引用本文： 周圣梁, 斯海波, 彭琳博, 沈彬. 軟骨細胞線粒體生物發生在骨關節炎發病機制中的作用. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(2): 242-248. doi: 10.7507/1002-1892.202109091 復制
骨關節炎（osteoarthritis，OA）是世界上發病率最高的關節疾病，已成為中老年人群疼痛及致殘的主要疾病之一，給患者及社會帶來了巨大負擔[1]。OA的發病機制目前尚未完全明確，非手術治療以緩解疼痛為主，對于晚期OA患者只能進行關節置換手術[2]。隨著老年人群和肥胖人群比例的增長，過去20年間因OA行關節置換手術的數量也大幅度增加[3]，目前亟需新的治療手段來延緩、阻止甚至逆轉OA的發展。研究發現線粒體功能障礙會引起軟骨細胞能量代謝障礙、活性氧堆積，促使軟骨細胞釋放炎癥介質，導致軟骨退化，最終發展為OA。基于內源性分子靶點來恢復線粒體正常功能已經成為OA治療的新方向。線粒體生物發生是已有線粒體生長或產生新線粒體的復雜過程，該過程涉及線粒體內、外膜和線粒體編碼蛋白質的合成，核編碼蛋白質的合成以及線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的復制[4]。線粒體生物發生能夠調控細胞器的自我更新，維持mtDNA的完整性，進而保證細胞內環境的穩定[5-7]。研究顯示，在人OA軟骨細胞中線粒體生物發生能力下降，表明線粒體生物發生與OA發生密切相關[8-9]。本文就軟骨細胞線粒體生物發生在OA發病機制中的作用作一綜述。
1 線粒體生物發生在OA病程中的變化
1.1 線粒體是維持軟骨細胞穩態的關鍵因素
軟骨細胞是成熟軟骨中存在的唯一細胞，其新陳代謝非常活躍，青少年期后通常不會再分裂[10]。雖然軟骨細胞只占關節軟骨的5%，但在維持整個軟骨穩態中發揮著至關重要的作用[11]。OA發生時，軟骨細胞發生顯著病理性改變，表現為數量減少、軟骨細胞外基質合成減少、基質降解酶分泌增加、軟骨病理性鈣化等[10，12-14]。既往研究認為關節軟骨缺乏血供，軟骨細胞處于缺氧環境中，糖酵解是其產生能量的主要方式，線粒體和軟骨細胞能量代謝沒有聯系[15]。然而，最新研究顯示關節軟骨組織表面氧分壓可達7%，靠近關節軟骨表面的軟骨細胞處于相對有氧的狀態，表明線粒體介導的有氧呼吸仍是關節軟骨細胞的重要供能方式[16]。同時，其他研究表明線粒體是維持軟骨細胞正常代謝的關鍵[17]。OA軟骨細胞線粒體功能損害主要表現為呼吸鏈中Ⅱ和Ⅲ復合物顯著減少、三磷酸腺苷合成減少、線粒體細胞膜電位損失、活性氧增加、mtDNA損傷等，最終導致軟骨細胞結構和功能受損、細胞壽命縮短[8-10]。線粒體細胞膜電位損失會發生能量產生減少、膜通透性增加，最終導致各種凋亡誘導因子（如細胞色素C）從線粒體釋放進入軟骨細胞基質[18]。
1.2 線粒體生物發生在OA中的作用及變化
線粒體生物發生受特定的激素或信號分子調控，涉及到核和線粒體基因及基因表達產物的相互協調作用，在能量需求增多、生長發育旺盛或微環境改變等刺激下，線粒體生物發生增加[4，19]。線粒體生物發生對于維持線粒體正常功能具有重要意義，若該過程受阻，不僅細胞能量調節失控，還會由于線粒體功能損害和凋亡激活，造成線粒體產生過多活性氧，導致氧化應激損害及鈣失調[20]。目前認為調節線粒體生物發生的關鍵分子是過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α）。PGC-1α是結構相關轉錄共激活因子家族的創始成員，最初在已分化棕色脂肪系中被發現，其作用是與相關轉錄因子結合，提高其活性[21]。