROS來抑制抗氧化防御機制,從而促進銅的細胞毒性[13]。ROS可以通過刺激骨形成相關(guān)細胞產(chǎn)生骨保護素、巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受體激活因子配體(RANKL)間接影響破骨細胞分化、存活和活化,是識別破骨細胞前體細胞和破骨細胞傳導骨吸收信號的重要調(diào)節(jié)因子。此外,效應T細胞通過mTOR依賴性途徑發(fā)揮作用,利用谷氨酰胺和葡萄糖的糖酵解攝取作為能量來抑制銅死亡[14]。

3 銅死亡相關(guān)基因和OP的關(guān)系

銅死亡相關(guān)基因可能通過多種機制與OP相關(guān),但具體機制有待進一步研究。Tsvetkov等[6]通過全基因組CRISPR-Cas9篩選,確定銅死亡與PDHA1、PDHB、LIAS、DLAT、FDX1、DLD、LIPT1 7個正調(diào)節(jié)因子相關(guān),因此從這些基因和OP的潛在聯(lián)系探討,為OP提供新的治療方向。

3.1 PDHA1和OP之間的潛在聯(lián)系

PDHA1是丙酮酸脫氫酶復合物(PCD)的關(guān)鍵調(diào)控位點,在葡萄糖代謝中必不可少,發(fā)揮著連接糖酵解和TCA循環(huán)的重要作用[15]。PDHA1可能通過糖酵解過程發(fā)揮對OP的作用。糖酵解將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸,丙酮酸在有氧條件下通過丙酮酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A以激活TCA循環(huán),在缺氧條件下也被乳酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為乳酸[16]。長期以來,葡萄糖一直被認為是成骨細胞的主要營養(yǎng)素,Zoch等[17]證實了小鼠骨骼對葡萄糖的顯著吸收。乳酸是成骨細胞中葡萄糖代謝的主要終產(chǎn)物,葡萄糖產(chǎn)生乳酸類似于在許多癌細胞中觀察到的Warburg效應,也稱為有氧糖酵解[18-19]。Guntur等[20]證明有氧糖酵解是原發(fā)性成骨細胞中葡萄糖代謝的主要模式。值得注意的是,通過穩(wěn)定成骨細胞前的低氧誘導因子a(Hifa)來刺激有氧糖酵解可以增加小鼠的成骨細胞產(chǎn)生和骨形成。因此,證實糖酵解是滿足成骨細胞分化過程中ATP需求的主要代謝途徑。Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)可以促進成骨細胞分化,在骨骼發(fā)育和代謝中發(fā)揮重要作用。此外,RUNX2可以通過抑制PDHA1的表達和線粒體耗氧率來促進腫瘤細胞的增殖[21]。成骨細胞中的葡萄糖代謝與腫瘤細胞相似,兩者都通過增強糖酵解途徑間接或直接促進細胞增殖。因此,筆者推測PDHA1可能通過干擾糖酵解過程參與成骨細胞的增殖和分化,成骨細胞中的PDHA1可能受到抑制,導致成骨細胞的糖酵解和增殖直接影響OP患者的病程進展。

PDHA1還可能通過調(diào)節(jié)炎癥與OP相關(guān)。NLRP3炎性小體是一種多蛋白聚合復合物,最近的研究發(fā)現(xiàn),NLRP3炎癥小體在骨吸收中起重要作用,同樣在OP中發(fā)揮重要作用[22]。Lin等[16]發(fā)現(xiàn)當細胞受到NLRP3炎癥小體激動劑刺激時,乳酸發(fā)酵被激活產(chǎn)生乳酸,從而誘導PKR磷酸化激活NLRP3炎癥小體。NLRP3炎癥小體活性失調(diào)導致自身炎癥性疾病,它通過促進caspase-1活化和IL-1β、IL-18的成熟在宿主防御中起著重要的作用[23]。OP是一種慢性炎癥性疾病,巨噬細胞是破骨細胞的前體細胞,也是體內(nèi)最關(guān)鍵的抗原呈遞因子之一,含有核因子-κB(RANK)的受體激活劑,可通過M-CSF誘導其形成破骨細胞和RANKL的受體激活劑參與骨吸收[24]。局部微環(huán)境中的巨噬細胞主要分為促進炎癥反應的M1型和抑制炎癥反應的M2型[25]。最近,Cui等[26]發(fā)現(xiàn)仿生納米囊泡轉(zhuǎn)化骨骼內(nèi)皮細胞相關(guān)分泌表型可以治療由于抑制M1巨噬細胞極化和增強M2極化而導致的OP。Wei等[27]發(fā)現(xiàn)骨髓巨噬細胞中SIRT-3在賴氨酸的脫乙酰化可以激活PDHA1并抑制NLRP3炎癥小體的活化和IL-1β的釋放。綜上,PDHA1可能是糖酵解和炎癥的有效調(diào)節(jié)因子,并受不同的轉(zhuǎn)錄機制調(diào)節(jié)。

