線粒體質量控制調控骨質疏松的研究機制進展*

胡艷東，王永慶**，孫魯寧

1南京醫科大學第一附屬醫院，南京 210029;2南京醫科大學 藥學院，南京 211166

1 骨質疏松中的線粒體質量控制

線粒體與一系列生物過程有關，包括氧化還原平衡、鈣穩態、能量產生、代謝和細胞死亡[1]。線粒體質量控制（mitochondrial quality control，MQC）是一種細胞內機制，旨在維持線粒體的結構完整性、功能穩定性和適應性，以確保細胞能夠有效地執行其生物學功能。MQC 監測和維護線粒體的健康狀態，并針對受損或功能異常的線粒體采取相應的修復或清除策略[2]，其關鍵機制包括線粒體生物發生、線粒體的融合/分裂以及線粒體自噬。線粒體生物發生補充線粒體成分；線粒體融合/裂變通過調控線粒體網絡，使線粒體正常運作并且適應細胞生長、分裂和損傷反應；線粒體自噬選擇性地去除受損和功能失調的線粒體，維持線粒體群體的整體健康和功能[3]。

骨質疏松癥（osteoporosis，OP）是一種全身性和代謝性骨病，隨著人口老齡化的加劇，OP 已成為嚴重的公共衛生問題[4]。骨形成過程需要破骨細胞和成骨細胞的協同作用：破骨細胞是源自骨髓/單核細胞譜系的終末分化的多核細胞，主要負責骨吸收；成骨細胞來自骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs），可礦化形成新的骨質。研究表明，OP 發展過程中常常伴有代謝過程的變化和線粒體功能障礙[5，6]，原發性線粒體疾病中也普遍存在導致骨骼健康不良的危險因素[7]。線粒體質量控制失調會加劇線粒體功能障礙，因此，詳細闡明線粒體質量控制機制，對于維持骨骼健康、使骨骼免受線粒體功能障礙的影響十分重要。

2 線粒體生物發生和骨質疏松

2.1 線粒體生物發生

線粒體生物發生是指預先存在的線粒體的生長和分裂，從而產生新的線粒體的過程[8]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）是線粒體生物發生的“主要調節劑”，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）和沉默信息調節因子（sirtuin，SIRT）通過磷酸化和脫乙?；閷GC-1α 的活性，后者激活核呼吸因子-1、核呼吸因子-2（nuclear respiratory factor 1/2，NRF-1/2）、過氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferatoractivated receptor-α，PPAR-α）、雌激素相關受體（estrogen-related receptors,ERRs）等轉錄因子，刺激線粒體生物生成和呼吸，促進線粒體復制和轉錄、線粒體蛋白的合成以及新的線粒體生物發生[9]。其中，NRF1 和NRF2 促進線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的表達，TFAM 激活mtDNA 轉錄并且參與mtDNA 復制過程，是mtDNA 轉錄和復制的最終效應因子[10]。

圖1 線粒體質量控制作用機制（使用BioRender 繪制）

2.2 線粒體生物發生對成骨細胞的調控

BMSCs 分化為成骨細胞的過程以及成骨細胞的增殖分化中均伴隨著線粒體生物發生的上調[11]。研究人員發現，在BMSCs 的成骨分化過程中，雌激素相關受體α（estrogen-related receptor α，ERRα）通過增加線粒體內谷氨酰胺酶的表達增強線粒體功能，在老年小鼠的BMSCs 中，PGC-1α 和ERRα的表達減少，但ERRα 的補償作用可以挽救BMSCs的成骨能力[12]。MA J 等[13]的研究發現，白藜蘆醇通過上調沉默信息調節因子1（silent information regulator 1，SIRT1）表達激活PGC-1α，線粒體生物發生增加，ATP 產生增多，從而促進了小鼠胚胎或骨細胞前體細胞（MC3T3-E1 細胞）的成骨分化。MüLLER DIH 等[14]發現，轉錄因子PPAR-δ 參與調節線粒體代謝并增加線粒體呼吸，是成骨細胞分化和礦化所必需的。此外，過表達PGC-1α 能夠抑制成骨細胞中由SIRT3 敲低引起的線粒體密度、膜電位和堿性磷酸酶活性降低[15]。TANG X[16]的研究顯示，NaB 通過調節Nrf2/GSK-3β 信號通路激活PGC-1α和TFAM，增強線粒體氧化還原穩態、能量代謝以及線粒體抗氧化酶的活性，從而對骨具有保護作用。另外，線粒體DNA 聚合酶γ（DNA polymerase γ，Polg）在線粒體中起著關鍵作用，負責細胞中線粒體DNA的復制和修復。DOBSON PF 等[17]的研究表明，Polg突變導致成骨細胞線粒體呼吸鏈蛋白表達減少，引起線粒體功能障礙，加速骨質流失和骨形成的減少。綜上所述，線粒體生物發生對于骨的形成具有重要意義。

