文献解析|探索HIF-1α信号通路在软骨细胞成骨过程中的分子调控机理

探索HIF-1α信号通路在软骨细胞成骨过程中的分子调控机理

软骨内骨化是脊椎动物骨骼系统在胚胎发育阶段形成骨组织的一个关键过程，这一过程对于四肢骨、躯干骨以及颅底骨等骨骼的形成至关重要；同时，它也是骨骼在遭受骨折后自然愈合的一个重要阶段。因此，探究软骨内骨化的发生机制具有深远的生理病理意义。

生长板软骨细胞的增殖对于长骨的纵向生长起着决定性作用，而细胞间质则构成了骨形成的结构基础。软骨细胞的代谢功能是否正常，直接关系到骨形成的质量高低。软骨组织由软骨细胞和它们所处的细胞间质共同构成，这一组织内部并无血管分布，其营养来源主要依靠软骨组织膜上的血管将营养物质渗透到细胞基质中，以滋养软骨细胞。随着生长板的不断发育，其中心区域逐渐形成一个缺氧环境，这种缺氧条件激活了软骨细胞内的HIF-1α信号通路。软骨细胞的增殖以及细胞间质的形成均需要大量的能量支持，然而，关于HIF-1α信号通路如何调控生长板软骨细胞代谢的具体分子机制，目前仍不明确。

比利时鲁汶大学（该校是欧洲历史最为悠久且备受尊崇的大学之一）代谢与衰老研究所的Geert Carmeliet研究团队在Nature期刊上发表了一篇题为“HIF-1α metabolically controls collagen synthesis and modification in chondrocytes”的研究论文。研究人员发现，在软骨细胞内，HIF-1α信号通路的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过程，具体表现为葡萄糖氧化的减少，进而造成能量供应不足，这不仅抑制了细胞的增殖能力，还触发了未折叠蛋白反应（UPR），并减少了胶原蛋白的合成。

为了深入探究HIF-1α信号通路对生长板软骨细胞代谢功能的调控机制，研究人员精心构建了一种软骨细胞特异性敲除Phd2（HIF脯氨酸羟化酶2，作为HIF-1α的关键负调控因子，它通过羟基化修饰作用降低HIF-1α蛋白的稳定性）的小鼠模型（如图2所示）。实验结果显示，这种小鼠模型中的软骨细胞HIF-1α蛋白含量显著增加，这有力地证明了该小鼠模型在调控HIF-1α方面的成功构建。进一步观察发现，Phd2chon-小鼠展现出了显著的骨骼发育不良特征，具体表现为骨骼的纵向生长受到明显抑制，如增生区（PZ）和肥大区（HZ）的长度均有所缩短，同时骨小梁的质量也有所增加。

Phd2chon-小鼠骨质量的增加并非源自骨吸收或骨形成活动的改变，那么究竟是何原因导致了这一现象呢？经过深入研究，科研人员发现Phd2chon-小鼠的软骨残余部分主要由II型胶原和蛋白多糖构成。进一步的分析揭示，Phd2chon-软骨细胞中胶原修饰酶的表达水平有所提升，这直接促进了II型胶原蛋白脯氨酸羟基化以及赖氨酸（K87）羟基化的程度加深。其中，脯氨酸的羟基化作用增强了胶原蛋白三条左手螺旋链相互缠绕的稳定性，而赖氨酸的羟基化则促进了胶原蛋白分子间的交联程度。这些生化修饰共同作用，有效抑制了胶原蛋白的降解过程，从而导致了骨质量的增加。

Phd2chon-小鼠的软骨细胞中，HIF-1α蛋白量显著增加了4.6倍。研究发现，这种过量的HIF-1α蛋白能够触发细胞代谢的重编程，即将原本依赖葡萄糖氧化磷酸化的代谢途径转变为以糖酵解为主，这一转变导致细胞功能受损，进而影响了细胞的增殖能力和蛋白质的合成。尽管糖酵解为软骨细胞提供了超过60%的能量，但葡萄糖的氧化磷酸化仍然是不可或缺的，因此，必须严格调控软骨细胞中HIF-1α信号通路的活性，以确保软骨内骨化过程中葡萄糖代谢的平衡得以维持。

进一步的研究还揭示，HIF-1α能够上调Phd2chon-软骨细胞中GLS1（谷氨酰胺酶1）的表达，GLS1将谷氨酰胺转化为α-酮戊二酸（αKG），导致细胞中αKG的含量增加了4倍。这一变化增强了胶原修饰酶（包括含有Jmjc结构域的P4HA、P3H1和PLOD）的活性，从而提高了胶原蛋白中脯氨酸和赖氨酸的羟基化水平。

为了验证αKG对胶原蛋白羟基化的直接影响，研究人员使用了αKG的类似物——二甲基-α酮戊二酸（dimethyl-αKG）处理野生型小鼠，结果观察到软骨基质中II型胶原的含量增加，进而促进了骨质量的提升。相反，当使用GLS1的抑制剂BPTES（bis-2-(5-phenylacetamido-1,3,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide）处理Phd2chon-小鼠时，能够逆转其骨骼发育不良的表型。这表明，异常活化的HIF-1α信号通过对胶原蛋白进行过度修饰，是导致骨骼发育不良的关键因素。

值得注意的是，尽管生长板软骨细胞处于无血管的环境中，但低氧应激因子PHD2作为软骨细胞代谢调控的核心，通过控制HIF-1α的活性来维持骨骼的正常发育。虽然糖酵解是软骨细胞中最主要的能量来源，但细胞的增殖和蛋白质的合成仍然依赖于葡萄糖的氧化磷酸化。因此，必须精确调控HIF-1α信号的活性，以保持这两条代谢通路之间的平衡。此外，鉴于肿瘤、成骨不全病和纤维化等疾病均与胞外基质的重塑密切相关，这一通路的研究有助于我们更深入地理解这些疾病的发生机制，并为开发相应的靶向药物提供新的思路。