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編譯：微科盟勝寒，編輯：微科盟Tracy、江舜堯。
微科盟原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。 導讀骨骼的功能多種多樣，包括機械支撐，運動，血細胞生成，礦物質(zhì)存儲和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)。這種多方面的作用是通過成骨細胞，軟骨細胞，骨髓脂肪細胞和基質(zhì)細胞的相互作用而實現(xiàn)的，而這些相互作用都是由骨骼干細胞產(chǎn)生的。最新證據(jù)表明了細胞代謝在骨骼系統(tǒng)中的重要性，不同的骨骼細胞不僅具有與特定功能有關(guān)的獨特代謝需求，而且還受到微環(huán)境的影響。特定代謝物能夠維持控制骨骼干細胞，控制其直接譜系分配并介導細胞間的交流。在本篇文章中，作者討論了細胞代謝在確定骨骼干細胞命運，協(xié)調(diào)成骨細胞和軟骨細胞功能以及組織造血基質(zhì)支持作用方面的最新研究，還討論了骨骼衰老和退行性疾病中的代謝失調(diào)相關(guān)研究，并對該領(lǐng)域在未來幾年的發(fā)展做出了展望。 原名：Metabolic regulation of skeletal cell fate and function in physiology and disease譯名：生理和疾病中骨骼細胞命運和功能的代謝調(diào)節(jié)
骨骼發(fā)育和維持是由關(guān)鍵細胞類型在其位置和功能上不同的作用來協(xié)調(diào)的（圖1）。成骨細胞是形成骨骼的細胞，其沉積了特征豐富且富含膠原蛋白的基質(zhì)，稱為類骨質(zhì)，后來被礦化，從而賦予骨骼強度。在骨化過程中，成骨細胞的一部分被嵌入骨基質(zhì)中，之后被稱為成骨細胞。第二種主要的骨骼細胞類型是軟骨細胞，它形成不同類型的軟骨。關(guān)節(jié)、生長板、肋骨、鼻、喉和氣管可見透明軟骨，纖維軟骨構(gòu)成椎間盤和半月板，彈性軟骨構(gòu)成外耳和會陰。軟骨細胞在骨發(fā)育和骨折修復過程中的軟骨內(nèi)成骨過程中也起著關(guān)鍵作用，該過程起初是形成一種透明軟骨中介物，隨后其在造血性骨降解細胞破骨細胞和成骨細胞的共同作用下被骨取代。
位于骨骼系統(tǒng)頂點的骨骼干細胞產(chǎn)生了不同類型的成熟骨骼細胞。支持造血功能的基質(zhì)細胞（或其亞群）也具有干細胞或祖細胞的特征，并有助于骨髓中的成骨細胞和脂肪細胞。每種細胞類型均列出了用于識別和/或分離的最常用標記。在骨髓腔中，研究者還發(fā)現(xiàn)了另外兩種成熟的骨骼細胞類型:骨髓脂肪細胞和造血支持基質(zhì)細胞。骨髓脂肪組織具有獨特的特征，區(qū)別于較好的髓外白色、棕色和米色脂肪沉積。骨髓脂肪細胞參與局部和系統(tǒng)的代謝過程，包括造血、成骨和能量代謝，并隨著年齡和飲食的變化而發(fā)生變化。造血支持基質(zhì)細胞，也稱為間充質(zhì)基質(zhì)細胞，是一種纖維母細胞，為血細胞生產(chǎn)提供必要的細胞因子。這種細胞群仍然缺乏特征，可能包含在造血支持中具有不同功能的細胞亞群。不同成熟的骨骼細胞類型來源于共同的前體細胞，即骨骼干細胞(SSCs)。盡管骨骼系統(tǒng)在許多方面類似于其他干細胞驅(qū)動的組織的分層結(jié)構(gòu)，例如造血系統(tǒng)，但具有自我更新能力的干細胞位于頂點，并逐漸產(chǎn)生多能祖細胞，定殖祖細胞和成熟細胞，它有三種不同的干細胞庫，而研究者在生長板、骨膜和骨髓中都發(fā)現(xiàn)了SSCs。盡管在某些方面SSC池是共享的，如自我更新的能力和某些細胞表面標記的表達，不同的SSC池的分化潛力是不同的，似乎與它們被發(fā)現(xiàn)的位置的特定要求有關(guān)。骨髓中的骨髓間充質(zhì)干細胞與支持造血的基質(zhì)細胞有許多共同的特征，但它們是相同的細胞還是具有共同標記的不同群體還不清楚。在圖1中，作者列出了小鼠和人類SSC及其后代最常用的標記。鑒別、分離和基因改變不同骨骼細胞群體的標記和工具的快速擴展極大地增加了對控制這些群體形成、維持和功能的分子途徑的認識。近年來，骨骼細胞生物學不僅受細胞因子和激素信號的控制，還受代謝途徑的控制，這一概念得到了研究者廣泛的認同。代謝程序依賴于細胞必須完成的功能，因此增殖祖細胞和產(chǎn)生基質(zhì)的分化細胞方面可能是不同的；此外，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)與微環(huán)境中血管系統(tǒng)的密度和類型，以及周圍細胞類型的代謝狀態(tài)有關(guān)。代謝途徑適應(yīng)于維持生物能量、生物合成和氧化還原穩(wěn)態(tài)，并使表觀遺傳修飾成為可能，骨骼細胞的代謝途徑可能是由細胞內(nèi)因子控制，并被生長因子和激素修改。