Nature丨HIF1α通路調控軟骨細胞成骨的分子機制

　　軟骨內骨化（Endochondral ossification）是脊椎動物骨骼系統在胚胎發育過程中產生骨組織的重要過程（圖1）【1】，如四肢骨、軀干骨及顱底骨等的形成；它也是骨性骨折自然愈合過程中的一個重要階段。因此研究該過程的發生具有重要的生理病理意義。

圖1 軟骨內骨化的過程

　　生長板軟骨細胞的增殖決定了長骨的縱向生長，細胞間質則提供了骨形成的支架，軟骨細胞代謝功能是否正常決定著骨形成的質量。軟骨組織由軟骨細胞和細胞間質組成，該組織的內部沒有血管的分布，營養物質由軟骨組織膜上的血管滲透到細胞基質中來營養軟骨細胞。隨著生長板的生長，生長板中心區域的環境缺少氧氣供應，由此激活了軟骨細胞的HIF-1α信號通路【2】 。軟骨細胞的增值和細胞間質的形成需要大量的能量【3】， HIF-1α信號通路如何調控生長板軟骨細胞代謝的分子機制還不清楚。

　　北京時間1月17日，來自比利時魯汶大學（歐洲歷史最悠久且最受人尊敬的大學之一）代謝與衰老研究所的Geert Carmeliet團隊在Nature上發表了題為HIF-1α metabolically controls collagen synthesis and modification in chondrocytes的研究論文，研究人員發現軟骨細胞內的HIF-1α信號通路持續激活會導致骨骼發育不良，該通路的過度活化會抑制細胞內的能量代謝和生物合成，具體表現為葡萄糖氧化的減少導致能量供應不足（抑制了細胞增值）、UPR反應和減少了膠原蛋白合成。

　　為了研究HIF-1α信號通路對生長板軟骨細胞代謝功能的調控作用，研究人員制作了軟骨細胞特異敲除Phd2（HIF prolyl hydroxylase 2，是HIF-1α重要的負調控蛋白，它能通過羥基化修飾來降低HIF-1α蛋白的穩定性）的小鼠（圖2）【4】，發現能顯著增加該小鼠軟骨細胞HIF-1α的蛋白量，說明調控HIF-1α的小鼠模型制作成功。Phd2chon-小鼠表現出了明顯的骨骼發育不良，骨骼縱向生長受抑制如增生區（PZ）和肥大區（HZ）均變短，骨小梁質量增多。

圖2 HIF-1α的翻譯后修飾

　　Phd2chon-小鼠骨質量的增加不是因為骨吸收或骨形成的變化，是什么原因導致骨質量的增加呢？研究發現Phd2chon-小鼠軟骨殘余主要是由II型膠原和蛋白多糖組成。Phd2chon-軟骨細胞中膠原修飾酶表達的提高導致了II型膠原蛋白脯氨酸羥基化和賴氨酸（K87）羥基化的增加；脯氨酸的羥基化能增加膠原蛋白三條左手螺旋鏈相互纏繞的穩定性，賴氨酸的羥基化能增加膠原蛋白之間交聯程度（圖3）【5】，從而抑制了膠原蛋白的降解。

圖3 膠原蛋白的合成與修飾

　　Phd2chon-軟骨細胞HIF-1α蛋白量增加了4.6倍，研究發現過量的HIF-1α蛋白能介導了細胞代謝的重編程（葡萄糖氧化磷酸化轉為糖酵解），使細胞功能不足，進而影響了細胞的增值和蛋白質的合成。雖然糖酵解貢獻了軟骨細胞中超過60%的能量，但還需要葡萄糖的氧化磷酸化，因此必須嚴格調控軟骨細胞中HIF-1α信號通路的活性，進而維持軟骨內骨化過程中軟骨細胞內葡萄糖代謝的平衡。

　　進一步研究發現HIF-1α還增加了Phd2chon-軟骨細胞中GLS1（glutaminase 1，谷氨酰胺酶1）的表達，它能把谷氨酰胺轉化成α-酮戊二酸（αKG），使細胞中的αKG增加了4倍。提高了膠原修飾酶（P4HA、P3H1 和PLOD均含Jmjc結構域）的活性【6】，從而增加了膠原蛋白中脯氨酸和賴氨酸羥基化的水平。

　　為了驗證αKG對膠原蛋白羥基化的作用，作者用αKG 類似物 α-酮戊二酸二甲酯 （dimethyl-αKG）處理了野生型小鼠，發現軟骨基質中II型膠原的量增加了，進而增加了骨質量。接著作者用GLS1 的抑制劑BPTES（bis-2-(5-phenylacetamido-1,3,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide）處理了Phd2chon-小鼠，發現能逆轉骨不良發育的表型。異常活化的HIF-1α信號過度修飾了膠原蛋白導致骨骼發育不良。

　　雖然生長板軟骨細胞處于無血管環境中，低氧應激因子PHD2做為軟骨細胞代謝調控核心控制著HIF-1α的活性來維持骨骼的正常發育。糖酵解是軟骨細胞中最重要的產能途徑，但細胞的增值和蛋白質的合成需要葡萄糖的氧化磷酸化，需要嚴格調控HIF-1α信號的活性以保持這兩條代謝通路的平衡。腫瘤、成骨不全病和纖維化等疾病均與胞外參考文獻

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