2.3 線粒體生物發生對破骨細胞的調控

與PGC-1α 類似，PGC-1β 是線粒體生物形成的強激活劑，可調節能量代謝的多個方面。在破骨細胞形成過程中，SIRT3 通過調節AMPK-PGC-1β和ERRα 的表達，增強mRNA 和蛋白質水平[18]。ISHII KA 等[19]發現PGC-1β 和鐵吸收協同促進線粒體生物合成以激活破骨細胞分化，PGC-1β 缺失則會抑制體外破骨細胞生成。WEI W 等[20]的研究也表明PGC1-β 與PPAR-γ 協同增強線粒體生物發生和破骨細胞功能。然而，ZHANG Y 等[21]認為破骨細胞譜系細胞中PGC-1β 缺失雖然會導致線粒體生物豐度和功能降低、破壞破骨細胞的細胞骨架組織和功能，但并不會影響破骨細胞生成。因此，對于線粒體生物發生對破骨細胞的功能調控仍需更多探索。

3 線粒體動力學和骨質疏松

3.1 線粒體的裂變和融合

線粒體是高度動態的細胞器，具有恒定的運動和形態變化，形成動態連續的網絡，該過程被稱為線粒體動力學，涉及線粒體融合和裂變以及線粒體分布[22]。線粒體裂變產生較小的細胞器，維持線粒體的數量、細胞極性并幫助消除受損的線粒體；線粒體融合促進線粒體內容物相互交換和連接，以提供足夠的能量，減輕氧化損傷，保持膜電位[23]。裂變和融合之間的動態平衡對于維持最佳線粒體功能以及滿足細胞特定能量代謝需求至關重要[24]。哺乳動物中，運動蛋白酶和動力蛋白沿著微管網絡移動，將線粒體輸送到需要ATP 的區域以及與線粒體功能相關的其他方面，如鈣穩態[25]。

線粒體裂變主要依賴于細胞質中的動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，DRP1），在應激條件下，細胞質中的DRP1 被線粒體外膜上的線粒體裂變因子（mitochondrial fission factor，MFF）、線粒體裂變蛋白1（mitochondrial fission protein 1，FIS1）等線粒體動力學蛋白募集到裂變部位[26]。DRP1 是三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）酶，裂變時DRP1 在收縮位點周圍聚集，形成環狀結構，隨后DRP1 以GTP 依賴的方式刺激線粒體膜收縮，促使線粒體內外線粒體膜破裂以及線粒體裂變，進而分離有缺陷的和去極化的線粒體[23]。

線粒體融合過程包括線粒體內外膜的結合。在哺乳動物細胞中協調這一過程的主要蛋白質是由核基因編碼的，同屬動力蛋白相關的GTP 酶家族，包括線粒體融和蛋白1 和2（mitofusin1/2，MFN1/2）和視神經萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）。MFN1/2 相互連接束縛相鄰的線粒體并介導外膜的融合。OPA1 具有N 末端結構域，該結構域內含有用于線粒體導入的線粒體靶向序列（mitochondrial targeting sequence，MTS），以及將MTS 錨定到線粒體內膜的跨膜結構域和卷曲螺旋結構域。因此，OPA1 參與線粒體內膜的融合，并保持線粒體結構和內膜的完整性[27]。