在接下來的章節(jié)中作者總結(jié)了目前關(guān)于骨骼細胞代謝調(diào)控的發(fā)現(xiàn)，并展望了該研究領(lǐng)域的潛在未來影響。干細胞的特點是具有自我更新的能力(即在細胞分裂過程中產(chǎn)生至少一個新的干細胞)和多能性(即有幾種不同的成熟細胞類型作為子代)。這一過程受到嚴密的分子控制，根據(jù)來自不同干細胞領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)，研究者們認為代謝途徑在這一決策過程中起關(guān)鍵作用，但人們對干細胞代謝調(diào)控的理解仍然非常有限(圖2)，大多數(shù)發(fā)現(xiàn)來自培養(yǎng)擴增的骨髓細胞，這些細胞是基于對塑料的粘附性而選擇的；這些細胞可能代表真正的SSC，骨骼祖細胞和造血支持基質(zhì)細胞的混合物。通過塑料粘附建立的骨膜細胞培養(yǎng)物是多樣化的，并且包含SSC和成骨祖細胞。鑒于它們的異多樣性，我們將這些細胞稱為骨髓基質(zhì)細胞（BMSCs）或骨膜來源的細胞（PDCs）。
近年來，對骨骼細胞行為的代謝控制的研究大量增加，盡管迄今為止，大多數(shù)研究工作都集中在中心碳代謝上，尤其是葡萄糖。這些發(fā)現(xiàn)是由于不斷增加的用于代謝酶基因缺失的小鼠模型的可用性以及代謝譜分析（代謝組學），代謝途徑分析（穩(wěn)定同位素示蹤）和細胞代謝實時評估的技術(shù)進步而實現(xiàn)的。培養(yǎng)的人骨髓間充質(zhì)干細胞具有高度的糖酵解性。糖酵解以ATP的形式提供一些能量，但它也為增殖細胞提供碳以產(chǎn)生生物質(zhì)。事實上，葡萄糖可以參與戊糖磷酸途徑(PPP)和絲氨酸合成途徑。PPP產(chǎn)生核苷酸生物合成的前體，減少合成代謝的分子并對抗氧化應(yīng)激，而絲氨酸合成途徑有助于核苷酸、氨基酸和脂類生物合成；然而，這些通路在SSC中的作用尚未被研究。骨髓中的低氧張力(1-2%)可能會誘導糖酵解表型，因為在環(huán)境氧水平(20 21%)下體外擴增骨髓間充質(zhì)干細胞會逐步增加線粒體葡萄糖氧化，這一效應(yīng)與氧化應(yīng)激增加和細胞衰老有關(guān)。在骨髓間充質(zhì)干細胞和PDCs中，轉(zhuǎn)錄因子缺氧誘導因子1-α (HIF-1α)在調(diào)節(jié)糖酵解表型中起關(guān)鍵作用。此外，HIF-1α的缺失嚴重損害了小鼠PDC在體內(nèi)移植后的生存和骨形成，因此強調(diào)了HIF-1α在缺氧和營養(yǎng)缺乏條件下PDC功能的重要性。值得注意的是，在骨髓和骨膜中，在穩(wěn)態(tài)條件下，造血干細胞和骨骼祖細胞都存在于血管周圍，這就提出了這樣一個問題:造血干細胞在其天然生態(tài)位中是否以及在何種條件下依賴于HIF-1α的穩(wěn)定和糖酵解；此外，葡萄糖氧化在造血干細胞中的作用，特別是在體內(nèi)環(huán)境下，仍不清楚。當葡萄糖主要用于生物能量學或生物合成的糖酵解時，其他營養(yǎng)物質(zhì)可促進線粒體三羧酸（TCA）循環(huán)，從而滿足細胞需求。TCA循環(huán)可為氧化磷酸化提供還原當量（NADH和FADH2），以及為生物合成過程和細胞信號傳遞提供代謝中間體。除了葡萄糖衍生的丙酮酸之外，其他幾種代謝物還可以通過提供乙酰輔酶A來氧化（脂肪酸或酮體）或用作抗血管生成基質(zhì)（谷氨酰胺或奇鏈脂肪酸）來推動TCA循環(huán)，但研究人員關(guān)于脂肪酸氧化（FAO）在SSC中的作用知之甚少。而人類骨髓間充質(zhì)干細胞在培養(yǎng)中執(zhí)行FAO，這一途徑負責不到0.5%的ATP生產(chǎn)。最近的發(fā)現(xiàn)證實了這一觀察結(jié)果，表明小鼠骨髓SSC和PDCs表達編碼必需FAO酶的基因，如肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1a (Cpt1a)，并在培養(yǎng)中執(zhí)行FAO。然而，無論在體內(nèi)還是體外，CPT1a缺失對SSC的存活率都相對沒有影響，這表明它們的代謝并不嚴重依賴于FAO。與脂肪酸相比，在培養(yǎng)的人骨髓間充質(zhì)干細胞中，酮體乙酰乙酸可以在三羧酸循環(huán)中高效氧化，從而產(chǎn)生ATP，并產(chǎn)生比葡萄糖氧化低得多的活性氧(ROS)。體內(nèi)是否也會發(fā)生SSCs的酮體氧化，以及禁食期間血液中酮體水平上升時，這一途徑是否為SSCs提供營養(yǎng)來源，還有待證實。酮體也有重要的信號傳遞作用，包括表觀遺傳調(diào)控和翻譯后蛋白修飾。氨基酸代謝在細胞能量學和生物合成中具有重要作用，特別是在增殖細胞中。與這些作用相一致，最近的一份報告顯示氨基酸傳感器EIF2AK4 (GCN2)在骨穩(wěn)態(tài)中支持小鼠ssc的強大增殖能力是必需的。雖然大多數(shù)單個氨基酸在SSC中的作用仍未被研究，但來自體外和體內(nèi)研究的新證據(jù)表明谷氨酰胺對SSC功能的重要性。