糖酵解与骨形成、骨吸收的关联综述

　　摘    要：　骨骼是一个动态器官,其不断通过成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收进行骨重建,维持自身骨代谢动态平衡,保持其结构稳定。在成骨细胞与破骨细胞的生理活动中,葡萄糖源源不断地为其提供能量,保证骨代谢平衡稳定。近年来,葡萄糖代谢方式之一糖酵解被认为与骨代谢过程密切相关。糖酵解途径本身、相关酶与代谢产物均被证明参与成骨细胞与破骨细胞的分化与功能调节,影响骨代谢平衡。本文就糖酵解途径与骨代谢的关系进行综述,并期望对寻找骨代谢相关疾病潜在治疗靶点提供新的思 路。

　　关键词：　骨代谢; 糖酵解; 成骨细胞; 破骨细胞;

　　骨骼是一个动态器官，机体通过对骨形成与骨吸收的精密调控，重塑骨骼。成骨细胞和破骨细胞是参与骨重建的主要细胞，分别介导骨形成与骨吸收过程，维持骨代谢动态平衡，使骨骼保持完整的结构和一定的强度。一旦成骨细胞骨形成或破骨细胞骨吸收过程失调，便可造成骨代谢平衡的破坏，最终导致骨硬化病、骨质疏松、牙周炎等骨代谢相关疾病的发生[1]。

　　成骨细胞与破骨细胞在体内发挥生物学功能均需消耗大量能量。细胞代谢作为细胞最基本的生命活动，在细胞生理活动过程中提供能量，并参与调控细胞生物学行为。当骨骼中能量代谢障碍时，可造成骨代谢平衡紊乱，引起骨代谢相关疾病发生发展[2]。在各种代谢途径中，葡萄糖作为机体生命活动所需能量的最主要来源，其代谢紊乱必会影响成骨细胞与破骨细胞活动，进而打破骨代谢平衡[3]。葡萄糖代谢途径主要有3条：无氧氧化、有氧氧化和磷酸戊糖途径。其中，葡萄糖的无氧氧化被称作糖酵解（Glycolysis）。越来越多的研究表明，糖酵解途径与骨代谢过程关系密切[4,5]。因此，本文旨在总结糖酵解途径对骨代谢的影响，以期对寻找骨代谢相关疾病疗法的干预靶点提供新的思路。

　　1 、糖酵解的途径

　　葡萄糖通过位于细胞膜上的葡萄糖转运体（Glucose Transporters,GLUTs）转运入细胞内。在细胞质中，葡萄糖经己糖激酶（Hexose Kinase,HK）、磷酸葡萄糖异构酶（Phosphoglucose Isomerase,PGI）、醛缩酶（Aldolase,ALD）、丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase,HK）等一系列糖酵解相关酶代谢，转化为丙酮酸；在无氧条件下，丙酮酸进一步转化生成乳酸，此即为糖酵解途径。在此过程中，伴有少量三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate,ATP）的产生，为细胞提供能量。在有氧条件下，糖酵解途径被抑制，代谢过程中间产物丙酮酸进入线粒体，参与三羧酸循环后被彻底氧化，伴有ATP大量形成以提供充足能量[6]。然而，某些代谢旺盛的细胞，如肿瘤细胞，无论是否缺氧，都能快速地摄取葡萄糖进行糖酵解，并产生大量的乳酸，这种现象被称作Warburg效应，即有氧糖酵解[7]。

　　2、 糖酵解与骨形成

　　2.1、 糖酵解与成骨细胞

　　成骨细胞作为骨形成过程中的主要功能细胞，负责新骨骨基质的合成与矿化。经大量研究证明，成骨细胞来源于未分化的骨髓间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cell,MSC）。在多种调控因子的刺激下，MSC定向分化为成骨前体细胞，表达Runt相关基因2(Runt-related Transcription Factor2,Runx2）。在细胞内Runx2、Sp7和Wnt信号的作用下，成骨前体细胞进一步分化为前成骨细胞，最终分化为成熟成骨细胞。成熟成骨细胞可合成分泌胶原等蛋白基质，并通过碱性磷酸酶介导细胞外基质矿化，形成骨组织[8]。
 

