糖代谢对骨骼细胞的影响

王振虎 崔燎 林思恩 魏波*

1.广东医科大学附属医院骨科中心，广东 湛江 524001 2.广东天然药物研究与开发重点实验室药理教研室，广东 湛江 524023

长期高血糖会影响骨骼健康，有学者通过对比骨密度、骨代谢以及糖代谢等指标发现，与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的骨折风险更高。因此，笔者认为糖代谢与骨稳态之间关系密切并且相互影响。由于成骨细胞和破骨细胞是调节骨稳态的主要细胞类型，因此阐明调节其分化和活性的机制不仅对于了解骨生理学而且对于设计有效的骨治疗药至关重要。本综述将总结葡萄糖代谢过程中对调控破骨、成骨分化这一重要生物学过程的相关事件。

1 糖代谢和哺乳动物细胞

哺乳动物细胞的能量来源有很多种，其中葡萄糖至关重要。葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白，不依赖三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)沿浓度梯度转运到细胞中[1]。葡萄糖进入细胞后，在己糖激酶作用下转变为6-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖可以转化为糖原，也可以进行代谢产生ATP和中间代谢产物。

葡萄糖代谢有多个途径，例如葡萄糖的有氧氧化、无氧酵解、己糖胺生物合成途径和磷酸戊糖途径。大多数细胞类型中，大多数6-磷酸葡萄糖进入糖酵解途径产生丙酮酸，然后在线粒体中进一步代谢或者在细胞质中转化为乳酸。在线粒体中，丙酮酸通过三羧酸循环的完全氧化和氧化磷酸化相结合，所提取到的能量比丙酮酸向乳酸转化过程中要多得多[2]。但是，乳酸途径在不需要氧气的情况下即可产生能量，并以更快的速度消耗葡萄糖。

糖酵解的第一阶段最终产生果糖1,6-二磷酸，然后将其裂解形成两个可相互转化的三碳分子甘油醛3-磷酸和磷酸二羟丙酮。在糖酵解的最后阶段，甘油醛3-磷酸最终转化为丙酮酸，在此过程中产生ATP。在线粒体中，丙酮酸可以通过丙酮酸脱氢酶脱羧形成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A通过与草酰乙酸缩合形成柠檬酸盐进入三羧酸循环，然后依次释放出两个CO2分子再生草酰乙酸。三羧酸循环中的丙酮酸氧化通过氧化磷酸化在每个葡萄糖分子中产生最多的ATP[3]。在细胞质中，丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下生成乳酸，不依赖氧气，并再生进一步糖酵解所必需的氧化NAD(NAD+)[4]。

2 糖代谢和成骨细胞

间充质干细胞在各种关键因子的调控下最终分化为成骨细胞。在这个分化过程中，Runx2(Runt相关转录因子是成骨细胞分化所需的关键转录因子之一)、Osterix(也称为转录因子 Sp7，通过增强1型胶原蛋白和骨钙素表达来驱动膜内和软骨内骨化)和β-连环蛋白对成骨细胞分化至关重要。虽然大多数成骨细胞被认为会发生凋亡，但一部分成骨细胞会嵌入骨基质中并进一步分化为骨细胞。现在关于成骨细胞的分化和转录调控的研究已经非常全面，但是在细胞能量代谢水平上对成骨细胞功能活性的了解较少。

葡萄糖是成骨细胞发育和分化过程所必需的营养物质，对放射性标记的葡萄糖类似物的研究证实了小鼠骨骼对葡萄糖的显著摄取[5]。大多数细胞类型中，葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白穿过质膜，进入细胞[6]，此过程也发生在成骨细胞中[7]。

氧化磷酸化与糖酵解相比，可以产生更多的ATP，有氧糖酵解是成骨细胞在氧气充足的条件下，主要将葡萄糖代谢为乳酸，该现象类似于Warburg效应[8]。在某些条件下，成骨细胞似乎更喜欢有氧糖酵解[8-9]。与通过三羧酸循环和氧化磷酸化的代谢相比，通过有氧糖酵解产生ATP的效率更低[10]。

有研究表明，甲状旁腺激素信号通过胰岛素生长因子-1的转录诱导间接增强有氧糖酵解，胰岛素生长因子-1通过mTORC2(雷帕霉素复合物2的哺乳动物靶标)发出信号以提高各种糖酵解酶[11]。缺氧诱导因子1a激活会增加糖酵解，增加体内骨形成。Wnt蛋白还促进成骨细胞谱系细胞的有氧糖酵解[12]。特别是Wnt3a-Lrp5连锁反应可以迅速增加mTORC2下游的Glut1(葡萄糖转运蛋白1)、Hk2(己糖激酶2)、Ldha(乳酸脱氢酶 A)和Pdk1(丙酮酸脱氢酶激酶1)的水平，诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化[13]。有氧糖酵解可能有利于抵消氧化磷酸化产生的活性氧，因为活性氧被证明有利于间充质祖细胞的脂肪生成[14]。成骨细胞在糖酵解过程中会产生大量的柠檬酸盐。而骨骼中的柠檬酸盐被证明对磷灰石纳米晶体的结构至关重要，可提供稳定性、强度和抗断裂性[15-16]，这在结构上对骨中磷灰石纳米晶体的形成很重要。成骨细胞的高柠檬酸输出可能意味着线粒体柠檬酸水平升高，从而抑制丙酮酸进入三羧酸循环。总之，需要进一步的研究来阐明有氧糖酵解促进成骨细胞表型的全部机制。