人和小鼠的骨髓間充質(zhì)干細胞以及小鼠的PDCs在培養(yǎng)過程中都攝取谷氨酰胺。細胞外谷氨酰胺的消耗、谷氨酰胺酶(GLS)的抑制(通過氨的釋放將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸)或谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的抑制(將谷氨酰胺分解代謝與TCA循環(huán)和氨基酸合成聯(lián)系起來)都強烈地降低了小鼠骨髓間質(zhì)干細胞的集落形成和增殖。培養(yǎng)的BMSC和PDC使用谷氨酰胺來促進線粒體TCA循環(huán)，氨基酸合成和谷胱甘肽的生物合成。有趣的是，通過使用Prrx1Cre有條件地刪除小鼠SSC中的Gls不會影響骨髓SSC的數(shù)量，而使用LeprCre的刪除確實會大大減少SSC的數(shù)量。但是，由于LeprCre還會在下丘腦以及邊緣和皮質(zhì)大腦區(qū)域中重組，并且GLS完全缺失的小鼠具有嚴重的神經(jīng)表型，因此LeprCreGlslox / lox小鼠的SSC表型很難解釋?？紤]到Prrx1CreGlslox/lox小鼠中缺乏SSC數(shù)量的改變，SSC在體內(nèi)的維持或增殖似乎不像在體外那樣需要GLS。研究人員在不同的癌癥模型中描述了體內(nèi)和體外對GLS的類似差異依賴，從而強調(diào)了檢測細胞在其原生環(huán)境中的代謝的重要性。成骨細胞的成骨過程涉及大量的I型膠原豐富的基質(zhì)的產(chǎn)生和分泌，這些基質(zhì)隨后發(fā)生礦化。蛋白質(zhì)合成是一個需要代謝的過程，高速率的基質(zhì)合成需要成骨細胞產(chǎn)生大量的能量和氨基酸。生成基質(zhì)的成骨細胞通常位于血管附近，這表明氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)充足。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在葡萄糖代謝(圖2)。在小鼠體內(nèi)使用放射性標記葡萄糖類似物進行的追蹤研究表明，骨骼對葡萄糖的攝取等于或超過代謝器官，如肝臟、肌肉和白色脂肪組織。成骨細胞葡萄糖攝取甚至可以影響全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)。成骨細胞表達葡萄糖轉(zhuǎn)運體GLUT1, GLUT3和GLUT4，其中，GLUT1攝取葡萄糖是成骨細胞分化和骨形成所必需的，其機制包括調(diào)控成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2和營養(yǎng)傳感器mTORC1；相反，GLUT4介導體外成熟成骨細胞和骨細胞對胰島素刺激的葡萄糖攝取，但在體內(nèi)對骨發(fā)育和穩(wěn)態(tài)是必不可少的，而GLUT3在成骨細胞中的作用尚不清楚。在培養(yǎng)過程中，成骨細胞吸收的大部分葡萄糖，即使在周圍氧氣水平存在的情況下，也會代謝成乳酸，這個過程被稱為有氧糖酵解。在成熟的成骨細胞中，有氧糖酵解可產(chǎn)生多達80%的ATP。在這些條件下，估計只有15-20%的葡萄糖碳進入線粒體三羧酸循環(huán)或用于合成過程。最近的研究表明，葡萄糖碳進入成骨細胞線粒體的一個重要命運是生成蘋果酸，蘋果酸天門冬氨酸穿梭的代謝產(chǎn)物，再生胞質(zhì)NAD+，從而維持糖酵解。成骨細胞的糖酵解受許多因素的調(diào)控。通過過表達穩(wěn)定形式的HIF-1α或刪除von Hippel Lindau蛋白可以強制激活成骨細胞糖酵解，增加小鼠成骨細胞數(shù)量和骨量，從而支持該通路在成骨細胞功能中的重要性。相反，跨膜蛋白Notch信號通路對SSC的維持很重要，它抑制糖酵解，從而限制成骨細胞的分化。此外，合成代謝刺激如甲狀旁腺激素(PTH)或生長因子WNT促進骨形成，部分是通過進一步增加糖酵解，以犧牲葡萄糖氧化。PTH和WNT均通過激活mTORC2來增加糖酵解酶的水平；在刺激糖酵解的同時，HIF-1α和PTH信號促進未成熟成骨細胞(如PDCs和顱骨前成骨細胞)中的糖原合成。當細胞成為成熟的成骨細胞時，糖原顆粒變小，這表明糖原存儲用于支持骨形成過程中不斷增加的生物能量或生物合成需求。有趣的是，甲狀旁腺激素也增加了通過PPP的葡萄糖流量。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶是PPP中的限速酶，在成骨細胞中高度表達，其活性在成骨細胞響應(yīng)機械載荷或骨折愈合時激活后增加。20世紀80年代的研究表明，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶提供維持維生素K循環(huán)所需的NADPH，這對成骨細胞的基質(zhì)鈣化至關(guān)重要，盡管這一概念有待現(xiàn)代遺傳和代謝技術(shù)的驗證。