3.2 線粒體動力學對成骨細胞和破骨細胞的調控

BMSC 成骨分化能力減弱是導致骨質疏松發生的主要原因之一[28]，研究表明，線粒體動力學在體內和體外干細胞的自我更新和分化中發揮關鍵作用。線粒體裂變參與維持BMSC 的干性[29]。最新的研究顯示，在成骨過程中，線粒體裂變增加，導致小型線粒體增多以及線粒體衍生囊泡（mitochondrialderived vesicles，MDVs）增加，線粒體和MDVs 從成骨細胞中釋放到胞外基質中，促進成骨祖細胞的成熟分化和骨形成。敲低OPA1 或者過表達FIS1 會增加線粒體裂變、MDVs 釋放，并加速成骨過程，這充分說明了線粒體形態改變在骨形成當中的重要性[30]。體外研究表明，在腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）誘導的成骨細胞炎癥模型中，DRP1發揮重要作用。線粒體分裂抑制劑1（mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1）可以顯著改善由DRP1上調引起的線粒體形態異常、線粒體功能障礙和成骨細胞損傷[31]。高葡萄糖會改變成骨細胞線粒體動力學，表現為成骨細胞內DRP1 表達減少、融合線粒體增加、碎片化線粒體減少，同時，線粒體生物發生減少，損害成骨細胞的遷移和趨化性[32]。在破骨細胞中，MFN1 和MFN2 的雙重缺失導致雌性小鼠體內骨量增加，MFN2 的過表達可逆轉破骨細胞生成缺陷，表明線粒體動力學對骨吸收有顯著影響[33]。DRP1 在破骨細胞分化過程中通過活化T 細胞核因子1（nuclear factor of activated T cells 1，NFATC1）發揮重要作用，使用DRP1 抑制劑可有效防止體內脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或卵巢切除（ovariectomized，OVX）誘導的過度骨質流失[34]。線粒體的分裂和融合對于成骨細胞和破骨細胞的活性具有非常重要的影響，對線粒體動力學的干預成為了一種潛在的治療骨質疏松癥的策略。

4 線粒體自噬和骨質疏松

4.1 線粒體自噬的形成和分類

線粒體自噬是一種特殊形式的自噬，選擇性分解受損線粒體并促進線粒體代謝，專門作用于降解受損或功能失調的線粒體[35]。根據吞噬囊泡與受損線粒體識別機制的不同可大致分為泛素依賴型及受體依賴型線粒體自噬[36]。

泛素依賴型線粒體自噬主要是指PTEN 誘導激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）和E3 泛素-蛋白連接酶（E3 ubiquitin-protein ligase，PARKIN）通過線粒體自噬激活參與維持線粒體質量的過程[37]。在正常生理情況下，PINKI 和PARKIN 通過MTS 持續靶向正常的線粒體。當線粒體損傷時，線粒體膜電位去極化阻止PINK1 進入內膜，隨后PINK1 在線粒體外膜大量聚集磷酸化泛素，促進PARKIN 由胞漿向線粒體膜轉位，激活線粒體自噬[38]。微管相關蛋白1 輕鏈 3（microtubule-associated protein light chain-3，LC3）是吞噬囊泡上的一種表面分子，它與泛素化蛋白如視神經病變誘導反應蛋白（optineurin，OPTN）、核點蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）等與相互作用，誘導自噬體的形成，降解受損的線粒體[39]。

受體依賴型自噬由線粒體外膜上的含長鏈反向重復序列（long inverted repea，LIR）的線粒體自噬相關受體介導。缺氧狀態下，BCL2 相互作用蛋白3（BCL2 interacting protein 3，BNIP3）和NIP3 樣蛋白（NIP3-like protein X，NIX）能夠與BCL-2 家族蛋白結合，通過抑制雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）或調節活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生來激活線粒體自噬。BNIP3 的N 端具有LIR 序列，可識別LC3 并與之直接結合，從而被吞噬囊泡識別并誘導線粒體自噬的發生。除BNIP3/NIX 途徑外，含FUN14 結構域蛋白1（FUN14 domain-containing protein 1，FUNDC1）同樣定位于線粒體外膜，通過其LIR 結構域與LC3 直接相互作用，直接誘導線粒體自噬[40]。

