文献阅读骨科领域中的自噬（二）

　　翻译：吴智明医生
　　审核：广州中医药大学第一附属医院 王海彬教授
　　文章所属：王海彬教授团队，转发请标明出处
　　自噬是通过生理信号或病理刺激来启动的。在生理基础水平上，自噬过程在所有细胞中均处于低水平，是去除缺陷细胞器和蛋白质的质量控制机制。自噬活性的基础水平在不同的细胞谱系和组织类型之间有所不同。通常，这种基础水平的自噬对于维持其稳态和功能而言，对于高度分化或终末分化的长寿细胞（例如神经元，肌细胞和骨细胞）而言更为关键。
　　大量的细胞外和细胞内应激，包括营养或能量匮乏，缺氧，生长因子水平紊乱或病原体入侵，导致自噬速率增加，从而将细胞质成分循环利用为代谢物和生物合成过程或消除病原体，从而允许细胞生存。
　　缺氧和生长因子紊乱也通过TOR途径诱导自噬。即使营养和能量供应充足，缺氧或生长因子波动也会抑制MTOR1并导致自噬。
　　除了将底物运输到自噬体进行降解外，ATG蛋白还参与胞吐过程。LC3调节这种自噬无关的胞吐作用，从而排出位于自噬体内部或被LC3标记的病原体。在病毒入侵的情况下，ATG蛋白参与了病毒或细菌（包括丙型肝炎和流产布鲁氏菌）的膜相关复制单元的形成。
　　通常，自噬通过特别消除有缺陷的或多余的细胞器并促进化学物质和能量的循环利用来促进细胞的稳态。在大多数情况下，自噬是一种细胞保护机制，但如果不受控制，则有可能变成有害的。因此，自噬功能障碍与多种人类病理状况有关，包括骨骼系统疾病和疾病。自噬调节骨形成
　　骨骼系统的发育，生长和维持处于动态平衡中，并且对各种因素（包括机械刺激和激素波动）高度敏感。骨髓或骨膜的间充质细胞包括能够分化成骨，成脂和成软骨的多能群体。间充质来源的成骨细胞负责骨基质的合成，分泌和矿化，当包埋在矿化的基质中时进一步分化为骨细胞。骨细胞嵌入骨基质中，形成调节骨骼重塑的细胞网络。造血干细胞衍生的多核破骨细胞在重塑过程中执行骨吸收。破骨细胞向骨表面分泌降解酶以溶解矿物质并消化骨基质，并通过内吞作用回收降解的内容物。这三种类型的细胞紧密相连，以协调骨骼系统的稳态。例如，成骨细胞介导的新骨形成的生理刺激与破骨细胞的吸收活性密切相关，在破骨细胞的吸收过程中，生长因子例如TGF-β1（转化生长因子β1），IGFs（胰岛素样生长因子），和骨形态发生蛋白（BMP）从骨骼的细胞外基质中释放出来。
　　从表型上看，人类全基因组筛选揭示了自噬相关基因的单核苷酸多态性与表型之间的相关性。自噬通路调控基因的表达直接影响骨远端骨密度（BMD）的变化。
　　在具有高分泌能力的细胞中，自噬控制着对蛋白质合成至关重要的信号复合物的空间定位。Wnt 和NF-kB 的激活揭示了这种细胞内空间定位通过特定途径组分的自噬降解进行信号转导。除蛋白质运输外，自噬还可以协调涉及细胞活力，细胞更新和先天免疫应答的多种细胞途径。由于这些途径对于成骨细胞和破骨细胞的分化至关重要，因此这种自噬调节的空间定位在调节骨细胞的合成代谢和分解代谢功能中的重要性显而易见。由于自噬是胚胎发生过程中必不可少的细胞活性，因此动物模型中自噬相关基因的全身缺失几乎总是导致出生时死亡。结果，建立了各种细胞特异性条件敲除模型，以探索自噬在成骨细胞，成骨细胞和破骨细胞中的特定作用。自噬微调成骨细胞的分化和功能
　　成骨细胞是骨骼的主要构造物。这些间充质来源的细胞通过不断的合成和沉积骨基质。自噬密切影响着成骨细胞生存和生理功能。
　　在骨髓中，在间充质干细胞的分化中已经描述了骨脂平衡。衰老，雌激素缺乏或高脂饮食会促使MSC趋向成脂分化，并导致骨密度降低。自噬与间充质祖细胞的干性维持相关。分化开始后, MSC积累自噬体并将其递送至溶酶体，这表明自噬相关代谢与MSC分化密切相关。更具体地说，自噬的激活与通过AMPK信号通路的MSC的成骨分化相关。
　　适当的自噬水平是维持体内稳态和成骨细胞存活的先决条件。体外研究表明自噬水平与氧化应激之间呈负相关。自噬的下调导致成骨细胞样细胞中氧化应激的增加，而这些细胞中自噬的上调与氧化应激的降低和细胞凋亡的降低相关。抑制自噬必需基因可增加成骨细胞的氧化应激水平。其他数据表明，通过自噬的早期启动可以减轻氧化应激对成骨细胞的损害，这可以通过内质网应激途径实现。雌激素已显示出对血清剥夺诱导的成骨细胞凋亡的抑制作用，这种保护作用的一部分是通过经由ER-ERK-mTOR途径促进自噬而实现的。此外，自噬显示出各种毒性刺激对成骨细胞的保护作用。例如，高水平的自噬通量减少了暴露于氯化铅的成骨细胞的细胞死亡，并且自噬通量水平的上调有助于分化的骨细胞在压力环境中的存活。除存活以外，自噬与成骨细胞的分化和矿化密切相关。