在小鼠和人類骨髓間充質(zhì)干細胞的體外成骨分化過程中，除了依賴糖酵解，還有研究描述了ATP產(chǎn)生增加與耗氧量激增相關(guān)。PGC-1α是線粒體生物發(fā)生和氧化代謝的主要調(diào)節(jié)因子，SSCs缺失的小鼠減少成骨分化并誘導骨丟失，盡管代謝途徑是否改變以及如何改變尚不清楚。伴隨著氧化磷酸化的增加，骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化伴隨著抗氧化能力的增加，因此，成骨細胞對氧化磷酸化的抑制或氧化應(yīng)激的增加敏感。成骨分化過程中氧消耗和線粒體數(shù)量的增加可能是短暫的，最近在來自人類脂肪組織的基質(zhì)細胞中證實了這一點。這一發(fā)現(xiàn)可能解釋了一些研究中存在的矛盾，例如一些研究表明成骨分化后氧氣消耗減少。成骨細胞分化過程中線粒體代謝增加的原因是一個正在進行的研究重點，盡管基質(zhì)產(chǎn)生和礦化過程中可能需要更多的能量和生物合成中間體。然而，最近的發(fā)現(xiàn)也表明了線粒體活性在成骨細胞中的其他作用。Shares等發(fā)現(xiàn)小鼠骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化過程中氧化磷酸化的過度激活增加了線粒體檸檬酸的產(chǎn)生，而檸檬酸在細胞溶膠中轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶a后，刺激β-catenin乙?；?。WNT信號下游效應(yīng)因子β-catenin的乙?；瘜е缕浼せ睢⒑艘孜缓痛龠M成骨分化；同樣，在誘導成骨分化的人類骨髓間質(zhì)干細胞中，線粒體中的檸檬酸可能在細胞核中轉(zhuǎn)化為組蛋白去甲基化酶的輔助因子α-酮戊二酸，從而導致成骨相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活。成骨細胞產(chǎn)生的檸檬酸也被納入羥基磷灰石納米晶體膠原復合物的結(jié)構(gòu)中，這對骨的生物力學特性至關(guān)重要，盡管這種檸檬酸的代謝來源尚不清楚。有趣的是，WNT刺激小鼠ST2骨祖細胞系通過限制葡萄糖氧化來促進成骨，從而降低核檸檬酸和乙酰輔酶a水平，進而降低組蛋白乙?；驼w基因表達。與氧消耗和線粒體數(shù)量一樣，檸檬酸水平的動態(tài)和階段特異性調(diào)節(jié)、分區(qū)化和代謝命運可能是正確的成骨分化和功能的關(guān)鍵。雖然成骨細胞可以氧化葡萄糖，葡萄糖似乎不是線粒體三羧酸循環(huán)活動的主要燃料，因此暗示了其他營養(yǎng)素的作用。FAO 在成骨細胞能量代謝方面的重要作用早已為人所知。較早的生物化學研究表明，成骨細胞中大約40%的ATP產(chǎn)生來自脂肪酸的氧化。最近的研究證實，成骨細胞表達必需的受體和分解酶來代謝脂肪酸，追蹤研究表明，骨骼從循環(huán)中吸收脂質(zhì)。作者最近描述了盡管脂質(zhì)剝奪或關(guān)鍵的FAO酶CPT1a缺失不會影響SSC的存活，但向成骨細胞譜系的分化是被抑制的。Kim等進一步表明，成熟成骨細胞中CPT2的缺失通過干擾適當?shù)念惞堑V化來減少骨形成。雌激素的存在加劇了這種影響，它以犧牲糖酵解為代價促進了FAO的發(fā)展。此外，在骨祖細胞中缺失FAO的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子PPAR-δ(通過Runx2Cre小鼠)會損害成骨分化和礦化，并降低骨量。WNT信號進一步刺激成骨細胞氧化脂肪酸，β-catenin激活誘導關(guān)鍵FAO酶的表達。在成骨細胞中，高含量的FAO可以解釋在具有高活性的TCA周期的細胞中發(fā)生的好氧糖酵解的明顯悖論。據(jù)計算，在骨骼組織中， FAO和葡萄糖氧化所能產(chǎn)生的乙酰輔酶A的量理論上將遠遠超過TCA循環(huán)活動所能容納的量。作者提出，由FAO直接在線粒體內(nèi)靠近大多數(shù)TCA循環(huán)酶的位點直接產(chǎn)生的乙酰輔酶A可能會受到青睞，特別是因為丙酮酸脫氫酶將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A很容易受到乙酰輔酶A的抑制。由于丙酮酸的積累會阻止糖酵解和PPP的生物合成活性，因此丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化將導致最大的代謝活性。使用突變小鼠模型和現(xiàn)在可用的代謝追蹤技術(shù)在體內(nèi)測試這個已有40年歷史的假說將是非常有趣的。此外，研究人員尚需確定FAO在成骨細胞中的確切作用：能量產(chǎn)生，生物合成或表觀遺傳調(diào)控。除了脂肪酸之外，谷氨酰胺還促進了成骨細胞中的TCA循環(huán)活性。骨骼譜系中GLS的消融（通過使用Prrx1Cre小鼠）減少了成骨細胞的發(fā)育和骨形成。