4.2 線粒體自噬對成骨細胞的調控

成骨細胞分化和成熟過程受到線粒體自噬的調節。線粒體自噬被抑制時會加劇糖尿病小鼠成骨能力的喪失和骨質流失[41]，LEE SY 等[42]發現PINK1在骨質疏松癥患者中下調，PINK1 缺失加劇了OVX誘導的小鼠骨質減少。同時，體外實驗表明，PINK1能夠調節成骨細胞分化，Pink1-/-成骨細胞線粒體質量減少、異常線粒體增加、受損線粒體的選擇性清除減少，表明PINK1 在成骨細胞的線粒體生物發生和線粒體自噬中發揮作用。LIU X 等[43]表明線粒體自噬可清除受損的線粒體，防止成骨細胞凋亡。線粒體自噬參與骨質疏松的調節還與磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）等信號有關。YANG X 等[44]的實驗證明，白藜蘆醇通過介導SIRT1 和PI3K/AKT/mTOR 信號通路增強線粒體自噬來預防地塞米松治療大鼠的成骨細胞功能障礙和骨質疏松癥。ZHAO B 等[45]發現益母草通過抑制PI3K/AKT/mTOR途徑激活線粒體自噬防止BMSCs 中ROS 的產生，從而保護BMSCs 的增殖和分化免受氧化應激。

4.3 線粒體自噬對破骨細胞的調控

最新的研究表明，線粒體自噬在破骨細胞的分化中起著至關重要的作用。SIRT3 通過介導PINK1的去乙?；饔?，調節破骨細胞的線粒體自噬，從而促進破骨細胞的分化。使用SIRT3 抑制劑LC-0296 可以部分抑制破骨細胞功能，減弱由雌激素缺乏或衰老引起的骨吸收增加和骨量減少，從而預防骨質疏松的發生[46]。通常情況下，破骨細胞是終末分化的細胞，其壽命僅2 周左右，在此之后會發生凋亡。然而，最新的研究發現，成熟的破骨細胞還會通過分裂形成較小的子細胞，研究人員將其稱為“osteomorphs”，它們能夠與鄰近的破骨細胞融合或自身融合，實現破骨細胞的循環[47]。在此基礎上的研究發現，線粒體自噬能夠促進破骨細胞分裂，增加“osteomorphs”的形成，抑制線粒體自噬會誘導破骨細胞凋亡[48]。線粒體自噬在破骨細胞的形成和存活中發揮重要作用，其與骨穩態之間的機制仍然需要進一步展開更深入的研究。

5 總結與展望

線粒體質量控制系統在維護線粒體完整性和骨穩態方面發揮著關鍵作用。線粒體氧化應激、線粒體裂變融合異常、線粒體生物發生減少以及線粒體過度自噬等因素都與骨質疏松的發生有關。調節線粒體質量控制相關因子的表達，可以提高成骨細胞的成骨能力和降低破骨細胞的破骨能力，從而達到治療骨質疏松的目的。

目前，骨質疏松中線粒體質量控制的研究處于早期階段，仍存在以下問題：①不同細胞類型中線粒體質量控制能力的變化、線粒體質量控制作用時間、程度以及周圍微環境可能會對組織損傷和修復產生不同甚至相反的影響。因此，有必要確定成骨細胞和破骨細胞線粒體質量控制能力的改變對骨質疏松的影響。②線粒體質量控制各機制之間相互作用串擾，任何一個機制的變化都將影響其他機制，進而影響整個系統。③目前研究多集中于動物和細胞層面，臨床應用仍然需要大量的實驗研究證據，進一步開展相關機制及轉化醫學等方面的研究，面臨著巨大的挑戰。全面理解線粒體質量控制的機制，維持線粒體數量及質量的內穩態對于預防和治療骨質疏松具有重要的臨床意義，也為相關藥物的研究和開發提供了新的方向。