　　成骨细胞形成与合成分泌过程均非常耗能，需要活跃的代谢以满足其能量需求[1]。即使在有氧条件下，糖酵解也是骨组织中主要的能量代谢方式，且主要存在于成骨细胞中[4]。体外诱导前成骨细胞分化发现，在成骨分化过程中，有氧糖酵解是其主要能量来源[9]。成骨前体细胞未分化时，乳酸产生量与葡萄糖消耗量之比约为2，表明该时期的主要能源来自糖酵解；而成熟成骨细胞同时利用氧化磷酸化和有氧糖酵解获得能量以发挥合成矿化功能，但其更依赖糖酵解[10]。

　　2.2 、糖酵解相关代谢酶对骨形成的影响

　　糖酵解途径中的代谢酶如PGI、ALD等不仅通过参与糖酵解供能以维持细胞基本活动，其本身还可作为调节因子，调控成骨细胞分化。

　　PGI除了在糖酵解过程中将6-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸果糖参与能量代谢外，其也是一种多功能细胞因子，可正向调控骨形成。在MC3T3-E1细胞系成骨分化基质形成与矿化期，PGI表达升高3.5倍，抑制PGI降低了MC3T3-E1细胞碱性磷酸酶活性与矿化程度；在小鼠骨折模型中，其在愈合骨痂中的成骨细胞高表达[11]。此外，有研究提示ALD可能正向调控骨形成过程。ALD可通过结合GSK-3β，抑制GSK-3β对β-catenin的降解作用，从而正向调控Wnt/β-catenin通路[12]。在成骨细胞分化过程中，β-catenin在胞内大量积累后入核，可启动靶基因的转录表达，促进成骨细胞的分化增殖[13]。以上的结果提示ALD可能通过Wnt/β-catenin通路调控成骨分化，但仍待进一步的研究验证。

　　2.3、 糖酵解产物对骨形成的影响

　　随着糖酵解在骨形成中作用的不断认识，糖酵解过程中代谢产物参与调控成骨分化的作用与机制受到越来越多的关注[4]。卵巢切除诱导的股骨骨质疏松中伴随骨髓中糖酵解产物丙酮酸的丢失，补充丙酮酸可预防卵巢切除诱导的股骨骨质疏松。高表达单羧酸转运蛋白（Monocarboxylate Transporters,MCT)2转运丙酮酸对成骨样细胞和成骨前体细胞应激损伤具有保护作用[14]；然而该过程中丙酮酸对成骨分化的直接调控作用尚不清楚。近期研究则发现，糖酵解终末产物乳酸经MCT1进入成骨前体细胞MC3T3-E1细胞系后可转化成丙酮酸，通过稳定低氧诱导因子（HypoxiaInducible Factor,HIF)-1α直接诱导MC3T3-E1细胞系成骨分化[15]。除了进入细胞内发挥作用，乳酸常常可以通过作用于G蛋白偶联受体81(G Protein Coupled Receptor 81,GPR81）影响细胞生物学行为的改变[16]。随后Wu等人发现，乳酸可作用于其受体GPR81以激活下游Gβγ-PLC-PKC-AKT级联信号，增强甲状旁腺激素（Parathyroid Hormone,PTH）诱导的MC3T3-E1细胞成骨分化[17]。

　　2.4、 成骨诱导信号通过调节糖酵解介导骨形成

　　骨髓是一个相对缺氧的环境，尤其是骨化中心。这种缺氧环境能够稳定HIF-1α。HIF-1α作为转录因子可上调葡萄糖转运蛋白和多种糖酵解相关基因的表达，加速葡萄糖摄取，使糖酵解增强。有文献报道，成骨前体细胞中HIF-1α可通过正向调控糖酵解，增加小鼠成骨细胞数量，促进新骨形成[18]。

