文献阅读骨科领域中的自噬（三）

　　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
　　自噬参与维持骨细胞稳态
　　当成骨细胞进入骨基质，最终分化为骨细胞时，自噬是必不可少的。骨细胞是终末分化的细胞，嵌入由矿化的骨基质界定的匿池（nich）中。与成骨细胞的细胞寿命短相反，骨细胞是非常长寿的细胞，并且在形态上比其他骨骼或软骨细胞更接近神经元。
　　首先，成骨细胞经历细胞形态和组成的急剧转变，成为骨细胞，这需要细胞器的主动回收。
　　其次，由于矿物质基质中的血液灌注有限，骨细胞更容易发生缺氧和高氧化应激，因此需要更严格的养分预算。如上所述，这两个方面都需要主动自噬。因此，毫不奇怪，MAP1LC3分布在相当大比例的骨细胞中，很明显证明了自噬活动的基础水平。
　　具体而言，骨细胞依靠自噬来适应多种不利因素，例如高ROS和缺氧。
　　而且，目前的证据表明，骨细胞比其祖细胞显示出更大的自噬活性。LC3在骨细胞中的表达水平显着高于成骨细胞。此外，自噬与缺氧环境中骨细胞的存活有关。在高氧化应激下，自噬活性的激活减少了骨细胞凋亡。体内特定的缺失Atg7基因导致骨量显着减少，这同时与破骨细胞和成骨细胞数量减少以及骨吸收与骨形成之间的平衡紊乱有关。因此，自噬在骨细胞的存活以及维持骨量和重塑中起着至关重要的作用。
　　此外，在离体环境中，营养缺乏，缺氧或钙应激会上调前骨样细胞中的自噬。表明自噬参与了应激条件下骨细胞的存活。此外，糖皮质激素治疗可将自噬活性水平提高多达30倍，并深刻影响骨细胞功能。
　　骨细胞的主要生理功能是充当骨骼组织的机械传感系统。从骨细胞延伸的树突状过程形成网络，并将骨骼上的机械刺激转换为生物信号，随后调节骨骼重塑过程。初级纤毛是一种细胞器，在多种细胞功能（包括机械感觉）中起关键作用。初级纤毛和自噬活动均与各种类型的骨疾病紧密相关，最近已提出它们之间的相互作用。通常，纤毛较短的细胞会抑制自噬活性。
　　除了由初级纤毛直接介导的机制外，机械刺激还可以激活MSC，成骨细胞甚至软骨细胞中的自噬水平。机械负荷诱导的自噬与多种细胞类型的存活和代谢有关。机械刺激的周期性变化及其随后的自噬变化对于骨细胞的网络发育必不可少。
　　自噬参与骨吸收
　　骨吸收是通过多核破骨细胞进行的，破骨细胞是在受到巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和RANKL（核因子κB配体的受体激活剂；也称为TNFSF11，肿瘤坏死因子配体）刺激后从造血干细胞衍生而来的超家族成员11）。破骨细胞极化，以在细胞-骨界面形成一个皱褶缘。皱边下方形成许多封闭的隔室，降解酶通过这些隔室分泌到骨表面上。然后，降解的骨基质通过内吞作用转运到破骨细胞中以进行回收。如上所述，自噬积极参与破骨细胞的分化和功能。
　　自噬调节破骨细胞形成
　　破骨细胞起源于造血性单核髓样干细胞，多数情况下位于骨髓腔中。当协调骨组织的重塑并且生理上需要骨吸收或在病理上强制骨吸收时，这些单核细胞会变成多核破骨细胞表型，并迁移到将要重塑的骨表面上。
　　从粘附的单核细胞向活性破骨细胞的分化是由信号刺激（包括集落刺激因子1（CSF1）和TNFSF11 / RANKL）引发的。在破骨细胞形成开始时，单核细胞相互融合成为多核巨细胞。向骨骼重塑部位募集分化细胞取决于趋化因子，包括CXCL12（趋化因子（C–X–C基序）配体12）和S1P（1-磷酸鞘氨醇）。
　　如上所述，自噬活性上调保护细胞免于凋亡。在糖皮质激素诱导的体外缺氧和高氧化应激条件下，自噬活性水平增加以减少细胞应激，从而保护破骨细胞的形成和存活。同样，在体内环境下，一个预期缺氧的环境区域，破骨细胞分化迁移到骨表面。
　　自噬和破骨细胞功能
　　激活骨吸收程序后，终末分化的破骨细胞紧密附着在骨表面，并且这种附着是通过在破骨细胞接触侧形成的特殊结构（称为足囊）实现的。功能蛋白，包括肌动蛋白丝，F-肌动蛋白和肌动蛋白单体，是破骨细胞附着的关键锚点。实际的吸收是通过产生和分泌含有酸和蛋白酶的溶酶体来实现的。溶酶体迁移到破骨细胞和骨表面之间的褶皱边界，在足囊处与细胞膜融合，并使盐酸和蛋白酶外在化。酸溶解骨骼中的矿物质，包括基质金属蛋白酶在内的蛋白酶分解胶原蛋白基质。
　　活性破骨细胞发挥功能时需要协调酸和酶的合成和外在作用，以及分解后的基质的内在作用和分解作用。除了在破骨细胞形成中的作用外，自噬已被证明在破骨细胞的功能中不可或缺。当将外源自噬抑制剂巴氟霉素加入破骨细胞培养基中时，其吸收活性急剧下降。自噬相关蛋白ATG5，ATG7，ATG4B和MAP1LC3都被认为在激活吸收功能中起着关键作用。体内和体外数据均表明ATG5和ATG7促进破骨细胞功能并引导溶酶体靶向锚定肌动蛋白环。值得注意的是，ATG5和ATG7均不影响破骨细胞生成。在特定的敲低模型中，破骨细胞内的核数目，分泌性溶酶体的存在，甚至肌动蛋白环蛋白的表达均不受影响。另外，对MAPILC3A和ATG4B调节既阻断了再吸收活性，又阻断了CTSK（组织蛋白酶K）的表达。当ATG5被敲低时，观察到CDC42活性和肌动蛋白环破坏显着下调。当敲低MAPILC3A时，肌动蛋白环的形成，吸收活性和CTSK释放均被抑制。因此，有人提出自噬相关蛋白可以通过依赖于MAP1LC3-CDC42的轴调节骨吸收活性，这影响肌动蛋白环的形成和破骨细胞的边缘组织。
　　除了RANK / RANKL轴外，炎症途径还与破骨细胞的分化和功能有关。TNF-α的存在会激活NF-κb信号传导，并促进破骨细胞生成和骨吸收活性，并且该机制部分通过自噬来介导。
　　总之，这些结果表明，微调自噬活动的所有三种类型的骨细胞的平衡是在维持骨稳态的枢转。
　　自噬和三种类型的骨细胞的功能。自噬可维持成骨细胞，破骨细胞和骨细胞的稳态
　　调节骨相关自噬活性的信号途径。mTOR和ULK1充当向下游自噬相关蛋白传导应激信号和生长因子的关键。
　　原文：
　　Yin, X., Zhou, C., Li, J. et al. Autophagy in bone homeostasis and the onset of osteoporosis. Bone Res 7, 28 (2019). https://doi.org/10.1038/s41413-019-0058-7