自PGC-1α被發現以來，陸續發現了腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）、沉默信息調節因子1/3（sirtuin1/3，SIRT1/3）、核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF-1）、NRF-2、雌激素受體α（estrogen-related receptor α，ERRα）等與其存在相互作用的上游或下游分子。PGC-1α利用正、負反饋與這些分子建立網絡，進而行使調節線粒體生物發生的功能（圖1）。線粒體生物發生的調節網絡在衰老相關疾病領域被廣泛研究，并在治療神經退行性病變、心血管及腎臟等疾病方面取得一定進展[22-24]。
圖1
線粒體生物發生調控網絡
cAMP：環磷酸腺苷 CREB：環磷酸腺苷反應元件結合蛋白 PKA：蛋白激酶AA RIP-140：轉錄輔抑制因子140
Figure1. Mitochondrial biogenesis regulatory networkcAMP: Cyclic adenosine monophosphate CREB: Cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein PKA: Protein kinase AA RIP-140: Receptor-interacting protein 140
線粒體生物發生在OA發病機制和治療方面也取得了一定成果。研究發現在OA軟骨細胞中調控線粒體生物發生的AMPK、PGC-1α及NRF-1等調控因子表達或活性降低，mtDNA含量及細胞內三磷酸腺苷減少，線粒體能量代謝障礙，表明在OA軟骨細胞中線粒體生物發生能力受損，并可能誘導產生OA軟骨細胞中不可逆的線粒體功能障礙[9，25]。但當人為調節使OA軟骨細胞中的線粒體生物發生增加時，mtDNA含量增加，線粒體功能恢復，表明重新激活OA軟骨細胞中的線粒體生物發生有助于恢復損傷的線粒體，限制OA發展進程[9]。目前研究的能夠激活軟骨細胞線粒體生物發生的途徑主要有AMPK-PGC-1α[25]、SIRT1-PGC-1α[9]及SIRT3-PGC-1α[26]，通過激活PGC-1α及其下游NRF-1、NRF-2及ERRα等使線粒體生物發生增加。
2 OA軟骨細胞線粒體生物發生中主要信號分子的變化及作用
2.1 PGC-1α
PGC-1α是線粒體生物發生的主要調節因子，在OA軟骨細胞線粒體生物發生調節網絡中，PGC-1α位居中央，通過接受上游分子的調節信號，傳遞給下游分子發揮效應[27]。因此，為探求線粒體生物發生對OA軟骨細胞的作用及機制，研究PGC-1α是必不可少的。與正常軟骨細胞對比，在人OA軟骨細胞中PGC-1α表達降低，線粒體生物發生過程受到抑制，調高PGC-1α表達和活性會顯著促進線粒體生物發生，增加mtDNA含量和線粒體容量，能一定程度恢復線粒體功能[9]。目前已發現的能夠調節PGC-1α表達和活性的信號分子主要有AMPK、SIRT1、SIRT3，提高以上分子活性均可激活PGC-1α，進而激活NRF-1、NRF-2等下游分子，提高線粒體生物發生，減少氧化應激，限制OA疾病進展[9，25，28-29]。
2.2 AMPK
AMPK是存在于幾乎所有真核細胞中的激酶，也是重要的能量感受器[30]。AMPK是細胞中調節代謝的關鍵分子，被激活后通過磷酸化多種途徑的關鍵蛋白，增加分解代謝并降低合成代謝[31]。AMPK在調節脂質穩態及線粒體穩態等多方面具有重要作用，和多種與細胞能量失衡及衰老相關的疾病有牽連，如癌癥、心血管疾病、阿爾茲海默癥及OA[32-34]。不僅如此，還可通過抑制氧化應激、NF-κB通路對軟骨細胞應激反應發揮抗炎作用[35]。研究發現在OA軟骨細胞中AMPK活性降低，線粒體生物發生受損，誘導關節軟骨退變，最終引起OA[30，36-37]。線粒體生物發生是調節軟骨細胞線粒體穩態的重要環節，OA軟骨細胞中線粒體生物發生受損可通過激活AMPK-SIRT-1-PGC-1α通路逆轉[9]。Chen等[36]報道輕微軟骨退化的年輕C57BL/6雄性小鼠與年長C57BL/6雄性小鼠相比，AMPKα的磷酸化明顯喪失，表明AMPK活性降低可能是與衰老相關OA發生發展的一個關鍵因素。