　　Wnt、PTH和BMP及其下游信号转导是的诱导成骨分化的经典通路[4]，三条通路均具有调节细胞糖酵解的作用。Wnt信号通过促进糖酵解诱导成骨前体细胞的成骨分化，其中Wnt3a作用其受体LRP5激活AKT-mTORC2上调糖酵解关键酶，丙酮酸脱氢酶激酶1、乳酸脱氢酶（Lactate Dehydrogenase,LDH)A和HK2等发挥作用[19];Wnt7b通过上调葡萄糖转运蛋白GLUT1促进糖酵解介导的成骨分化，然而何种Wnt受体在其中发挥作用仍有待进一步研究探索[20]。PTH作用于其受体PTH1R后，通过Igf-PI3K-mTORC2信号下游的AKT和Sgk1来增强有氧糖酵解，以维持成骨细胞功能并增加其数量[21]。BMP2亦是成骨分化的重要始动因素；在骨骼发育过程中，BMP2可通过mTORC1-HIF-1α信号上调GLUT1促进成软骨分化[22]。因此，糖酵解在BMP2诱导成骨分化中的作用亦值得探究。

　　在MSC成骨分化过程中，Notch信号被证明具有抑制成骨分化的作用[23]；目前有研究发现，Jagged1可激活MSC表面的Notch2，并通过经典Notch信号抑制Pfkfb3、Pfkfb4、丙酮酸激酶和LDHA等代谢酶的转录表达，从而抑制糖酵解，最终限制MSC成骨分化[24]。

　　上述信号通路均可通过调节糖酵解来影响骨形成。由此可见，增强的糖酵解过程可能是促进骨形成的普遍机制，其完善了骨合成代谢相关机制，并可能为骨合成代谢疗法的研究提供新思路。

　　3、 糖酵解与骨吸收

　　3.1、 糖酵解与破骨细胞

　　破骨细胞，是骨髓造血干细胞在核因子κB受体活化因子配体（Receptor Activator of Nuclear Factor-κBLigand,RANKL）与巨噬细胞集落刺激因子的诱导下，增殖、迁移和融合分化形成的多核细胞。成熟的破骨细胞能合成并分泌多种蛋白水解酶（基质金属蛋白酶、组织蛋白酶K等），并分泌H+形成酸性环境，以降解骨基质并溶解矿物质[25]，因此其需要消耗巨大能量。虽然氧化磷酸化普遍被认为是破骨细胞能量的主要来源，但糖酵解途径同样与其密切相关[26]。

　　在破骨细胞分化过程中，糖酵解可协同三羧酸循环与随后的线粒体氧化磷酸化，满足破骨细胞的高能需求。在鼠骨髓巨噬细胞与细胞系RAW264.7破骨分化过程中，葡萄糖摄取量与乳酸产量明显增加；在分化终末期破骨细胞中，糖酵解途径相关酶上调表达；但抑制糖酵解并不阻碍细胞破骨分化[27]。而当暴露于低氧条件下时，增强的糖酵解作用可延长人外周血单核细胞的存活，并与其分化和成熟有关[28]。缺氧引起的糖酵解水平和线粒体代谢活性的增加，以及随之产生的线粒体活性氧，对于破骨细胞形成和吸收活性至关重要。但仅依赖厌氧糖酵解并不能满足破骨细胞骨吸收活动的能量需求[29]。

　　在成熟破骨细胞进行骨吸收过程中，糖酵解是其降解胶原基质所必需的能量来源。HIF-1α敲除可造成糖酵解相关酶下调表达，降低糖酵解水平，进而使骨吸收能力降低[27]；骨吸收过程中，糖酵解相关酶集中在成熟破骨细胞骨吸收封闭区，抑制糖酵解可阻碍胞外胶原基质的降解[30]。此外，在缺氧状态下，细胞通过糖酵解迅速地产生ATP，是破骨细胞在缺氧状态下一种适应性机制，以保证其在短期内快速进行骨吸收活动[31]。

　　3.2 、糖酵解相关代谢酶对骨吸收的影响

　　有学者通过转录组学和表观基因组学分析单核细胞中的基因表达，发现醛缩酶A(Aldolase A,ALDOA）等多种糖酵解相关酶在低骨密度受试者外周血单核细胞中上调表达[15]，提示其可能参与单核细胞破骨分化过程，从而影响骨质疏松的发生发展。在活化的破骨细胞中，ALD与空泡型质子泵（Vacuolar H(+)-ATPases,V-ATPases)V1结构域的E亚基相互结合，聚集在细胞裙状皱折缘处[32]；而磷酸果糖激酶1(Phosphofructokinase-1,PFK1）则可与V1结构域的a亚基相互结合。近期有研究者发现，PFK1可通过Pfk2p调节糖酵解水平影响V-ATPases的功能[33]。这些研究强烈表明，在成熟破骨细胞发挥功能的过程中，质子的转运与糖酵解之间可能存在直接联系；糖酵解相关酶可能呈现区室化，为骨吸收区功能活跃的质子泵快速地提供能量。