3 糖代谢和破骨细胞

破骨细胞是源自造血干细胞的组织特异性巨噬细胞。造血干细胞在巨噬细胞集落刺激因子作用下可形成巨噬细胞集落形成单位，即巨噬细胞和破骨细胞的常见前体细胞。当被RANKL-RANK(RANKL是核因子 kappa b 配体的受体激活剂；RANK是核因子kappa b的受体激活剂)信号激活时，巨噬细胞集落形成单位进一步分化为单核破骨细胞，之后融合成为多核破骨细胞[17]。多核破骨细胞在与成骨细胞相互作用后完全成熟，并分泌酸、蛋白酶和基质金属蛋白酶，它们在骨表面和破骨细胞的基底膜之间紧密连接以形成密封的隔室，然后形成破骨细胞[18]。

在巨噬细胞向破骨细胞分化过程中，发现氧化磷酸化和有氧糖酵解增加[19]。此外，发现抑制线粒体氧化磷酸化会延缓破骨细胞生成[20]。这些结果表明破骨细胞分化与增加的线粒体呼吸相结合。相关体内实验表明，敲除葡萄糖转运蛋白1基因的破骨前体细胞中，有氧糖酵解减弱，破骨细胞形成障碍[21]。然而，通过在培养基中降低葡萄糖浓度或敲低缺氧诱导因子1a来限制糖酵解并不会损害体外破骨细胞生成，这表明在这些环境中激活了替代能源底物以支持分化过程。破骨细胞中线粒体呼吸的重要性已在遗传学上得到证实。通过删除Ndufs4(线粒体复合物1的亚基)破坏线粒体复合物1会损害破骨细胞的分化和功能，导致小鼠骨硬化症[22]。在小鼠中用组织蛋白酶K-Cre删除线粒体转录因子Tfam会降低破骨细胞中的细胞ATP水平并加速细胞凋亡[23]。

成熟破骨细胞的主要能量来源包括葡萄糖。早期对鸡破骨细胞的研究表明，葡萄糖是骨吸收的主要能源，破骨细胞附着在骨表面消耗细胞内的葡萄糖[24]。在培养基中降低葡萄糖浓度或在细胞内敲除缺氧诱导因子1a，可减少破骨细胞的骨吸收[25]。这说明成熟的破骨细胞发挥骨吸收的作用时更依赖活跃的糖酵解。

4 糖代谢和骨细胞

骨细胞的寿命可长达数十年，它来源于成骨细胞，终生嵌入骨基质内，并且可以调控成骨细胞和破骨细胞。

基于骨细胞微环境的缺氧性质，可以推测葡萄糖代谢和糖酵解可能在调节骨细胞功能中起重要作用。低氧环境中的细胞通过减少线粒体ATP生成，将代谢转变为糖酵解[26-27]。硬化素(SOST，是骨细胞产生的骨形成负调节剂)是Wnt通路的特异性拮抗剂，在高葡萄糖和晚期糖基化终产物的糖酵解代谢异常期间增加[28]。骨细胞分泌RANKL[29](核因子 kappa b 配体的受体激活剂)以响应甲状旁腺激素信号调控来增强细胞内有氧糖酵解，还可以通过分泌硬化素和RANKL等因子以及其他细胞因子来协调骨形成和再吸收[30]。HDAC共阻遏抑制剂(即组蛋白去乙酰化酶抑制剂，是调节组蛋白尾部、染色质构象、蛋白质-DNA相互作用甚至转录的表观遗传调节剂)抑制骨细胞中的硬化素并增加参与葡萄糖摄取的基因，使葡萄糖转运蛋白4水平上调[31]。甲状旁腺激素相关蛋白(PTHrP)通过调节β-catenin(β-连环蛋白)和Erk(丝氨酸-苏氨酸激酶，是一种细胞外信号调节激酶)介导的途径可减轻骨细胞凋亡[32]。高血糖不仅影响糖酵解的速率，而且影响骨细胞的活力。高血糖和氧化应激参与晚期糖基化终产物(AGE)的产生和积累，在体外发现FoxO1(是一种参与能量代谢的保守转录因子)可以介导晚期糖基化终产物诱导的骨细胞凋亡以及成骨细胞和破骨细胞平衡的失调[33]。

5 小结

目前已经研究了一些关于葡萄糖代谢对成骨细胞、破骨细胞和骨细胞的作用和分子调控的主要机制。遗传学研究对于阐明特定代谢途径在各种骨细胞类型中的生理作用是必要的。骨骼细胞之间相互平衡的维持与恰当的能量代谢方式息息相关，在能量代谢中涉及到的中间代谢产物在细胞分化的不同阶段可能发挥了重要作用。希望今后可以将骨骼系统细胞的能量代谢研究应用于骨相关疾病的药物开发和临床治疗中。