2.3 SIRTs
SIRTs是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴的去乙酰化酶，包括SIRT-1～SIRT-7，分布于整個細胞。其中SIRT-3、SIRT-4及SIRT-5位于線粒體，調節線粒體的代謝和呼吸作用。OA軟骨細胞中SIRT-1表達水平低于正常軟骨細胞，此外敲除SIRT-1后會提高人基質金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinases 13，MMP-13）和軟骨細胞凋亡標志物表達，加速軟骨損傷[38]。SIRT-1存在于細胞核中，雖不能直接影響線粒體功能，但可通過去乙酰化PGC-1α廣泛參與代謝控制和線粒體生物發生[39-40]。最新研究表明[41]，槲皮素可通過激活SIRT-1-PGC-1α途徑激活線粒體生物發生，改善膠原誘導的小鼠關節炎。SIRT-3是第一個被證明位于線粒體的SIRTs，維持著超過136個線粒體蛋白質的乙酰化狀態和活性[42-45]。近來研究表明SIRT-3是軟骨細胞代謝的調節因子，可維持線粒體正常功能和穩態[44，46]。OA軟骨細胞中SIRT-3水平顯著減少，敲除軟骨細胞中SIRT-3基因可誘導線粒體功能障礙，且SIRT-3基因敲除小鼠OA癥狀表現重于正常小鼠[26，36，47]。Torrens-Mas等[48]發現在乳腺癌細胞中SIRT-3基因敲除后，PGC-1α表達水平下降，線粒體生物發生被抑制。這一結果表明SIRT-3通過PGC-1α通路對線粒體生物發生產生影響，然而這一作用機制在OA軟骨細胞中尚不清楚，還需更多研究明確。
2.4 核轉錄因子
mtDNA復制和表達依賴于核轉錄因子，包括NRF-1、NRF-2、線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）等。NRF-1和NRF-2接受PGC-1α刺激活化，結合線粒體轉錄因子的啟動子，激活下游分子TFAM和線粒體轉錄因子B（mitochondrial transcription factor B，TFBM）表達參與線粒體生物發生[49-51]。TFAM是專門調節mtDNA的核轉錄因子，可轉移到線粒體中促進mtDNA復制和表達。OA軟骨細胞中TFAM基因表達水平與正常軟骨細胞相比存在明顯差異，可能參與了OA的治病過程[52]。TFAM基因敲除小鼠表現為胚胎致死和mtDNA缺失，同時過量表達TFAM的轉基因小鼠表現為mtDNA拷貝數目增加，證實了該蛋白在哺乳動物中維持mtDNA的作用[53-54]。目前也有研究表明，足夠數量的TFBM對于正常線粒體生物發生是不可或缺的[55-56]。TFAM能夠調節mtDNA總拷貝數，保持mtDNA的完整和穩定，TFBM可以提高mtDNA轉錄增加線粒體生物發生[44]。既往研究表明[50]，相比于NRF-2，NRF-1在激活TFAM中起主要作用。NRF-1的顯性抑制等位基因可阻斷PGC-1α對線粒體生物發生的作用，為NRF-1依賴途徑提供了體內證據[57]。有研究發現，NRF-2在線粒體生物發生中同樣起著不容忽視的作用[58]。Suliman等[59]發現在大鼠肝臟細胞內細菌脂多糖能夠誘導提高NRF-1表達水平和活性，并且NRF-2、TFAM表達同樣增加，線粒體生物發生被激活。Mattingly等[60]發現在MCF-7乳腺細胞中雌二醇可誘導NRF-1、TFAM表達增加，進而激活細胞線粒體生物發生。目前尚無通過調控OA軟骨細胞核轉錄因子來調控線粒體生物發生的研究。在OA軟骨細胞中，由于PGC-1α活性及表達降低，NRF-1、NRF-2及TFAM的表達水平相比于正常軟骨細胞均降低[9]。核轉錄因子受上游分子調控，許多研究選擇通過AMPK/SIRT-1/SIRT-3-PGC-1α途徑激活PGC-1α，進而激活下游分子即NRF-1、NRF-2及TFAM來調控線粒體生物發生[9, 25, 44]。
