氧化應激影響成骨細胞功能的研究綜述,人體解剖學論文

氧化應激影響成骨細胞功能的研究綜述,人體解剖學論文骨質疏松癥〔osteoporosis,OP〕是一種以骨量下降、骨組織微構造毀壞為特征，使骨脆性增加，易發(fā)生骨折的代謝性骨病[1].隨著人口老齡化，其發(fā)病率呈逐年上升趨勢。氧化應激被以為是介入骨質疏松發(fā)生、發(fā)展的一個獨立危險因素[2].氧化應激與絕經(jīng)后骨質疏松、糖皮質激素性骨質疏松和糖尿病性骨質疏松發(fā)生、發(fā)展密切相關[3-5].骨質的完好性依靠于成骨細胞的骨構成功能與破骨細胞的骨吸收功能的平衡[6],氧化應激可影響成骨細胞功能。本文就氧化應激影響成骨細胞功能的研究進展作一綜述。體內研究活性氧〔reactiveoxygenspecies,ROS〕聚集、增加可致氧化應激，其具有雙重作用，可氧化、毀壞蛋白質、脂質、DNA,導致細胞功能改變，可以激活胞內多重適應性信號通路[7-10].細胞內存在抗氧化系統(tǒng)，華而不實銅鋅超氧化物歧化酶〔CuZn-SOD〕發(fā)揮重要作用，它由sod1基因編碼[11-12].有文獻報道，隨年齡增長，sod1基因敲除小鼠表現(xiàn)為明顯骨量下降、骨膠原交聯(lián)異常，sod1敲除鼠成骨細胞數(shù)量、類骨質外表積、礦化物外表積、骨構成率顯著下降[13],提示sod1基因敲除可致成骨細胞增殖、存活和分化功能下降。提取sod1基因敲除鼠原代成骨細胞進行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)sod1敲除鼠成骨細胞胞內ROS含量顯著增加、成骨細胞增殖下降、凋亡增加。應用抗氧化劑維生素C可逆轉sod1基因敲除對小鼠骨代謝及成骨細胞功能的影響，提示sod1敲除鼠骨表型改變主要原因是氧化應激增加，而非sod1基因缺失所致。體外研究ROS與細胞凋亡H2O2作為ROS的主要成分，可誘導凋亡相關基因AIF、Bax和caspase-3,9表示出，誘導成骨細胞凋亡[14].氧化應激可誘導成骨細胞凋亡已被廣泛認可[15-16],但ROS致成骨細胞凋亡的詳細分子機制尚未明確。有研究發(fā)現(xiàn)H2O2可激活胞外信號調節(jié)激酶〔ERK〕表示出，而應用ERK上游信號MEK1/2抑制劑PD98059不僅可降低成骨細胞凋亡率，還可改善H2O2誘導的Bax表示出增加和線粒體膜電位超極化[17].提示ERK作為線粒體依靠途徑的上游信號啟動凋亡信號，在H2O2誘導成骨細胞凋亡經(jīng)過中發(fā)揮積極作用。復原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸〔NADPH〕氧化酶4〔Nox4〕是產生ROS的重要酶類，H2O2可誘導MC3T3-E1細胞氧化應激增加、Nox4表示出上調和凋亡增加，應用辛伐他汀和RNAi技術沉默成骨細胞Nox4表示出后，H2O2誘導的細胞損傷顯著下降，提示在一定程度上辛伐他汀可通過抑制Nox4表示出上調進而保衛(wèi)成骨細胞免受H2O2損傷.ROS的另一主要來源是線粒體，抗毒素A可通過線粒體依靠途徑增加成骨細胞凋亡、ROS生成，降低線粒體功能，而用白芍苷預處理后細胞色素C、心磷脂、線粒體功能增加，最終減弱抗毒素A對成骨細胞的氧化損傷.ROS與細胞增殖H2O2可抑制成骨細胞增殖，應用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸〔NAC〕后成骨細胞增殖明顯改善[20].Wang等研究發(fā)現(xiàn)不同濃度氟化鈉干涉成骨細胞后其胞內ROS水平上升、增殖下降、細胞阻滯在S期〔DNA合成期〕,提示氟化鈉可能通過增加細胞氧化應激抑制增殖、阻滯細胞生長，而另一研究發(fā)現(xiàn)維生素D所致的ROS增加在一定程度上可促進人成骨細胞系SaOS2增殖和能量代謝[22].提示ROS的作用可能與胞內ROS水平、作用時間有關。