　　LDH是糖酵解的限速酶，催化丙酮酸与乳酸的相互转化。在破骨细胞分化过程中，LDH的B亚基上调表达；抑制LDH的B亚基，会造成破骨前体细胞融合障碍与破骨相关转录因子NFATc1下调，从而抑制破骨细胞形成[34]。

　　3.3、 糖酵解产物对骨吸收的影响

　　糖酵解中间代谢物丙酮酸，位于糖酵解与三羧酸循环途径的交界处，能进入线粒体，形成乙酰辅酶A，参与三羧酸循环，释放能量。有研究表明，丙酮酸对破骨细胞分化的正向调控作用主要是通过促进糖代谢供能，协同葡萄糖增加破骨前体细胞的氧消耗量[35]，并抑制AMPK来增强线粒体氧化磷酸化[36]；此外，丙酮酸能通过mTOR-rictor介导的AKT信号调节破骨细胞融合，通过m TOR-raptor调节细胞生长相关蛋白表达，增加破骨细胞体积，从而促进破骨前体细胞破骨分化与功能[37]。

　　另有学者发现，糖酵解第一阶段产物1,6-二磷酸果糖可能通过NF-κB/NFATc1信号转导途径，抑制破骨细胞融合抑制破骨细胞组织蛋白酶K的表达，负向调控破骨细胞对矿化基质的吸收[38]。

　　3.4、 缺氧状态下多种信号通路介导的糖酵解促进骨吸收

　　大量研究表明，缺氧状态可以通过糖酵解促进破骨细胞形成与吸收功能。HIF-1α是组织和细胞对缺氧状态反应的主要调节因子，缺氧状态下，HIF-1α并不影响破骨细胞的分化，但其会通过刺激葡萄糖转运和糖酵解相关基因的表达，维持破骨细胞的骨吸收活动[27,39]。

　　在常氧状态下，铜离子代谢结构域包含体1(Copper metabolism (Murr1) domain containing 1,COMMD1）是破骨分化的抑制因子，其可抑制转录因子E2F表达与活化；而当缺氧时，COMMD1被抑制，因此使E2F调控的糖酵解相关基因表达，在破骨细胞形成的早期阶段满足其代谢需求，从而促进破骨细胞的形成[40]。

　　近期有学者报道，线粒体复合物I(Mitochondrial complex 1,CI）在调节破骨细胞分化过程中有重要作用，在缺氧状态下缺失CI组分Ndufs4会导致代谢平衡向糖酵解水平增高的转变，上调破骨细胞相关的关键因子（如c-Fos,NFATc1,TRAP和OSCAR）的表达，导致骨密度降低[41]。

　　4 、结语

　　本文总结了目前糖酵解在骨代谢领域中的研究进展，主要包括以下两方面：(1)在成骨细胞中，糖酵解是最主要的代谢方式，可以正向调控成骨细胞的形成与合成功能；(2)在破骨细胞中，糖酵解协同氧化磷酸化为破骨细胞提供能量，缺氧状态下糖酵解可正向调控破骨细胞的形成与功能。

　　鉴于当前的研究现状，笔者认为，糖酵解在骨代谢领域中的研究仍存在以下问题：(1)糖酵解代谢途径中有很多糖酵解相关酶与中间代谢产物，如6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等，它们与骨代谢的相关研究仍处于相对空白状态；(2)糖酵解同时促进成骨细胞骨形成与破骨细胞骨吸收过程，如何利用糖酵解调节骨代谢平衡可能是一个难点；(3)糖酵解在病理状态下如何调控成骨细胞骨形成与破骨细胞骨吸收尚未明确。未来需要就这些问题进行深入研究，以明确糖酵解在骨代谢相关疾病发生发展中的具体作用，并为骨代谢相关疾病治疗提供新的干预靶点。

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