2.5 ERRα
孤兒核受體家族包括ERRα、ERRβ及ERRγ，與線粒體生物發生有關的主要是ERRα。現有研究表明，ERRα不僅與脂質代謝有關，還與PGC-1α誘導的線粒體生物發生有關[61-62]。Schreiber等[63]研究首次發現ERRα是PGC-1α的效應分子，能夠調控氧化磷酸化和線粒體生物發生。抑制ERRα會抑制PGC-1α誘導線粒體蛋白質表達和mtDNA復制的能力[63]。ERRα還可以直接控制NRF-2的表達[64]。還有研究發現PGC-1α可以通過招募ERRα作用于SIRT3的啟動子來促進SIRT3的表達[44]。近年研究發現ERRγ同樣可以通過PGC-1α調節線粒體生物發生[65]。目前ERRα或ERRγ在OA軟骨細胞線粒體生物發生的作用尚無研究闡明。
3 線粒體生物發生在OA發病機制中的后續研究方向及應用前景
軟骨細胞線粒體生物發生參與了OA發病過程，線粒體生物發生過程涉及到的關鍵調節分子（如AMPK、SIRT-1、PGC-1α）是保護軟骨細胞、防止細胞功能障礙和軟骨發生損傷不可或缺的。因此，探明OA軟骨細胞中線粒體生物發生失調的機制，可能有助于發現能夠限制OA進程的臨床干預措施。目前，線粒體生物發生的調節機制主要由以PGC-1α為中心的調節網絡構成，并發現了一些藥物和生物活性成分，通過改善軟骨細胞線粒體生物發生來減輕軟骨損傷。Li等[66]發現網膜素-1可通過上調細胞內PGC-1α表達，調控軟骨細胞線粒體生物發生，最終限制OA進展；Masuda等[67]發現蘋果原花青素具有同樣作用。Wang等[68]和Chen等[69]報道葛根素和梓醇分別通過AMPK-PGC-1α通路和CREB-PGC-1α通路調控軟骨細胞線粒體生物發生，可用于治療或緩解OA。此外，研究發現[70-71]在神經細胞中白藜蘆醇可通過PGC-1α激活線粒體生物發生，改善神經細胞損傷，但其在OA軟骨細胞中的作用尚未證實。同時，還有研究發現二甲雙胍通過AMPK通路限制OA的進展[72]。但二甲雙胍是否在軟骨細胞的線粒體生物發生中發揮潛在作用以改善OA，仍需深入研究。目前研究中對軟骨細胞線粒體生物發生的調控都需要上調PGC-1α表達和活性，引起線粒體生物發生增加，進而限制OA進展。但需要注意的是，過度增加線粒體生物發生會適得其反。線粒體功能是一個整體，如果沒有其他質量控制機制的平衡，過度增加線粒體生物發生會導致耗氧量增加和氧化應激[9]。
另外根據多個研究發現，AMPK和SIRT-3之間可能存在一定聯系。Petursson等[73]報道了LKB1是軟骨細胞中激活AMPK的主要激酶，LKB1敲除后幾乎阻斷了軟骨細胞中AMPK的活化。Zhang等[74]報道了在人神經母細胞瘤中活化的SIRT-3將LKB1去磷酸化激活，繼而提高了AMPK的活性。軟骨細胞中的AMPK在能量缺乏時被磷酸化激活，被激活的AMPK促進了三磷酸腺苷的產生并增加了細胞內NAD+水平，最終激活了SIRT-3，并且下調AMPK表達后，SIRT-3的表達和活性降低[36]。因此，有理由認為AMPK和SIRT-3之間存在某種聯系，這種聯系通過軟骨細胞線粒體生物發生在OA發生中發揮的作用尚不得而知，可能成為OA治療的潛在靶點。
4 總結
