mTOR經由自噬途徑對骨質疏松的作用影響

王茜 賈麒鈺 劉澤彪 王鑫 郭建 阿卜杜薩拉木·阿力木江 馬海蓉* 謝增如*

1新疆醫科大學第一附屬醫院,新疆 烏魯木齊 830054

2華北理工大學附屬醫院,河北 唐山 063000

1 骨穩態與骨質疏松癥

骨穩態是指骨組織通過自身調節,維持骨形成和骨吸收之間的動態平衡,以適應外界的各種應激反應。這一過程由骨髓間充質干細胞(BMSCs)、成骨細胞(osteoblasts,OBs)、骨細胞和破骨細胞(osteoclasts,OCs)介導[1]。然而,當骨形成和骨降解之間的動態平衡被打破時,就會導致病理情況的發生。骨質疏松癥 (osteoporosis,OP)是一種全身性骨退行性疾病,其最明顯的兩大特征是骨量的逐漸減少和骨力學性能的顯著退化,最終導致骨脆性增加和骨折的發生[2]。

近期,中國疾病預防控制中心與中華醫學會骨質疏松和骨礦鹽疾病分會合作,開展了首次中國居民骨質疏松癥流行病學調查。結果顯示,50歲以上人群骨質疏松癥患病率為19.2%,65歲以上人群骨質疏松癥患病率達到32.0%[3]。此外,據相關研究報道,2015年中國主要用于骨質疏松性骨折的醫療費用為720億元,預計到2035年將達到1 320億元,將會給患者家庭和社會造成沉重的經濟負擔[4]。隨著人口老齡化程度的日趨嚴重,骨質疏松癥已成為中國面臨的重要公共健康問題。目前,對于治療OP 的藥物存在治療效果欠佳、副作用明顯、無法改善成骨細胞增殖分化、難以逆轉OP 進程等諸多問題[5]。因此,尋找新的治療靶點針對OP進行靶向治療以及挽救因OP所致的骨質流失不僅具有重大的科學意義,還存在顯著的社會效益和經濟價值。

2 mTOR、自噬與骨質疏松癥的交聯作用

自噬是真核生物進化過程中高度保守的細胞內分解代謝過程,對細胞內受損的蛋白質和細胞器加以循環利用[7]。在生理條件下,自噬促進細胞功能的發揮,在病理條件下則作為細胞保護反應發揮作用自噬過程包括:起始/成核、伸長、成熟、降解四個階段。當自噬發生后,形成一種囊泡結構,延伸包裹部分的細胞質形成雙膜小泡,即自噬體。隨后,自噬體與溶酶體膜融合,將運送的“貨物”輸送到溶酶體內并進行降解。溶酶體將分解產生的氨基酸、脂肪酸等物質分泌到胞質中,用于物質和能量的合成[8]。研究發現,自噬在維持OBs和OCs的正常生理功能方面起著重要作用。它既能參與到破骨前體細胞向OCs分化時線粒體活性氧的生成環節[9],又可促進成骨前體細胞向OBs分化的過程[10]。

哺乳動物雷帕霉素蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種高度保守的激酶,是磷脂酰肌醇-3激酶(phosphotylinosital-3 kinase,PI3K)家族中的一員[11],也是調節細胞生長的控制中樞。其在兩種不同的蛋白質復合體中作為催化亞單位發揮作用:mTOR復合體1(mTORC1)和復合體(mTORC2)[12]。mTOR通過整合多種信號來調節轉錄和蛋白質合成,進而影響細胞的凋亡、生長、自噬等生理過程[13]。研究表明,mTORC1可激活自噬啟動激酶U1k1阻斷AMPK的激活從而抑制分解代謝過程,特別是自噬過程[14]。此外,Martina等[15]學者發現mTORC1可通過抑制轉錄因子EB(TFEB)的核轉位和活性來抑制自噬的發生。由此可知,mTOR與自噬之間存在著密切的聯系。