小鼠和人BMSC均會在體外成骨分化過程中增加谷氨酰胺的消耗和代謝，而谷氨酰胺的撤出或GLS的抑制會阻止成骨分化。最近有研究發(fā)現(xiàn)，成骨細胞中GLS介導的谷氨酰胺分解代謝可促進核苷酸和氨基酸的合成，這是增殖和基質(zhì)產(chǎn)生所必需的，并支持谷胱甘肽的生成，從而防止ROS積累和細胞死亡。與糖酵解和FAO一樣，成骨細胞中的谷氨酰胺分解代謝響應(yīng)WNT信號而增加，從而支持增加的骨形成。然而，WNT通過mTOR刺激成骨細胞的糖酵解，而FAO通過β-catenin刺激糖酵解，而谷氨酰胺水解則通過mTORC1激活促進。2.2 軟骨細胞微環(huán)境中的營養(yǎng)限制軟骨是人體少數(shù)的無血管組織之一，在營養(yǎng)物質(zhì)的獲取和代謝廢物的清除方面面臨獨特的挑戰(zhàn)(圖2)。擴散是軟骨基質(zhì)中溶質(zhì)遷移的主要方式，軟骨基質(zhì)中含有高達80%的水;因此，像葡萄糖或氨基酸這樣的小分子很容易被嵌入基質(zhì)的軟骨細胞吸收，而像脂類這樣的大分子則很少。軟骨中血管的缺失會造成缺氧環(huán)境，相反，高血管化的原發(fā)性海綿體邊緣的晚期肥大軟骨細胞并不缺氧。軟骨缺氧導致HIF-1α穩(wěn)定，HIF-1α通過增加主控軟骨轉(zhuǎn)錄因子SOX9的表達促進軟骨形成，增強軟骨細胞存活率，并通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵糖酵解酶的轉(zhuǎn)錄支持厭氧糖酵解。葡萄糖在軟骨中主要進行無氧糖酵解，但多達20%的葡萄糖可能通過PPP途徑分解。軟骨細胞依賴GLUT1來攝取葡萄糖并發(fā)揮其正常功能，而這個轉(zhuǎn)運蛋白受到骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號通路的控制，這是軟骨發(fā)育的關(guān)鍵途徑。最近發(fā)現(xiàn)，盡管培養(yǎng)的小鼠生長板軟骨細胞通過糖酵解產(chǎn)生大部分(60%)的ATP，它們也需要葡萄糖氧化來避免能量損失。在PHD2缺乏的軟骨細胞中，過度的HIF-1α穩(wěn)定降低了葡萄糖氧化，從而通過減少增殖和干擾膠原生物合成導致骨骼發(fā)育不良。葡萄糖也可以促進軟骨細胞中糖原的合成，而正常的透明軟骨的所有細胞中都含有糖原。隨著成軟骨細胞的成熟程度，糖原顆粒在骺生長板中的分布增加。糖原儲存似乎主要在快速生長時期被使用。因此，阻止糖原分解的自噬被破壞，會誘導生長板增殖區(qū)發(fā)生凋亡，導致生長遲緩。與成骨細胞不同，在軟骨細胞中，FAO似乎沒有主要作用。骨骺軟骨細胞含有低水平的FAO酶，FAO只產(chǎn)生其ATP的很小一部分。小鼠軟骨細胞的發(fā)育和存活并不依賴于FAO，過量的細胞外脂質(zhì)通過降低Sox9的表達，在體外和體內(nèi)阻止了SSC向軟骨細胞的分化。SOX9反過來通過抑制FAO在軟骨細胞中發(fā)揮代謝調(diào)節(jié)作用，盡管這一調(diào)控的確切分子機制尚不清楚。因為軟骨細胞存在于一個無法獲得循環(huán)脂肪的環(huán)境中，它們可能依賴于從頭脂肪生成來供應(yīng)脂肪酸，就像在癌癥中看到的那樣。盡管這一概念尚未得到詳細研究，但一項研究表明，ELOVL6(一種參與脂肪新生過程中脂肪酸延伸的酶)的缺失干擾了適當?shù)能浌羌毎鲋澈头只?/span>SOX9還通過增加谷氨酰胺消耗和GLS水平促進軟骨細胞中的谷氨酰胺代謝；然而，谷氨酰胺分解代謝并不支持軟骨細胞中ATP的生成。相反，研究發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺通過谷氨酸脫氫酶依賴的乙酰輔酶a的合成，在表觀遺傳學上控制軟骨基因的表達，這是組蛋白乙?；匦璧?。此外，谷氨酰胺促進轉(zhuǎn)氨酶介導的天冬氨酸合成支持軟骨細胞增殖和基質(zhì)合成，而谷氨酰胺衍生的谷胱甘肽合成避免有害的ROS積累。另一些研究表明，軟骨細胞也需要谷氨酰胺作為糖胺聚糖合成的氮供體。過度的HIF-1α穩(wěn)定會增加谷氨酰胺代謝，因為谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸(膠原羥化酶的輔助因子)的增加會刺激膠原的翻譯后修飾，進而導致可吸收軟骨細胞基質(zhì)減少，并干擾軟骨內(nèi)骨化。總的來說，目前的證據(jù)表明軟骨細胞表現(xiàn)出代謝適應(yīng)性，允許它們在有限的營養(yǎng)條件下增殖和合成大量的基質(zhì)。由于軟骨細胞的代謝高度依賴于營養(yǎng)物質(zhì)的擴散，葡萄糖和谷氨酰胺似乎是軟骨細胞代謝的首選底物。但是其他低分子營養(yǎng)物質(zhì)通過獨特的軟骨基質(zhì)擴散的潛在作用有待進一步探索。脂肪組織由于其在脂質(zhì)合成，儲存和釋放中的作用而在全身代謝中起著重要作用（圖2）。骨髓脂肪組織（MAT）的起源和特征與白色和棕色脂肪組織不同，但其在骨髓微環(huán)境中的確切功能仍非常值得研究。