近年線粒體功能障礙被認為是OA發生的重要機制，線粒體生物發生是維持線粒體正常數量和功能的主要過程之一，因此軟骨細胞線粒體生物發生機制可能是OA治療的潛在干預靶點。目前已發現PGC-1α是線粒體生物發生的關鍵調控因子，并大致形成了以PGC-1α為中心，AMPK、SIRT及CREB等為主要上游調控分子，NRF-1、ERRα、NRF-2等為主要下游調控分子的正、負反饋調控網絡，但OA軟骨細胞線粒體生物發生的調控研究較少，作用機制還有待進一步深入探索。現有研究表明激活OA軟骨細胞中受損的線粒體生物發生可延緩OA發展，且已發現如葛根素、人網膜素-1等可通過調控軟骨細胞線粒體生物發生抑制OA發展。因此，進一步探索調控軟骨細胞線粒體生物發生的相關機制及研發靶向調控策略具有重要臨床意義。
作者貢獻：斯海波、沈彬負責綜述設計、構思及修改；周圣梁負責撰寫文章；彭琳博負責收集資料和查閱文獻，對文章結構、邏輯提供建議。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。項目經費支持沒有影響文章觀點。
骨關節炎（osteoarthritis，OA）是世界上發病率最高的關節疾病，已成為中老年人群疼痛及致殘的主要疾病之一，給患者及社會帶來了巨大負擔[1]。OA的發病機制目前尚未完全明確，非手術治療以緩解疼痛為主，對于晚期OA患者只能進行關節置換手術[2]。隨著老年人群和肥胖人群比例的增長，過去20年間因OA行關節置換手術的數量也大幅度增加[3]，目前亟需新的治療手段來延緩、阻止甚至逆轉OA的發展。研究發現線粒體功能障礙會引起軟骨細胞能量代謝障礙、活性氧堆積，促使軟骨細胞釋放炎癥介質，導致軟骨退化，最終發展為OA。基于內源性分子靶點來恢復線粒體正常功能已經成為OA治療的新方向。線粒體生物發生是已有線粒體生長或產生新線粒體的復雜過程，該過程涉及線粒體內、外膜和線粒體編碼蛋白質的合成，核編碼蛋白質的合成以及線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的復制[4]。線粒體生物發生能夠調控細胞器的自我更新，維持mtDNA的完整性，進而保證細胞內環境的穩定[5-7]。研究顯示，在人OA軟骨細胞中線粒體生物發生能力下降，表明線粒體生物發生與OA發生密切相關[8-9]。本文就軟骨細胞線粒體生物發生在OA發病機制中的作用作一綜述。
1 線粒體生物發生在OA病程中的變化
1.1 線粒體是維持軟骨細胞穩態的關鍵因素
軟骨細胞是成熟軟骨中存在的唯一細胞，其新陳代謝非常活躍，青少年期后通常不會再分裂[10]。雖然軟骨細胞只占關節軟骨的5%，但在維持整個軟骨穩態中發揮著至關重要的作用[11]。OA發生時，軟骨細胞發生顯著病理性改變，表現為數量減少、軟骨細胞外基質合成減少、基質降解酶分泌增加、軟骨病理性鈣化等[10，12-14]。既往研究認為關節軟骨缺乏血供，軟骨細胞處于缺氧環境中，糖酵解是其產生能量的主要方式，線粒體和軟骨細胞能量代謝沒有聯系[15]。然而，最新研究顯示關節軟骨組織表面氧分壓可達7%，靠近關節軟骨表面的軟骨細胞處于相對有氧的狀態，表明線粒體介導的有氧呼吸仍是關節軟骨細胞的重要供能方式[16]。同時，其他研究表明線粒體是維持軟骨細胞正常代謝的關鍵[17]。OA軟骨細胞線粒體功能損害主要表現為呼吸鏈中Ⅱ和Ⅲ復合物顯著減少、三磷酸腺苷合成減少、線粒體細胞膜電位損失、活性氧增加、mtDNA損傷等，最終導致軟骨細胞結構和功能受損、細胞壽命縮短[8-10]。線粒體細胞膜電位損失會發生能量產生減少、膜通透性增加，最終導致各種凋亡誘導因子（如細胞色素C）從線粒體釋放進入軟骨細胞基質[18]。
1.2 線粒體生物發生在OA中的作用及變化