近年來大量研究表明,mTOR與OP的發生密切相關,且通過自噬途徑發揮調控作用[16-18]。mTOR通過整合自噬過程中的上游信號分子,使得mTOR信號通路激活或抑制,從而影響BMSCs/OBs介導的骨形成、成脂分化、骨細胞穩態和OCs介導的骨吸收,進而導致骨穩態的改變,促進或保護OP的發生[16]。目前,mTOR信號在自噬過程中發揮的多級調控作用是眾多學者一致認可的。然而,對于mTOR是如何經由自噬過程將接收的信號轉導至骨穩態過程,從而調節骨穩態的研究尚處于早期階段。因此,深入了解mTOR通過自噬途徑參與OP進展過程中所發揮的級聯調控機制,能有效地幫助了解OP的發病機制,為OP的治療提供更加全面的治療思路,同時也有利于探究新的治療靶點。

3 mTOR通過自噬途徑對骨穩態的作用

3.1 mTOR在成骨細胞中的調控作用

正常生理情況下,自噬的水平對于維持OBs的存活至關重要。體外研究證實,自噬可以抑制氧化應激介導的OBs凋亡[19]。多項研究顯示,mTOR信號不僅調節OBs的分化,還在OBs或成骨樣細胞的增殖、凋亡、自噬、能量代謝和多效性功能中起到重要的調節作用[16,20]。張森等[21]利用VS-5584抑制劑(PI3K/mTOR激酶抑制劑)對OBs中PI3K/Akt/mTOR信號通路進行抑制,發現OBs中的線粒體功能明顯下降,LC3-II(細胞自噬標志物)蛋白活性增加,增強了OBs的自噬。這表明mTOR在調節OBs的自噬水平對于其正常生存至關重要。Chen等的研究證明[22]骨合成因子Wnt7b通過PI3K-AKT信號激活mTORC1來促進成骨分化;而當靶向抑制mTORC1信號時,則會阻止Wnt7b誘導ST2細胞的成骨分化。Xian等[24]發現,胰島素生長因子IGF-1通過激活mTOR信號來促進BMSCs的成骨細胞分化,從而維持適當的骨微結構和骨密度。類似地,周凡等[18]研究發現,連翹苷可以激活PI3K/AKT/mTOR信號通路,進而促進成骨細胞的自噬,并抑制其凋亡。近期研究發現,mTOR/Raptor-S6K1軸通過激活雌激素受體α來調節Runx2的表達促進成骨分化[25],表明S6K1是成骨細胞mTORC1的主要下游調節因子,揭示了mTOR/Raptor通過調節Runx2表達促進骨形成。

以上研究均表明,mTOR是多個骨合成代謝信號下游的共同效應器,并且通過自噬途徑對成骨細胞的增殖和分化發揮關鍵調控功能。然而,盡管越來越多的研究集中于mTOR信號在骨穩態中的作用,并認為mTOR信號的調控可能是OP發病機制的潛在因素,但是關于mTOR上游信號分子的輸入和激活mTOR下游信號通路的相應機制,以及mTORC1與mTORC2在骨穩態過程中發揮著怎樣的調控功能尚不明確,仍需進一步的研究去闡明mTOR在骨穩態中的生物調控機制。

3.2 mTOR信號在破骨細胞分化和骨吸收中的作用

骨吸收是由終末分化的多核細胞和破骨細胞完成的,破骨細胞來自造血祖細胞,并從單核細胞分化而來。目前關于mTOR信號在破骨分化方面的研究進展遠落后于成骨分化方面,所以mTOR信號在調節破骨細胞分化中的確切作用尚存在一些爭議。Raptor是mTORC1的核心亞基,Zhang等[26]在特異性敲除Raptor的小鼠中發現,其表現為骨質減少、骨斷裂增強。進一步從該小鼠骨髓來源的巨噬細胞中提取破骨細胞,發現破骨細胞的數量急劇增加。在細胞分子層面的研究中發現,mTORC1在破骨細胞中可以負調控活化B細胞的核因子κ-輕鏈增強子(NF-κB)和T細胞的核因子細胞質1(NFATc1)的表達。NF-κB和NFATc1是破骨細胞形成的關鍵轉錄因子,這表明mTORC1可以促進骨形成,當其缺失后可導致破骨細胞活化增加。Rictor是mTORC2的核心亞基,Liu等[27]發現在成骨前體中敲除Rictor基因會損害其成骨分化。Sun等[28]發現敲除Rictor的BMSCs中RANKL的表達顯著下調,但OPG和M-CSF的表達均無顯著變化。這表明mTORC2在BMSCs中通過調節RANKL的表達間接調控破骨細胞分化。近期一項研究表明[29],激活mTOR可抑制OCs的分化、融合和吸收活性,但會促進單核細胞和分化成熟的OCs的增殖。以上結論表明,mTOR可能對破骨細胞的分化具有直接和間接的調控作用,但是對于mTOR調控破骨細胞分化以及增殖的具體機制仍需進一步研究去闡明。

