Nature丨HIF-1α通路调控软骨细胞成骨的分子机制

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软骨内骨化（Endochondral ossification）是脊椎动物骨骼系统在胚胎发育过程中产生骨组织的重要过程（图1）【1】，如四肢骨、躯干骨及颅底骨等的形成；它也是骨性骨折自然愈合过程中的一个重要阶段。因此研究该过程的发生具有重要的生理病理意义。

图1  软骨内骨化的过程

生长板软骨细胞的增殖决定了长骨的纵向生长，细胞间质则提供了骨形成的支架，软骨细胞代谢功能是否正常决定着骨形成的质量。软骨组织由软骨细胞和细胞间质组成，该组织的内部没有血管的分布，营养物质由软骨组织膜上的血管渗透到细胞基质中来营养软骨细胞。随着生长板的生长，生长板中心区域的环境缺少氧气供应，由此激活了软骨细胞的HIF-1α信号通路【2】 。软骨细胞的增值和细胞间质的形成需要大量的能量【3】， HIF-1α信号通路如何调控生长板软骨细胞代谢的分子机制还不清楚。

北京时间1月17日，来自比利时鲁汶大学（欧洲历史最悠久且最受人尊敬的大学之一）代谢与衰老研究所的Geert Carmeliet团队在Nature上发表了题为HIF-1α metabolically controls collagen synthesis and modification in chondrocytes的研究论文，研究人员发现软骨细胞内的HIF-1α信号通路持续激活会导致骨骼发育不良，该通路的过度活化会抑制细胞内的能量代谢和生物合成，具体表现为葡萄糖氧化的减少导致能量供应不足（抑制了细胞增值）、UPR反应和减少了胶原蛋白合成。

为了研究HIF-1α信号通路对生长板软骨细胞代谢功能的调控作用，研究人员制作了软骨细胞特异敲除Phd2（HIF prolyl hydroxylase 2，是HIF-1α重要的负调控蛋白，它能通过羟基化修饰来降低HIF-1α蛋白的稳定性）的小鼠（图2）【4】，发现能显著增加该小鼠软骨细胞HIF-1α的蛋白量，说明调控HIF-1α的小鼠模型制作成功。Phd2^chon-小鼠表现出了明显的骨骼发育不良，骨骼纵向生长受抑制如增生区（PZ）和肥大区（HZ）均变短，骨小梁质量增多。

图2   HIF-1α的翻译后修饰

Phd2^chon-小鼠骨质量的增加不是因为骨吸收或骨形成的变化，是什么原因导致骨质量的增加呢？研究发现Phd2^chon-小鼠软骨残余主要是由II型胶原和蛋白多糖组成。Phd2^chon-软骨细胞中胶原修饰酶表达的提高导致了II型胶原蛋白脯氨酸羟基化和赖氨酸（K87）羟基化的增加；脯氨酸的羟基化能增加胶原蛋白三条左手螺旋链相互缠绕的稳定性，赖氨酸的羟基化能增加胶原蛋白之间交联程度（图3）【5】，从而抑制了胶原蛋白的降解。

图3 胶原蛋白的合成与修饰

Phd2^chon-软骨细胞HIF-1α蛋白量增加了4.6倍，研究发现过量的HIF-1α蛋白能介导了细胞代谢的重编程（葡萄糖氧化磷酸化转为糖酵解），使细胞功能不足，进而影响了细胞的增值和蛋白质的合成。虽然糖酵解贡献了软骨细胞中超过60%的能量，但还需要葡萄糖的氧化磷酸化，因此必须严格调控软骨细胞中HIF-1α信号通路的活性，进而维持软骨内骨化过程中软骨细胞内葡萄糖代谢的平衡。

进一步研究发现HIF-1α还增加了Phd2^chon-软骨细胞中GLS1（glutaminase 1，谷氨酰胺酶1）的表达，它能把谷氨酰胺转化成α-酮戊二酸（αKG），使细胞中的αKG增加了4倍。提高了胶原修饰酶（P4HA、P3H1 和PLOD均含Jmjc结构域）的活性【6】，从而增加了胶原蛋白中脯氨酸和赖氨酸羟基化的水平。

为了验证αKG对胶原蛋白羟基化的作用，作者用αKG 类似物 α-酮戊二酸二甲酯 （dimethyl-αKG）处理了野生型小鼠，发现软骨基质中II型胶原的量增加了，进而增加了骨质量。接着作者用GLS1 的抑制剂BPTES（bis-2-(5-phenylacetamido-1,3,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide）处理了Phd2^chon-小鼠，发现能逆转骨不良发育的表型。异常活化的HIF-1α信号过度修饰了胶原蛋白导致骨骼发育不良。

虽然生长板软骨细胞处于无血管环境中，低氧应激因子PHD2做为软骨细胞代谢调控核心控制着HIF-1α的活性来维持骨骼的正常发育。糖酵解是软骨细胞中最重要的产能途径，但细胞的增值和蛋白质的合成需要葡萄糖的氧化磷酸化，需要严格调控HIF-1α信号的活性以保持这两条代谢通路的平衡。肿瘤、成骨不全病和纤维化等疾病均与胞外基质的重塑相关，该通路有助于我们理解这类疾病的发生机制，进而开发出相应的靶向药物。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0874-3

1. Kronenberg HM: Developmental Regulation of the Growth Plate.NATURE, 2003, 423,332-336.

2. Schipani E, Ryan HE, Didrickson S, Kobayashi T, Knight M, Johnson RS: Hypoxia in Cartilage: HIF-1alpha is Essential for Chondrocyte Growth Arrest and Survival.Genes Dev, 2001, 15,2865-2876.

3. Buttgereit F, Brand MD: A Hierarchy of ATP-consuming Processes in Mammalian Cells.BIOCHEM J,1995, 312 ( Pt 1),163-167.

4. Nakazawa MS, Keith B, Simon MC: Oxygen Availability and Metabolic Adaptations.NAT REV CANCER, 2016, 16,663-673.

5. Myllyharju J, Kivirikko KI: Collagens, Modifying Enzymes and their Mutations in Humans, Flies and Worms.TRENDS GENET, 2004, 20,33-43.

6. Myllyharju J: Prolyl 4-Hydroxylases, Key Enzymes in the Synthesis of Collagens and Regulation of the Response to Hypoxia, and their Roles as Treatment Targets.ANN MED,2008, 40,402-417.