自噬在矿化中作用的最直接证据是自噬泡中磷灰石晶体的鉴定。抑制自噬通量也阻止了成骨细胞中矿物质的向外运输。Beclin-1或Atg7的基因敲除导致体外矿化作用不足。也已经报道了自噬在矿化中的体内作用。成骨细胞中靶向性Atg5缺失导致小梁骨质量减少50％。 Fip200成骨细胞特异性缺失（FAK家族相互作用蛋白200 kDa）破坏成骨细胞的终末分化，抑制骨形成，并因此导致骨质减少的表型。此外，成骨细胞特定条件的Atg7缺失会通过触发ER应力而导致骨形成减少，而通过全身释放苯基丁酸来缓解ER应力可以恢复骨形成平衡。当使用Osterix-Cre转基因小鼠在整个成骨细胞谱系中敲除Atg7时，成骨细胞和破骨细胞的数量均减少，而骨细胞显示出细胞投射减少和ER保留增加。
　　自噬也积极参与了对成骨具有重要意义的信号通路。例如，胰岛素样生长因子-I（IGF-1）刺激成骨细胞的成骨分化，其功能至少部分通过激活AMPK和上调自噬来实现。
　　此外，由骨形态发生蛋白2（BMP-2）诱导的促成骨级联反应之一涉及自噬相关因子Atg7的激活，该因子随后靶向Wnt16以激活金属蛋白酶13并最终成骨细胞分化。
　　除成骨细胞外，软骨细胞是另一个负责骨骼生长的关键细胞群。除颅面区域外，长骨通过软骨内骨形成并生长，在此期间软骨细胞经历肥大和活性基质分泌。体外研究表明，软骨细胞的分化和矿化与自噬活性水平呈正相关。在小鼠出生后的生长过程中，生长板软骨细胞中的自噬功能开启，其水平与II型胶原的分泌密切相关，II型胶原是软骨基质的主要成分。当Atg7如果在软骨细胞中特异地缺失，则合成的II型前胶原不能被转运出，而是保留在ER中。此外，Fgf18和Fgfr4缺失小鼠中生长板软骨细胞的自噬被抑制，导致骨质减少。这种表型可以通过自噬的药理活化来挽救。这些数据表明自噬在内源性骨形成过程中作为FGF信号转导的效应子。
　　具有明显骨调节能力的多种途径或生长因子显示出具有自噬活性的串扰。BMP被认为是强大的成骨生长因子，并且该蛋白家族的成员已成功应用于临床。BMP直接与成骨细胞表面的受体结合，并通过细胞内SMAD信号传导系统激活骨形成过程。BMP的旁分泌功能可以通过其细胞外拮抗剂，头蛋白，弦蛋白和硬化蛋白的水平来调节。胰腺炎细胞研究的证据表明，BMP可能拮抗头蛋白对微管相关蛋白1轻链3（MAP1LC3）-II水平的抑制作用，并随后增加Beclin-1的表达水平和溶酶体相关膜蛋白2（Lamp2）。这样，BMP配体可能参与自噬水平的调节。
　　β-catenin依赖性经典Wnt信号传导是与自噬相关的另一种成骨途径。Wnt信号对于干细胞向成骨细胞谱系分化至关重要。Wnt配体通过与卷曲蛋白受体结合，触发DVL（离散链段极性蛋白）募集到质膜。DVL通过与SQSTM1结合来促进MAP1LC3介导的自噬吞噬，泛素化和降解。另外，在应激条件下，DVL被p62泛素化并识别，而p62又通过LC3介导的自噬促进DVL聚集和降解。以此方式，Wnt信号传导途径与自噬负相关。此外，由于WNT-CTNNB1信号通路的激活对于骨关节炎的发病机制至关重要，因此Wnt信号的激活可能抑制自噬活性并增加成骨细胞或软骨细胞凋亡。
　　同时，已经提出多种自噬相关蛋白可以更直接地影响成骨细胞的生物学。
　　在自噬活动中具有明显功能的两个转录因子家族参与成骨细胞的存活，分化和功能。（FOXO）转录因子家族的成员与细胞生物学密切相关，包括增殖，肥大，分化，DNA修复，细胞周期，能量循环和葡萄糖代谢。 FOXO激活通过直接结合自噬相关基因的启动子区域来增强自噬水平。特定的FOXO缺失导致成骨细胞的氧化应激和细胞凋亡增加，而FOXO3的过度表达则防止了与衰老相关的骨质流失。考虑到自噬在维持细胞存活和衰老相关生理变化发作中的作用，很自然地推测，FOXO通过对自噬的诱导作用参与了骨细胞稳态的调节。
　　来自cAMP反应元件结合（CREB）蛋白家族的激活转录因子4（ATF4）也与成骨细胞功能和自噬活性有关。在成骨细胞的骨形成和终末分化中都需要ATF4。ATF4水平的突变或紊乱与两种人类遗传骨骼系统疾病（Coffin-Lowry综合征和I型神经纤维瘤病）有关。成纤维细胞中ATF4的过度表达可能诱导成骨细胞特异性基因表达，骨钙素合成和异常矿物质沉积。同时，ATF4通过增加氨基酸向细胞内的摄入来保护细胞免于氨基酸饥饿。有趣的是，ATF4是通过上调的几个自噬基因，包括微管相关蛋白1A / 1B轻链3B（转录视为细胞存活和生存力的增强剂MAP1LC3B）和Atg5的。此外，神经纤维蛋白-1引起的骨量异常增加可以通过限制氨基酸摄入来挽救。