3.3 mTOR在成脂分化中作用

眾所周知,骨穩態是多方面互相協同發揮作用的過程。據報道,過多的骨髓脂肪細胞產生可能是影響骨骼健康的一個重要的負面風險因素[30],這表明OP可能與骨髓中脂肪組織的增加有關[31]。許多體外研究證實,脂肪誘導因子抑制成骨;反之,骨誘導因子阻礙脂肪生成[32]。因此,在骨穩態過程中抑制骨髓成脂分化,同時促進成骨,可能也是針對OP的一種治療思路。

核受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ (PPARγ)是一種重要的轉錄因子。研究表明,mTORC1在PPARγ介導的脂肪形成中起關鍵作用。當OBs靶向過表達PPARγ時,小鼠的骨量顯著減少,同時成脂分化增加。此外,體內研究也證實了這一觀點,當成骨細胞特異性過表達PPARγ時,可以負性調節雄性小鼠的骨量,并加速雌性小鼠雌激素缺乏相關的骨質流失[33]。另外,Sun等[34]在靶向敲除PPARγ的小鼠中觀察到骨小梁數增加,并在體外實驗中發現MSCs和OBs中內源性 PPARγ可抑制mTOR信號通路下游因子S6k活性,導致成骨分化降低。這表明PPARγ可以通過直接和間接調控成骨分化和骨形成,其中直接調控涉及mTOR途徑的PPARγ調節,而間接途徑依則賴于脂肪生成的調節。

因此,基于mTOR信號在骨重建過程中的重要調控作用,開發針對mTOR靶點的藥物對于OP以及OP性骨折的患者的治療有著重大意義。

4 mTOR在骨質疏松癥中的治療潛力

如今,mTOR在骨骼生長和發育過程中的作用逐漸進入研究學者的視野。Shen等[35]對近年來的眾多類型的臨床證據進行整理發現,mTOR信號是各種疾病的新治療靶點,如乳腺癌、結節性硬化癥、系統性紅斑狼瘡、類風濕關節炎等。Tchetina等[36]在臨床前研究中發現mTOR信號與骨丟失相關,在絕經后OP患者中發現自噬蛋白相關基因上調以及mTOR的下調。依維莫司(BOLERO-2)[37]是一種口服mTOR靶標抑制劑,用于治療雌激素受體陽性乳腺癌的臨床III期藥物。Gnant等[38]在一項探索性分析中發現,BOLERO-2可以抑制骨轉換水平,并降低乳腺癌骨轉移的發生率,提示mTOR是骨骼調控的重要靶點。

綜上所述,mTOR信號是調節骨穩態的重要靶點。本文綜述了近年來mTOR信號在成骨、成脂以及破骨分化介導的骨穩態中的作用,強調mTOR信號在骨穩態中所發揮的調控作用。此外,mTOR與自噬密切相連,通過介導IGF、Wnt和BMP信號通路深度參與骨內穩態的調節,從而發揮調控BMSCs的成骨、成脂分化以及調節骨吸收的功能(圖1)。因此,全面了解mTOR信號通過自噬途徑在OP中的調控機制,探索在自噬過程中觸發mTOR信號的上、下游效應物,并進一步闡明其在介導骨穩態過程中mTOR復合體的生理或病理功能,對于精準開發預防和治療OP的藥物具有重大科學意義和社會價值,這也必然是未來一段時間內的熱點科學問題。

圖1 mTOR信號分子轉導示意圖