MAT有兩種:一種是本構(gòu)性MAT (cMAT)，它存在于脊椎動物的遠端骨骼中，在早期脊椎動物發(fā)育中起重要作用；另一種是調(diào)控性MAT (rMAT)，它分布在整個骨骼中，可能影響造血功能。一些研究表明，骨髓脂肪細胞和成骨細胞是由一個共同的祖細胞發(fā)育而來的，因此導致了脂肪細胞的形成是以犧牲成骨細胞分化為代價的一般概念；然而，骨髓脂肪細胞也會釋放大量影響成骨細胞功能的因素。此外，PTH刺激誘導骨髓脂肪細胞釋放游離脂肪酸，并被成骨細胞吸收，這說明這兩種細胞之間的關(guān)系是復雜的。在脂肪形成過程中，骨骼祖細胞表現(xiàn)出強烈的氧化代謝增加，其特征是增加線粒體生物發(fā)生、氧化磷酸化和ROS的產(chǎn)生。成骨過程中產(chǎn)生的ROS似乎大多是有害的，與之相反，線粒體電子傳遞鏈復合體III產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS需要啟動脂肪形成。在脂肪分化過程中形成的脂肪儲存是通過外源性脂肪酸和以葡萄糖和乙酸、丙酮酸和谷氨酰胺為底物重新合成的脂肪酸形成的。某種程度的脂質(zhì)合成似乎是脂肪分化所必需的，因為脂肪生成酶ATP檸檬酸裂解酶(ACLY)的缺失會阻止脂肪生成（即使存在外源脂質(zhì)）。在前脂肪細胞中，ACLY依賴乙酰輔酶a的產(chǎn)生支持組蛋白乙酰化，尤其有利于參與葡萄糖攝取、葡萄糖代謝和脂肪酸合成的基因的表達，從而協(xié)調(diào)細胞核活性與細胞代謝狀態(tài)。與其他脂肪組織沉積相比，骨髓脂肪細胞具有一些獨特的代謝特性。在熱量限制下，骨髓脂肪細胞并不比白色脂肪細胞小。骨髓脂肪細胞保存其儲存的甘油三酯，而不釋放游離脂肪酸，但它們似乎是膽固醇和相關(guān)代謝產(chǎn)物的重要來源。與cMAT相反，rMAT確實響應(yīng)熱量限制和β3-腎上腺素受體激動劑而進行了脂解作用，而兩個骨髓脂肪沉積物都對腺苷酸環(huán)化酶激活劑forskolin作出了反應(yīng)。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)cMAT比rMAT含有更多的不飽和脂質(zhì)，因此表明MAT中可能存在代謝異質(zhì)性。這些觀察結(jié)果的生理相關(guān)性，以及骨髓脂肪細胞與不同骨骼和造血細胞類型之間新陳代謝的重要性仍有待探索。造血支持基質(zhì)細胞的特定代謝需求尚未被研究。如上所述，骨髓造血干細胞和造血支持基質(zhì)細胞是否是不同的細胞群還不清楚，大多數(shù)代謝研究都是在異質(zhì)骨髓間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)上進行的。在本節(jié)中，作者關(guān)注骨髓間充質(zhì)干細胞對造血細胞和白血病細胞的代謝支持(圖3)。
圖3 骨髓壁龕中基質(zhì)細胞和血細胞之間的代謝通訊
骨髓基質(zhì)細胞對造血細胞或白血病細胞的代謝支持的重要性日益顯著;基質(zhì)細胞像細胞器一樣合成和轉(zhuǎn)運必需的代謝物。骨骼細胞也可能在塑造骨髓微環(huán)境的代謝組成和維持造血的最佳營養(yǎng)水平方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。骨髓間充質(zhì)干細胞的特征是CD73的表達，CD73是一種胞外5 -核苷酸酶，它催化細胞外ATP轉(zhuǎn)化為腺苷的最后一步。細胞外ATP被認為是一種危險信號，促進增殖和遷移，并影響造血干細胞(HSCs)的分化，而腺苷信號增強了造血祖細胞的增殖，但不影響更原始的細胞群。與這些發(fā)現(xiàn)一致的是，CD73基因敲除小鼠植入野生型骨髓細胞后，B細胞和髓細胞的生成減少，而T細胞和造血干細胞的數(shù)量與野生型受體相似。細胞外腺苷是否也被造血細胞吸收和代謝還不清楚。骨髓微環(huán)境細胞的另一個重要代謝作用可能是控制氨基酸的可用性和維持骨髓氨基酸在造血的最佳水平。最近發(fā)現(xiàn)骨髓血漿中的氨基酸組成與外周血中的非常不同:骨髓中含有大量的天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、丙氨酸和脯氨酸，但谷氨酰胺和色氨酸含量較低。骨髓內(nèi)皮細胞、成骨細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞也分泌了大量必需和非必需氨基酸，這些分泌的氨基酸在造血中的作用在很大程度上仍未確定，一項研究初步揭示了纈氨酸的重要性，纈氨酸對造血干細胞的維持和增殖至關(guān)重要，并由骨髓微環(huán)境中的內(nèi)皮細胞和基質(zhì)細胞分泌。然而，生態(tài)位衍生纈氨酸與直接飲食供給纈氨酸對造血干細胞的相對重要性仍有待確定。除了代謝產(chǎn)物外，骨髓間充質(zhì)干細胞還可以轉(zhuǎn)移細胞器，從而在代謝上影響造血細胞。