線粒體生物發生受特定的激素或信號分子調控，涉及到核和線粒體基因及基因表達產物的相互協調作用，在能量需求增多、生長發育旺盛或微環境改變等刺激下，線粒體生物發生增加[4，19]。線粒體生物發生對于維持線粒體正常功能具有重要意義，若該過程受阻，不僅細胞能量調節失控，還會由于線粒體功能損害和凋亡激活，造成線粒體產生過多活性氧，導致氧化應激損害及鈣失調[20]。目前認為調節線粒體生物發生的關鍵分子是過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α）。PGC-1α是結構相關轉錄共激活因子家族的創始成員，最初在已分化棕色脂肪系中被發現，其作用是與相關轉錄因子結合，提高其活性[21]。自PGC-1α被發現以來，陸續發現了腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）、沉默信息調節因子1/3（sirtuin1/3，SIRT1/3）、核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF-1）、NRF-2、雌激素受體α（estrogen-related receptor α，ERRα）等與其存在相互作用的上游或下游分子。PGC-1α利用正、負反饋與這些分子建立網絡，進而行使調節線粒體生物發生的功能（圖1）。線粒體生物發生的調節網絡在衰老相關疾病領域被廣泛研究，并在治療神經退行性病變、心血管及腎臟等疾病方面取得一定進展[22-24]。
圖1
線粒體生物發生調控網絡
cAMP：環磷酸腺苷 CREB：環磷酸腺苷反應元件結合蛋白 PKA：蛋白激酶AA RIP-140：轉錄輔抑制因子140
Figure1. Mitochondrial biogenesis regulatory networkcAMP: Cyclic adenosine monophosphate CREB: Cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein PKA: Protein kinase AA RIP-140: Receptor-interacting protein 140
線粒體生物發生在OA發病機制和治療方面也取得了一定成果。研究發現在OA軟骨細胞中調控線粒體生物發生的AMPK、PGC-1α及NRF-1等調控因子表達或活性降低，mtDNA含量及細胞內三磷酸腺苷減少，線粒體能量代謝障礙，表明在OA軟骨細胞中線粒體生物發生能力受損，并可能誘導產生OA軟骨細胞中不可逆的線粒體功能障礙[9，25]。但當人為調節使OA軟骨細胞中的線粒體生物發生增加時，mtDNA含量增加，線粒體功能恢復，表明重新激活OA軟骨細胞中的線粒體生物發生有助于恢復損傷的線粒體，限制OA發展進程[9]。目前研究的能夠激活軟骨細胞線粒體生物發生的途徑主要有AMPK-PGC-1α[25]、SIRT1-PGC-1α[9]及SIRT3-PGC-1α[26]，通過激活PGC-1α及其下游NRF-1、NRF-2及ERRα等使線粒體生物發生增加。
2 OA軟骨細胞線粒體生物發生中主要信號分子的變化及作用
2.1 PGC-1α
PGC-1α是線粒體生物發生的主要調節因子，在OA軟骨細胞線粒體生物發生調節網絡中，PGC-1α位居中央，通過接受上游分子的調節信號，傳遞給下游分子發揮效應[27]。因此，為探求線粒體生物發生對OA軟骨細胞的作用及機制，研究PGC-1α是必不可少的。與正常軟骨細胞對比，在人OA軟骨細胞中PGC-1α表達降低，線粒體生物發生過程受到抑制，調高PGC-1α表達和活性會顯著促進線粒體生物發生，增加mtDNA含量和線粒體容量，能一定程度恢復線粒體功能[9]。目前已發現的能夠調節PGC-1α表達和活性的信號分子主要有AMPK、SIRT1、SIRT3，提高以上分子活性均可激活PGC-1α，進而激活NRF-1、NRF-2等下游分子，提高線粒體生物發生，減少氧化應激，限制OA疾病進展[9，25，28-29]。
