PGC-1α在骨代谢中的作用

温宇华， 刘培培， 宋利格

(1. 同济大学附属同济医院内分泌代谢科，上海 200065; 2. 同济大学医学院骨质疏松与代谢性骨病研究所，上海 200065)

过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(peroxisome-proliferator-activated receptor γ coa-ctivator-1α, PGC-1α)最早发现于棕色脂肪中，由PPARGC1A基因编码。作为多功能调节因子-过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs)的协同激活因子，PGC-1α在骨骼肌、肝脏和大脑的线粒体生物生成和氧化代谢中发挥重要作用[1]。同时PGC-1α可作为关键的转录辅激活因子调节产热基因的表达[2]。在富含线粒体的细胞中，PGC-1α还可作为氧化应激的关键因子降低活性氧类(reactive oxygen species, ROS)生成、减少氧化应激及炎症反应[3]。PGC-1α在骨骼的代谢中也发挥着重要的作用。骨骼作为人体的重要器官，主要由3种细胞构成： 成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。骨代谢主要包括两个过程： 成骨细胞负责的骨形成、破骨细胞负责的骨吸收。PGC-1α在成骨细胞、骨细胞及破骨细胞中的作用见图1，本文对其进行综述。

图1 PGC-1α在骨代谢中的功能和机制综合图Fig.1 The function and mechanism of PGC-1α in bone metabolism

1 PGC-1α在成骨细胞中的作用

1.1 PGC-1α影响成骨细胞的分化和增殖

成骨细胞由骨髓间充质干细胞(bone marrow stem cells, BMSCs)分化而来。PGC-1α表达的上调会导致BMSCs向成骨细胞分化增加[4]。然而在老龄化小鼠中，PGC-1α基因表达的下降导致BMSCs向脂肪细胞分化增加而向成骨细胞分化减少，进而导致老龄化小鼠骨量减少伴骨髓脂肪增加。另外在小鼠体内骨骼干细胞(skeletal stem cells， SSCs)基因敲除实验中发现PGC-1α的敲除与骨质疏松过程中的骨脂失衡密切相关[5]。同样小鼠体内全身PGC-1α基因敲除实验显示在SSCs中I型胶原mRNA表达降低，表明成骨细胞分化减少[5]。有体外研究显示，来自PGC-1α基因敲除小鼠的成骨细胞具有自主缺陷，表现为分化以及其它细胞活动的延迟[6]。在小鼠的体外过表达和缺失实验中，PGC-1α对于SSCs成骨和成脂分化也有显著影响： (1) PGC-1α的过表达使关键成骨标志基因RUNX2、IBSP、COLLA1和BGLAP的表达增强。然而在PGC-1α特异性敲除的SSCs中，由腺病毒介导PGC-1α的表达(adPGC-1α)却显著恢复了关键成骨标志基因的表达； (2) 在SSCs中PGC-1α的缺失显著促进其向脂肪细胞的分化[5,7-8]。此外，在人SSCs的体外研究中，腺病毒介导PGC-1α的过表达可以促进成骨分化且抑制成脂分化，这一结果也证实PGC-1α对人SSCs谱系分化的影响[5]。

研究显示，有关PGC-1α影响成骨细胞分化的调控过程与几种经典的细胞信号通路如Wnt/β-catenin、Hippo密切相关。Wnt/β-catenin信号通路在骨代谢平衡中至关重要。研究证实，PGC-1α作为线粒体生物生成的关键分子，在Wnt通路中可通过Erk和p38 MAPK途径增加PGC-1α表达，从而促进小鼠间充质C3H10T1/2细胞的成骨分化[9]。有研究表明，ERRα与PGC-1α等共激活因子的结合是成骨细胞分化过程中Wnt信号通路的新调节因子[10]。在PGC-1α/ERRα信号激活后，RUNX2的表达上调可增强成骨细胞的分化，促进骨组织的形成[11]。在Hippo信号通路中，PDZ结合域(TAZ)是一个关键转录辅激活因子，可作为RUNX2的联合激活剂促进成骨分化以及PPARγ的联合抑制因子抑制脂肪生成，因此在调节骨形成、促进成骨方面具有重要作用[12]。此外，SSCs中PGC-1α的缺失可显著抑制TAZ转录辅激活因子的诱导[5]。

研究显示，PGC-1α可通过影响成骨细胞的增殖和凋亡而维持其功能。在骨质疏松大鼠模型中，miR-23a-3p表达上调是通过抑制PGC-1α基因的表达进而抑制成骨细胞增殖、促进成骨细胞凋亡[13]。有研究表明，C57BLKS的肥胖糖尿病小鼠模型中，可通过抑制PGC-1α表达、增加骨骼肌萎缩基因在骨骼中的表达导致成骨细胞的凋亡[14]。

1.2 PGC-1α影响成骨细胞参与的骨基质矿化

前成骨细胞到成熟成骨细胞的过程伴随着骨基质的矿化。小鼠细胞与人体细胞的体外研究均显示，PGC-1α促进成骨细胞参与的骨基质矿化作用。骨钙素是一种非胶原骨蛋白，对于维持骨基质矿化作用至关重要。小鼠成骨细胞分化的体外研究表明，PGC-1α直接协同NR4A/NGFI-B孤核受体(the NR4A/NGFI-B orphan nuclear receptor， Nurr1)诱导成骨细胞中骨钙素的表达。因此，PGC-1α和Nurr1可能是cAMP诱导的成骨细胞基因表达和成骨细胞功能的关键介质[15]。此外，PGC-1α在线粒体生成中也有重要作用。Leigh 综合征(Leigh syndrome， LS)是一种因线粒体DNA 或线粒体及核DNA 同时突变而导致的线粒体疾病。该病患儿表现为基质干细胞线粒体功能降低，且向成骨细胞分化和骨基质矿化异常[16]。茜素红与矿化的钙结节结合所形成的沉淀能够体现成骨细胞矿化的程度。从LS患儿牙髓组织中分离人脱落乳牙牙髓干细胞用于体外成骨分化实验，实验中较对照组相比，LS的成骨细胞中茜素红染色明显减弱，PGC-1α表达明显降低，表明PGC-1α介导的线粒体生成影响成骨细胞参与的骨基质矿化[17]。