骨髓間充質(zhì)干細胞已被證明可以分泌外泌體，這是一種膜結(jié)合的細胞外囊泡，內(nèi)含與免疫調(diào)節(jié)相關(guān)的代謝物。此外，為了應(yīng)對急性細菌感染期間ROS水平的升高，線粒體通過連接蛋白從骨髓間充質(zhì)干細胞(而不是成骨細胞)轉(zhuǎn)移到造血干細胞，這一過程促進了星狀細胞從糖酵解到氧化磷酸化的快速轉(zhuǎn)變，而白細胞擴張緊隨其后。類似的線粒體轉(zhuǎn)移發(fā)生在骨髓間充質(zhì)干細胞和急性髓系白血病(AML)細胞之間，并可能在保護急性髓系白血病細胞免受化療影響中發(fā)揮作用。其他幾項研究的發(fā)現(xiàn)強調(diào)了與基質(zhì)細胞的代謝交叉對話在白血病生長和化療耐藥發(fā)展中的重要性。Zhang等人描述了骨髓間質(zhì)干細胞如何導入胱氨酸并將其轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，然后釋放到微環(huán)境中供慢性淋巴樣白血病細胞吸收，從而促進谷胱甘肽的合成、細胞生存和耐藥性。研究最近發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細胞將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為天冬氨酸，用于AML細胞生成嘧啶并保護它們免受化療誘導的細胞死亡。急性髓系白血病細胞還誘導骨髓脂肪細胞釋放脂肪酸，脂肪酸通過為FAO供能支持急性髓系白血病細胞增殖和存活。在白血病中觀察到的這些不同形式的基質(zhì)代謝在正常造血過程中的作用將是未來的研究重點。衰老對骨骼細胞功能產(chǎn)生深遠影響，是骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎等退行性骨骼疾病發(fā)生的重要危險因素。在衰老的骨骼細胞中研究人員發(fā)現(xiàn)的一些代謝變化可能有助于這些疾病的發(fā)生和發(fā)展(圖4)。相反，促進特定的代謝途徑可以增強細胞健康，防止骨骼退化，或有利于再生策略。
骨骼細胞衰老的一個標志是線粒體功能障礙，它會減少能量的產(chǎn)生，增加氧化應(yīng)激。在骨髓中的骨骼干細胞中，這種代謝變化導致骨形成向脂肪形成的轉(zhuǎn)變，從而導致骨質(zhì)疏松。在關(guān)節(jié)軟骨，代謝重編程導致炎癥增加，軟骨細胞特性的喪失和骨關(guān)節(jié)炎。衰老影響的一個重要的骨骼細胞群體是骨髓間充質(zhì)干細胞，它們表現(xiàn)出SSC頻率的降低和以脂肪分化為代價的成骨潛能的喪失。衰老的骨髓間充質(zhì)干細胞線粒體含量減少，超微結(jié)構(gòu)異常，導致成骨分化過程中氧消耗和ATP合成減少，ROS生成增加。盡管這種線粒體功能受損的機制尚不完全清楚，但它可能涉及關(guān)鍵的線粒體代謝物NAD+水平降低，這在衰老細胞中常見，從而導致sirtuins活性降低，sirtuins是NAD+依賴的蛋白去乙?；福瑓⑴c線粒體代謝和氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)。因此，煙酰胺單核苷酸(一種關(guān)鍵的NAD+中間體)可促進小鼠骨髓間質(zhì)干細胞(BMSC)擴張，增強成骨，減少脂肪生成，保護骨骼免受老化和輻射損傷。其他機制可能會導致衰老的BMSC中線粒體活性降低。PGC-1α的活性隨著對基因組壓力的響應(yīng)而通過p53信號隨著年齡的增長而降低，從而影響BMSC的命運決定和骨脂肪平衡。衰老還以與減少雌激素相關(guān)受體α信號轉(zhuǎn)導有關(guān)的方式降低了GLS的活性，從而抑制了BMSC的谷氨酰胺過剩和成骨分化。 Kynurenine是必需氨基酸色氨酸的一種氧化代謝產(chǎn)物，隨著年齡的增長而增加，并影響BMSCs和成骨細胞中的線粒體代謝，從而減少成骨細胞數(shù)量并增加骨質(zhì)流失和骨質(zhì)疏松。總之，目前的證據(jù)表明，衰老降低了骨髓間充質(zhì)干細胞的線粒體代謝，增加了氧化應(yīng)激，從而在SSC細胞命運決定水平和成骨細胞功能水平上影響骨形成。年齡對骨膜SSC數(shù)量和成骨能力有類似的影響，從而影響其協(xié)調(diào)骨折愈合的能力；然而，它們是否經(jīng)歷了與骨髓相同的代謝變化仍有待確定。另一個受衰老影響很大的骨骼組織是關(guān)節(jié)軟骨。年齡是骨關(guān)節(jié)炎(OA)發(fā)展的主要危險因素，并可以通過改變主要的內(nèi)穩(wěn)態(tài)機制的功能，包括細胞代謝來觸發(fā)OA。線粒體活動的失調(diào)與增加ROS的產(chǎn)生，升高的氧化應(yīng)激，減少線粒體ATP的產(chǎn)生和糖酵解的上調(diào)有關(guān)。炎癥刺激可能通過增加糖酵解和減少氧化磷酸化進一步增強關(guān)節(jié)軟骨細胞的代謝重編程。