2.2 AMPK
AMPK是存在于幾乎所有真核細胞中的激酶，也是重要的能量感受器[30]。AMPK是細胞中調節代謝的關鍵分子，被激活后通過磷酸化多種途徑的關鍵蛋白，增加分解代謝并降低合成代謝[31]。AMPK在調節脂質穩態及線粒體穩態等多方面具有重要作用，和多種與細胞能量失衡及衰老相關的疾病有牽連，如癌癥、心血管疾病、阿爾茲海默癥及OA[32-34]。不僅如此，還可通過抑制氧化應激、NF-κB通路對軟骨細胞應激反應發揮抗炎作用[35]。研究發現在OA軟骨細胞中AMPK活性降低，線粒體生物發生受損，誘導關節軟骨退變，最終引起OA[30，36-37]。線粒體生物發生是調節軟骨細胞線粒體穩態的重要環節，OA軟骨細胞中線粒體生物發生受損可通過激活AMPK-SIRT-1-PGC-1α通路逆轉[9]。Chen等[36]報道輕微軟骨退化的年輕C57BL/6雄性小鼠與年長C57BL/6雄性小鼠相比，AMPKα的磷酸化明顯喪失，表明AMPK活性降低可能是與衰老相關OA發生發展的一個關鍵因素。
2.3 SIRTs
SIRTs是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴的去乙酰化酶，包括SIRT-1～SIRT-7，分布于整個細胞。其中SIRT-3、SIRT-4及SIRT-5位于線粒體，調節線粒體的代謝和呼吸作用。OA軟骨細胞中SIRT-1表達水平低于正常軟骨細胞，此外敲除SIRT-1后會提高人基質金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinases 13，MMP-13）和軟骨細胞凋亡標志物表達，加速軟骨損傷[38]。SIRT-1存在于細胞核中，雖不能直接影響線粒體功能，但可通過去乙酰化PGC-1α廣泛參與代謝控制和線粒體生物發生[39-40]。最新研究表明[41]，槲皮素可通過激活SIRT-1-PGC-1α途徑激活線粒體生物發生，改善膠原誘導的小鼠關節炎。SIRT-3是第一個被證明位于線粒體的SIRTs，維持著超過136個線粒體蛋白質的乙酰化狀態和活性[42-45]。近來研究表明SIRT-3是軟骨細胞代謝的調節因子，可維持線粒體正常功能和穩態[44，46]。OA軟骨細胞中SIRT-3水平顯著減少，敲除軟骨細胞中SIRT-3基因可誘導線粒體功能障礙，且SIRT-3基因敲除小鼠OA癥狀表現重于正常小鼠[26，36，47]。Torrens-Mas等[48]發現在乳腺癌細胞中SIRT-3基因敲除后，PGC-1α表達水平下降，線粒體生物發生被抑制。這一結果表明SIRT-3通過PGC-1α通路對線粒體生物發生產生影響，然而這一作用機制在OA軟骨細胞中尚不清楚，還需更多研究明確。
2.4 核轉錄因子
mtDNA復制和表達依賴于核轉錄因子，包括NRF-1、NRF-2、線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）等。NRF-1和NRF-2接受PGC-1α刺激活化，結合線粒體轉錄因子的啟動子，激活下游分子TFAM和線粒體轉錄因子B（mitochondrial transcription factor B，TFBM）表達參與線粒體生物發生[49-51]。TFAM是專門調節mtDNA的核轉錄因子，可轉移到線粒體中促進mtDNA復制和表達。OA軟骨細胞中TFAM基因表達水平與正常軟骨細胞相比存在明顯差異，可能參與了OA的治病過程[52]。TFAM基因敲除小鼠表現為胚胎致死和mtDNA缺失，同時過量表達TFAM的轉基因小鼠表現為mtDNA拷貝數目增加，證實了該蛋白在哺乳動物中維持mtDNA的作用[53-54]。目前也有研究表明，足夠數量的TFBM對于正常線粒體生物發生是不可或缺的[55-56]。