轉錄因子FoxO可保衛(wèi)多種細胞免于ROS損傷，在成骨細胞系中FoxO1可增加細胞增殖、分化，減少凋亡。FoxO1作為miR-182的作用靶點，其表示出可被miR-182抑制，進而降低成骨細胞增殖和分化，損害骨生成[23].哺乳動物雷帕霉素靶蛋白〔mTOR〕是調節(jié)細胞增殖的關鍵信號分子[24],Lia等[25]研究發(fā)現(xiàn)小劑量、短時間H2O2刺激可誘導成骨細胞ROS增加進而活化mTORC1,促進細胞增殖。而大劑量、長時間H2O2刺激誘導胞內ROS明顯增加，mTOR表示出下調，抑制細胞增殖，該經(jīng)過與腺苷酸活化蛋白激酶〔AMPK〕介導的調控相關蛋白〔Raptor〕〔S792〕磷酸化密切相關。而另一研究則以為H2O2可通過下調細胞周期蛋白B1〔cyclinB1〕表示出、誘導G〔2〕細胞周期阻滯抑制細胞增殖，H2O2抑制mTOR信號通路在其降低細胞增殖的經(jīng)過中并無作用[26].ROS與細胞分化大量研究證明H2O2可影響成骨細胞分化[27-28].Zhang等[29]指出高糖所致的成骨細胞ROS水平增加可提高堿性磷酸酶〔ALP〕活性，降低礦化功能，下調Runt相關轉錄因子2〔Runx2〕、Ⅰ型膠原蛋白、骨鈣蛋白基因表示出，促進過氧化物酶增殖受體〔PPAR-〕、脂肪細胞脂肪酸結合蛋白〔ap2〕基因表示出，ROS的以上作用可被NAC逆轉。高糖環(huán)境下ROS通過激活PI3K/Akt信號通路進而抑制成骨分化，促進成脂分化。Arai等[28]發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，暴露于單一H2O2無毒濃度的成骨細胞礦化功能下降50%,調節(jié)抗氧化酶的轉錄因子Nrf2基因表示出上調，成骨標志物Runx2、ALP和骨涎蛋白〔BSP〕基因表示出顯著降低，提示ROS致成骨細胞分化下降與抗氧化酶系統(tǒng)表示出上調和成骨基因表示出改變密切相關。Arakak等[30]發(fā)現(xiàn)用促分化培養(yǎng)基培養(yǎng)MC3T3-E1細胞14d,細胞礦化和ALP、骨鈣蛋白基因表示出顯著上升，細胞線粒體形態(tài)學不斷從網(wǎng)狀向碎片狀變化，胞內ROS含量明顯增加，而正常培養(yǎng)條件下成骨細胞無明顯變化。用NAC處理后ROS水平、成骨細胞分化功能呈劑量依靠性下降。提示ROS作為胞內信號分子，其作用在成骨細胞分化經(jīng)過中必不可少。ROS與自噬自噬與自噬相關分子：自噬〔autophagy〕是溶酶體降解胞內衰老、損傷的細胞器和部分蛋白質、糖類等的一種程序性細胞死亡經(jīng)過，是細胞對環(huán)境的有效反響，以維持細胞本身穩(wěn)定。該經(jīng)過由自噬相關基因〔autophagyrelatedgene,Atg〕調控，Atg最早在酵母菌中發(fā)現(xiàn)，當前已發(fā)現(xiàn)34種Atg,華而不實大部分都能在哺乳動物中找到同源基因，如Atg1同源基因是ULK〔UNC-51likekinase〕家族蛋白ULK1和ULK2,Atg17同源基因是FIP200〔focaladhesionkinasefamilyinteractingproteinof200kDa〕、Atg6〔Beclin1〕、Atg8〔LC3〕.這些基因互相聯(lián)絡，如ULK1/2-mAtg13-FIP200復合物的構成可促使細胞自噬的發(fā)生[31-32].Atg4可分割微管相關蛋白1輕鏈3〔LC3〕前體構成LC3Ⅰ，隨后由Atg7依靠的泛素化樣系統(tǒng)加工，生成膜結合形式LC3-Ⅱ，最終將LC3Ⅱ粘連在自噬體膜上，該經(jīng)過是細胞自噬的一個重要經(jīng)過，因而LC3-Ⅱ被廣泛作為自噬標志物，其表示出水平的高低和LC3-Ⅱ/Ⅰ比值的變化代表了自噬活性的強弱[33].LC3-Ⅱ和Atg12-Atg5結合體是自噬體膜的標志性蛋白質，共同反映自噬活性。p62/SQSTM1是一種泛素結合蛋白，可與LC3互相作用進而介導哺乳動物細胞中泛素化蛋白質通過自噬途徑被溶酶體降解[34],其表示出增加表示清楚自噬活性下降，反之自噬活性增加，它能夠作為檢測自噬流量大小的標志物[35].