3.2 PDHB和OP之間的潛在聯(lián)系

PDHB屬于丙酮酸脫氫酶復合物的E1亞型,主要位于細胞的線粒體中,其催化葡萄糖衍生的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A[28],它是連接糖酵解和TCA循環(huán)代謝途徑的關(guān)鍵組成部分。PDHB基因的突變或缺陷可導致各種代謝疾病[29]。另一方面,乙酰輔酶A通過調(diào)節(jié)組蛋白乙?；龠M炎性細胞因子的表達[30]。脫糖酶DJ-1與Treg中的PDHB結(jié)合并抑制PDHA的磷酸化,從而促進PDH活性和氧化磷酸化,以保持T細胞的功能完整性和Treg細胞的分化[31]。細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)是絲裂原活化蛋白激酶MAPK家族的關(guān)鍵成員,參與OP的發(fā)展;Wang等[32]發(fā)現(xiàn)異補骨脂查爾酮可以通過抑制ERK活化、NF-kB途徑和M1巨噬細胞的極化來預防OP。PDHB位于線粒體中,PDHB與NIMA相關(guān)激酶10之間的相互作用可能是維持線粒體功能不可或缺的;敲除NIMA相關(guān)激酶10將損害線粒體的呼吸[33]。破骨細胞含有大量線粒體,其分化所需的能量主要來自線粒體氧化代謝[34]。因此,PDHB可能通過與NIMA相關(guān)激酶10的相互作用來影響破骨細胞分化。

3.3 LIAS和OP之間的潛在聯(lián)系

LIAS是一種Fe-S簇蛋白,可催化硫辛酸生物合成的最后一步。硫辛酸(LA)是各種生化作用中必需的代謝物,如抗氧化劑。它在丙酮酸和α-KG的脫羧反應和線粒體能量代謝中起著至關(guān)重要的作用[35]。線粒體是細胞的“能量工廠”,通過氧化磷酸化和ATP合成提供能量;同樣它也是ROS的主要來源和最直接的靶標[36]。當ROS的產(chǎn)生與細胞抗氧化系統(tǒng)的清除能力之間存在不平衡時,就會發(fā)生氧化應激,并且它是OP的致病因素[37]。LIAS主要與氧化應激和炎癥有關(guān),LIAS過表達可以降低促炎細胞因子、趨化因子的表達和NF-κB活性的抑制,以及減少氧化應激和增強抗氧化防御,以保護線粒體功能[38]。Zhao等[39]發(fā)現(xiàn)SiO瘙盰顯著增加了野生型和LIAS高表達小鼠的氧化應激,LIAS高表達小鼠通過NRF2信號傳導減少SiO瘙盰誘導的氧化應激并通過抑制NF-κB活化來下調(diào)促炎細胞因子表達,減輕SiO瘙盰誘導的肺纖維化早期的病理改變。LIAS在動脈粥樣硬化小鼠中的高表達增加了Tregs的數(shù)量,并伴隨著CD4 T細胞浸潤的減少產(chǎn)生促炎細胞因子INF-γ,以減少動脈粥樣硬化[40]。當LIAS突變時,它以非羥基化形式穩(wěn)定HIF-1α并通過抑制脯氨酰羥化酶(PHDs)活性導致HIF-1活化,這可能導致細胞中的糖酵解作用增強[41]。綜上,LIAS可能作為OP治療研究領(lǐng)域的新的靶向標志物。

3.4 DLAT和OP之間的潛在聯(lián)系

DLAT是葡萄糖分解代謝途徑中PDC的E2亞基,它在將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A中起著關(guān)鍵的催化作用[42]。E4F1是一種廣泛表達的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,在細胞周期控制和增殖中起重要的作用,它可以通過P53與OP相互作用[43]。E4F1調(diào)節(jié)DLAT,這兩種成分可能一起調(diào)節(jié)OP[44]。Jing等[45]發(fā)現(xiàn)去乙酰化酶(SIRT2)缺乏可以抑制破骨細胞的產(chǎn)生進而防止大鼠的骨質(zhì)流失,并且DLAT、SIRT2的底物可能參與調(diào)節(jié)OP。此外,線粒體中的組分1Q亞組分結(jié)合蛋白誘導NLRP3炎癥小體的活化,它可以通過與DLAT結(jié)合并影響PDH的活性來調(diào)節(jié)線粒體代謝[46]。因此,DLAT可能主要通過影響PDC和線粒體代謝中丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化來影響OP。

3.5 FDX1和OP之間的潛在聯(lián)系

鐵氧還蛋白1(FDX1)是一種鐵硫蛋白,負責一系列代謝氧化還原反應中的電子轉(zhuǎn)移。它編碼具有低氧化還原電位和分子量的小鐵硫蛋白,并含有鐵硫簇,FDX1通過鐵氧還蛋白還原酶將電子從NADPH轉(zhuǎn)移到線粒體細胞色素P450,并參與類固醇,維生素D和膽汁酸的代謝[47]。此外,FDX1影響單核細胞、M1/M2巨噬細胞、樹突狀細胞、中性粒細胞、肥大細胞、B細胞、調(diào)節(jié)性T細胞、CD4+ T細胞等免疫細胞和CXCL16、CD40、TNFRSF15、25、CTLA4、CD274、PDCD1、NRP1等免疫相關(guān)基因[48]。FDX1與葡萄糖、脂肪酸和氨基酸的代謝密切相關(guān),促進ATP的產(chǎn)生[49]。FDX1共表達基因主要參與各種代謝過程,如線粒體基因表達和線粒體呼吸鏈復合物組裝,并與Notch信號通路相關(guān)[50]。同樣研究證明FDX1與炎癥反應、IFNγ反應、TNF-α/NF-KB信號通路等免疫相關(guān)途徑有關(guān)[51]。