一些利用化学物质体外干预成骨细胞培养的实验显示，PGC-1α在骨基质矿化的过程中发挥着重要作用。纳米炭黑颗粒(Printex 90)和丁酸钠(Sodium butyrate， NaB)影响线粒体生成、体内外骨代谢以及矿化结节的形成[18]。体外研究显示，在纳米炭黑颗粒(Printex 90)处理的SD大鼠的成骨细胞中PGC-1α在mRNA和蛋白质水平表达减少、碱性磷酸酶表达下降。茜素红染色后显示骨基质矿化减少，表明纳米炭黑颗粒(Printex 90)可通过下调PGC-1α表达，导致线粒体功能受损，从而抑制骨基质矿化[19]。然而在NaB处理的SD大鼠股骨中，PGC-1α在mRNA和蛋白质水平的表达增强。在成骨细胞中，成骨相关转录因子Osterix表达和PGC-1α蛋白表达水平密切相关。NaB在维持成骨细胞和破骨细胞平衡、促进ATP生成和线粒体氧化磷酸化中具有重要作用。PGC-1α可能是NaB介导的线粒体功能和骨生理调节的重要靶点[20]。此外，miR-23a-3p和Mg2+也可影响骨基质的矿化。在骨质疏松症中miR-23a-3p高表达，然而抑制miR-23a-3p却促进PGC-1α的表达。在体外细胞培养实验中，由于miR-23a-3p的缺失和PGC-1α的过表达导致骨基质矿化增强[13]。此外，Mg2+在体内外均有促进骨再生的作用。有研究表明，较对照组相比，使用MgSO4处理培养的骨髓间充质干细胞中矿化结节增加、PGC-1α的蛋白质水平升高，表明PGC-1α的表达显著增强了骨基质矿化[21]。

2 PGC-1α在骨细胞中的作用

骨细胞(osteocyte)由成骨细胞分化而来。成骨细胞经历了从前成骨细胞到早期成骨细胞再到成熟成骨细胞的过程，最终被埋在自己分泌的胶原中，分化成骨细胞。研究表明，PGC-1α在维持骨细胞功能和骨稳态中有重要作用。PGC-1家族协同激活特定的转录因子包括NRF1、NRF2、PPARs、ERa、ERRa和MEF2C[22]。在骨细胞中ERa的特异性缺失影响雄性小鼠的骨密度[23]。在发育性转录程序中，PGC-1α对多种转录因子的共同激活作用至关重要。同样，对于骨细胞基因表达，ERa、NRF2、PPARs、ERRa和MEF2C具有正向调节作用。在骨细胞生成过程中，一些成骨细胞基因表达减少，而一些骨细胞特异基因如Dmp1、Fgf23和Sost表达增加[24]。有研究显示，PGC-1α可以通过影响在Fgf23、Sost、Dmp1基因的启动子和增强子区域已知转录因子的保守结合位点，从而对基因表达进行调节[25-26]。因此PGC-1α能够协同激活多种转录因子，在维持骨细胞功能中有着重要作用。

3 PGC-1α在破骨细胞中的作用

骨髓单核细胞和巨噬细胞是破骨细胞的前体细胞。SSCs中的PGC-1α调节骨髓局部炎症微环境，对周围破骨细胞产生旁分泌作用，间接引起破骨细胞的改变[5]。研究显示，在PGC-1α基因敲除小鼠体内，皮质骨上破骨细胞的数量和面积增加、血清标记物CTX-I的水平升高。此外，当破骨细胞从非纯单核细胞(即从整个骨髓)开始分化时，来自PGC-1α基因敲除小鼠的细胞显示多核破骨细胞的形成增加，表明PGC-1α基因对破骨细胞的作用可能是通过其他细胞类型介导的。在成骨细胞介导的促进破骨细胞分化的过程中，基因敲除小鼠骨髓中核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nu-clear factor kappa-B ligand， RANKL)水平升高，导致RANKL/骨保护素(osteoprotegerin， OPG)比值显著升高[6]。线粒体生物生成的调控与PGC1家族的核共因子(包括PGC-1α、PGC-1β和PRC1)的控制相关[27]。有研究显示，线粒体衍生肽MOTS-c可以调节不同细胞的代谢和稳态、增加骨细胞中OPG/RANKL的比值，从而抑制破骨细胞的生成。在原代骨髓巨噬细胞(bone marrow macrophages， BMMs)中，MOTS-c可通过AMPK-PGC-1α-ROS轴抑制NF-κB磷酸化，从而影响破骨细胞的生成[28-29]。因此PGC-1α在调节破骨细胞生成中发挥着重要作用。

4 展 望

PGC-1α在骨代谢中具有重要的作用，对于维持成骨细胞及骨细胞功能、促进成骨细胞分化、防止骨骼肌衰老等方面有重要意义。同时，PGC-1α的减少会导致破骨细胞活性增加，引起骨量减低。PGC-1α对于破骨细胞分化的作用尚不明确，其在骨骼代谢中作用的研究还在不断继续。衰老伴随着骨质的流失，也伴随着PGC-1α的减少。通过对于PGC-1α作用的深入探讨，有望为骨骼代谢疾病的诊治和预防提供新的研究方向和治疗靶点。