因此，靶向功能異常的線粒體似乎是OA的一種有前途的治療策略，例如，海藻糖通過刺激自噬改善了氧化應(yīng)激介導的線粒體功能障礙和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而防止了小鼠OA的發(fā)展。HIF-1α（另一種緩解OA的策略）的藥理穩(wěn)定作用似乎通過增強線粒體功能而起作用。有趣的是，抑制糖酵解乳酸脫氫酶A還可減少ROS的產(chǎn)生以及小鼠和人關(guān)節(jié)軟骨細胞的分解代謝反應(yīng)，并在小鼠模型中預防OA。最近的研究結(jié)果表明，其他代謝過程的改變可能與OA的發(fā)病機制有關(guān)，例如，OA軟骨細胞由于攝取增強、膽固醇羥化酶上調(diào)和氧甾醇代謝物的產(chǎn)生增加而導致膽固醇水平升高。小鼠關(guān)節(jié)組織中膽固醇羥化酶的過度表達可導致實驗性OA，而這些酶的敲除可取消實驗性疾病的發(fā)展。OA中脂肪酸代謝也發(fā)生改變，過量飽和脂肪酸攝入誘導大鼠軟骨退化和軟骨下骨變化，而在損傷誘導的OA模型中，軟骨細胞中PPAR-δ的丟失可防止疾病發(fā)展。最近研究表明高水平的細胞外脂肪酸如何通過抑制FOXO和SOX9轉(zhuǎn)錄因子的活性來阻止PDCs的軟骨形成。FOXO和SOX9水平在OA中均降低，暗示局部脂肪酸水平的變化可能與炎癥或血管生成增加有關(guān)，可能在OA進展中起關(guān)鍵作用。在過去的5年里，隨著技術(shù)的進步和對細胞代謝的興趣的重新燃起，人們對骨骼細胞代謝調(diào)控的研究得到了極大的擴展，然而，對控制骨骼細胞命運和功能的代謝途徑的了解仍然有限。與其他研究領(lǐng)域一樣，大多數(shù)關(guān)于骨骼細胞代謝的研究都是在體外進行的，顯然需要更多的體內(nèi)驗證。正如最近關(guān)于癌細胞代謝的發(fā)現(xiàn)所強調(diào)的那樣，存在于體外的代謝依賴并不總是能在體內(nèi)得到再現(xiàn)。如果該領(lǐng)域希望將骨骼細胞代謝的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為新的治療方法，那么在細胞原生微環(huán)境中進行細胞研究將是至關(guān)重要的(圖5)。具有許多編碼代謝酶基因的條件等位基因的遺傳鼠系是可用的，這將是這一努力的關(guān)鍵工具。近年來，骨細胞類型特異性的Cre重組酶表達系的數(shù)量也有類似的擴大，開發(fā)更具體的系或可誘導的變體將極具發(fā)展?jié)摿ΑＴ谛枰w外培養(yǎng)骨骼細胞的情況下，應(yīng)該盡可能密切地掌握體內(nèi)微環(huán)境的代謝特性，包括使用適當?shù)募毎囵B(yǎng)基等。
新方法和最新技術(shù)的融合可以推動骨骼細胞代謝研究領(lǐng)域的發(fā)展。隨著代謝分析技術(shù)的不斷發(fā)展和分辨率的不斷提高，我們應(yīng)該能夠更好地理解控制骨骼細胞在其原生微環(huán)境中的命運和功能的代謝程序。特別是在未成熟細胞的情況下，在小鼠和人類的研究中，造血干細胞、骨骼祖細胞和支持造血的基質(zhì)細胞之間更好的分化，將極大地提高對細胞命運的代謝控制的理解。闡明靜止細胞和增殖細胞之間的代謝差異，以及在不同位置發(fā)現(xiàn)的干細胞之間的代謝差異，也將是促進細胞擴張以應(yīng)用于組織工程的持續(xù)努力的重點。一項方法學上的進步可以使我們更好地了解體內(nèi)的骨骼細胞代謝，那就是開發(fā)出分離細胞的方法，同時保留細胞的代謝譜，從而允許通過代謝組學或穩(wěn)定同位素示蹤分析對不同類型的骨骼細胞進行直接的代謝比較。在血細胞學和免疫學中，細胞更容易獲取，這些方法對控制細胞在原生環(huán)境中的行為的代謝程序有了前所未有的了解。盡管尚未實現(xiàn)單個細胞類型的分辨，但最近的一個例子顯示了在小鼠的整個骨骼組織中進行體內(nèi)穩(wěn)定同位素示蹤的可行性和價值?，F(xiàn)在，其他技術(shù)允許同時分析單個細胞的細胞身份和代謝酶蛋白水平，并且不斷改進的代謝成像方法可以提供納米級的空間信息。預計這些新技術(shù)的發(fā)展將在未來幾年中促進骨骼細胞代謝的重要發(fā)現(xiàn)。最后，越來越多的證據(jù)表明骨骼系統(tǒng)作為內(nèi)分泌器官的重要作用。然而，骨骼細胞中間代謝與全身代謝之間的相互作用仍需探究。更好地了解已知的代謝狀況如何影響骨骼健康（例如肥胖，糖尿病，饑餓，激素缺乏和維生素缺乏），改變骨骼細胞代謝，以及針對骨骼細胞代謝途徑失調(diào)的藥理學定位能否恢復其功能，將引起研究人員極大的興趣，而最近的幾項研究成果說明了成骨細胞中葡萄糖的攝取影響整體葡萄糖代謝的問題。骨骼細胞中的代謝程序是否以其他方式調(diào)節(jié)全身代謝仍是一個懸而未決的問題。https://pubmed.ncbi.nlm./33398192/
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