綜上,FDX1可能通過代謝、免疫細胞、免疫相關(guān)基因和炎癥途徑參與OP。

3.6 DLD和OP之間的潛在聯(lián)系

DLD作為一種黃素蛋白氧化還原酶,以FAD為輔基接受質(zhì)子與電子催化二硫鍵的形成。DLD對于維持細胞能量代謝和三羧酸循環(huán)很重要,它含有重要的輔助因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和還原型輔酶1(NADH),主要功能是通過將NAD+還原為NADH來促進脂酰分子的氧化,對人類具有抗氧化特性[52]。研究發(fā)現(xiàn),α硫辛酸是DLD的底物,可促進成骨細胞的增殖和消除體內(nèi)多余ROS來治療OP[53]。葡萄糖在骨代謝、維持骨形成與骨吸收之間的穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。DLD編碼的酶是PDH酶復合物的一部分,直接促進葡萄糖的能量代謝,糖酵解是破骨細胞分化過程中重要的能量驅(qū)動途徑,抑制DLD酶的活性降低了葡萄糖的糖酵解分解代謝,并且可能抑制破骨細胞的形成[54-55]。研究發(fā)現(xiàn)RGD修飾的DLDH作為分子橋,通過與骨形成細胞表面的特定整合素偶聯(lián)來促進成骨細胞和植入物的骨整合,因此,DLDHRGD可能有助于治療包括OP在內(nèi)的各種骨科疾病[56]。

綜上所述,DLD通過抗氧化、影響細胞代謝中的能量產(chǎn)生和促進骨結(jié)合來影響OP。

3.7 LIPT1和OP之間的潛在聯(lián)系

LIPT1編碼脂酰轉(zhuǎn)移酶1并參與調(diào)節(jié)線粒體中LA的運輸。LA參與TCA循環(huán)、細胞能量代謝和甘氨酸分解[57]。由LIPT1編碼的脂肪?；D(zhuǎn)移酶1可以將LA轉(zhuǎn)移到2-酮酸脫氫酶復合物的亞基。如果LIPT1的同源物消失,則可能導致2-酮酸脫氫酶復合物的E2亞基的類脂減少,并且LIPT1的缺乏將抑制TCA循環(huán)[58-59]。此外,LIPT1支持脂肪產(chǎn)生并平衡氧化和減少谷氨酰胺代謝[60]。

綜上,LIPT1可能通過參與TCA循環(huán)和影響線粒體能量代謝而參與OP,見表1。

表1 銅死亡相關(guān)基因與OP的關(guān)系

4 結(jié)論和討論

必需的微量元素銅參與體內(nèi)的一些酶的形成,可以促進骨內(nèi)的膠原蛋白的形成和干細胞的分化,進而延緩OP的發(fā)展。骨中的缺氧環(huán)境和糖酵解在細胞中提供能量代謝途徑可以抑制銅死亡,從而促進成骨細胞、破骨細胞、效應T細胞和巨噬細胞的存活和增殖,進而介導OP的過程。此外,調(diào)控銅死亡的關(guān)鍵基因與OP的發(fā)展過程有關(guān):PDHA1調(diào)節(jié)糖酵解和炎癥因子來影響成骨細胞和巨噬細胞;PDHB可抑制ERK信號傳導,調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài),影響破骨細胞分化;LIAS在線粒體能量代謝中必不可少,主要與氧化應激和炎癥有關(guān);DLAT可能主要通過影響PDC中丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化和線粒體代謝來影響OP;FDX1可能通過代謝、免疫細胞、免疫相關(guān)基因和炎癥參與OP;DLD通過促進成骨細胞的增殖和消除ROS累積、影響細胞代謝中的能量產(chǎn)生,促進骨整合來治療OP;LIPT1可能通過參與三羧酸循環(huán)和影響線粒體能量代謝來參與OP。靶向銅死亡相關(guān)基因可以為OP治療提供新的參考方向。

然而,銅死亡是最近發(fā)現(xiàn)的程序性細胞死亡,由于銅死亡的確切機制尚不清楚,臨床上沒有關(guān)于銅死亡和OP的數(shù)據(jù)積累。但已經(jīng)有銅死亡和骨肉瘤和類風濕關(guān)節(jié)炎等疾病的相關(guān)報道,銅作為各種生物過程的調(diào)節(jié)因子,是細胞衰老的特征之一,因此,未來需要更多的研究來探索銅死亡機制,為臨床應用提供新的科學依據(jù)。