自噬與mTOR:mTOR是一種保守的絲/蘇氨酸激酶，有mTORC1和mTORC2兩種活性形式，它作為細胞內的中心信號調節(jié)因子，可接受激素、能量、氧化應激等多種信號刺激[36-40].華而不實mTORC1在調節(jié)細胞生長、細胞凋亡、能量代謝和細胞自噬等方面發(fā)揮重要作用[31,41],mTORC1可通過磷酸化、調節(jié)下游信號分子絲/蘇氨酸核糖體蛋白S6激酶1〔S6K1〕,繼而激活S6,進而選擇性增加編碼核糖體蛋白和轉錄調節(jié)因子的mRNA翻譯[42],抑制自噬小體構成。mTOR受多種上游刺激因子調控，如AMPK、絲裂原激活蛋白激酶〔MAPK〕、磷脂酰肌醇-3-羥激酶〔PI3K〕、蛋白激酶B〔AKT〕等，華而不實AKT/mTOR/p70S6K信號通路可負性調節(jié)自噬[43-44].mTOR/p70S6K信號通路可調節(jié)多種細胞自噬功能[45-46],然而其與成骨細胞自1[47]研究發(fā)現(xiàn)，無血清培養(yǎng)條件下MC3T3-E1細胞自噬相關基因LC3,beclin1和ULK1及其蛋白表示出顯著增加，應用雌激素后自噬進一步加強，且雌激素的該作用與mTOR磷酸化受抑制有關。ROS與細胞自噬：近年細胞自噬與腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、慢性代謝性疾病如糖尿病、骨質疏松等的關系備受關注。無論是正常細胞還是腫瘤細胞，胞內ROS水平增加均可誘導自噬[48-49].Lu等[50]研究顯示小白菊素可誘導乳腺癌細胞產生ROS,進而激活凋亡和AMPK-自噬通路。那么ROS與成骨細胞自噬之間又有何關系呢？體外研究[51]發(fā)現(xiàn)H2O2可激活MG63細胞AMPK信號通路，增加胞內氧化應激，促進自噬，且H2O2所致的自噬增加與AMPK依靠的ULKI激活和mTORC1抑制有關。Alberto等[52]發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境下成骨細胞自噬與胞內ROS水平密切相關。暴露于高糖培養(yǎng)基中的MC3T3-E1細胞ROS含量、氧化蛋白、自噬顯著增加，應用NAC后，成骨細胞的以上變化均被逆轉，提示高糖環(huán)境下成骨細胞ROS增加可致自噬增加。在正常培養(yǎng)條件下Atg7基因沉默的成骨細胞胞內ROS產量和細胞凋亡顯著增加，提示自噬功能受損可能增加胞內ROS,加重細胞氧化損傷。當前高糖環(huán)境下ROS影響成骨細胞自噬功能的詳細分子機制尚未說明，可能與mTOR信號通路抑制相關。自噬與細胞凋亡：自噬和凋亡關系密切[47].為進一步討論高糖環(huán)境下成骨細胞凋亡和自噬之間的互相聯(lián)絡，Alberto等[52]應用化學抑制劑和基因沉默等方式方法，發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境下自噬抑制劑組和Atg7基因沉默組較單純高糖組成骨細胞凋亡率顯著增加，應用NAC后，以上各組成骨細胞活性增加、凋亡減少，提示高糖環(huán)境下自噬增加作為一種保衛(wèi)機制使細胞免于氧化損傷，降低細胞凋亡。Yang等應用無血清培養(yǎng)誘導MC3T3-E1細胞凋亡、自噬，并用雌激素干涉無血清培養(yǎng)的成骨細胞，發(fā)現(xiàn)雌激素可顯著減少細胞凋亡，加強細胞自噬，且雌激素可通過ER-ERK-mTOR信號通路促進成骨細胞自噬進而減少凋亡。自噬與細胞分化、增殖：Alberto等[52]還觀察了成骨細胞自噬與分化的互相關系。他們應用RNA干擾技術干擾Atg7表示出后，與正常培養(yǎng)基組成骨細胞相比，高糖組的成骨細胞分化特異性基因Runx2、Osx、骨鈣素〔Osteocalcin〕表示出和細胞礦化能力顯著降低，提示細胞自噬受損可加劇高糖對成骨細胞