TFAM能夠調節mtDNA總拷貝數，保持mtDNA的完整和穩定，TFBM可以提高mtDNA轉錄增加線粒體生物發生[44]。既往研究表明[50]，相比于NRF-2，NRF-1在激活TFAM中起主要作用。NRF-1的顯性抑制等位基因可阻斷PGC-1α對線粒體生物發生的作用，為NRF-1依賴途徑提供了體內證據[57]。有研究發現，NRF-2在線粒體生物發生中同樣起著不容忽視的作用[58]。Suliman等[59]發現在大鼠肝臟細胞內細菌脂多糖能夠誘導提高NRF-1表達水平和活性，并且NRF-2、TFAM表達同樣增加，線粒體生物發生被激活。Mattingly等[60]發現在MCF-7乳腺細胞中雌二醇可誘導NRF-1、TFAM表達增加，進而激活細胞線粒體生物發生。目前尚無通過調控OA軟骨細胞核轉錄因子來調控線粒體生物發生的研究。在OA軟骨細胞中，由于PGC-1α活性及表達降低，NRF-1、NRF-2及TFAM的表達水平相比于正常軟骨細胞均降低[9]。核轉錄因子受上游分子調控，許多研究選擇通過AMPK/SIRT-1/SIRT-3-PGC-1α途徑激活PGC-1α，進而激活下游分子即NRF-1、NRF-2及TFAM來調控線粒體生物發生[9, 25, 44]。
2.5 ERRα
孤兒核受體家族包括ERRα、ERRβ及ERRγ，與線粒體生物發生有關的主要是ERRα。現有研究表明，ERRα不僅與脂質代謝有關，還與PGC-1α誘導的線粒體生物發生有關[61-62]。Schreiber等[63]研究首次發現ERRα是PGC-1α的效應分子，能夠調控氧化磷酸化和線粒體生物發生。抑制ERRα會抑制PGC-1α誘導線粒體蛋白質表達和mtDNA復制的能力[63]。ERRα還可以直接控制NRF-2的表達[64]。還有研究發現PGC-1α可以通過招募ERRα作用于SIRT3的啟動子來促進SIRT3的表達[44]。近年研究發現ERRγ同樣可以通過PGC-1α調節線粒體生物發生[65]。目前ERRα或ERRγ在OA軟骨細胞線粒體生物發生的作用尚無研究闡明。
3 線粒體生物發生在OA發病機制中的后續研究方向及應用前景
軟骨細胞線粒體生物發生參與了OA發病過程，線粒體生物發生過程涉及到的關鍵調節分子（如AMPK、SIRT-1、PGC-1α）是保護軟骨細胞、防止細胞功能障礙和軟骨發生損傷不可或缺的。因此，探明OA軟骨細胞中線粒體生物發生失調的機制，可能有助于發現能夠限制OA進程的臨床干預措施。目前，線粒體生物發生的調節機制主要由以PGC-1α為中心的調節網絡構成，并發現了一些藥物和生物活性成分，通過改善軟骨細胞線粒體生物發生來減輕軟骨損傷。Li等[66]發現網膜素-1可通過上調細胞內PGC-1α表達，調控軟骨細胞線粒體生物發生，最終限制OA進展；Masuda等[67]發現蘋果原花青素具有同樣作用。Wang等[68]和Chen等[69]報道葛根素和梓醇分別通過AMPK-PGC-1α通路和CREB-PGC-1α通路調控軟骨細胞線粒體生物發生，可用于治療或緩解OA。此外，研究發現[70-71]在神經細胞中白藜蘆醇可通過PGC-1α激活線粒體生物發生，改善神經細胞損傷，但其在OA軟骨細胞中的作用尚未證實。同時，還有研究發現二甲雙胍通過AMPK通路限制OA的進展[72]。但二甲雙胍是否在軟骨細胞的線粒體生物發生中發揮潛在作用以改善OA，仍需深入研究。目前研究中對軟骨細胞線粒體生物發生的調控都需要上調PGC-1α表達和活性，引起線粒體生物發生增加，進而限制OA進展。但需要注意的是，過度增加線粒體生物發生會適得其反。線粒體功能是一個整體，如果沒有其他質量控制機制的平衡，過度增加線粒體生物發生會導致耗氧量增加和氧化應激[9]。
另外根據多個研究發現，AMPK和SIRT-3之間可能存在一定聯系。Petursson等[73]報道了LKB1是軟骨細胞中激活AMPK的主要激酶，LKB1敲除后幾乎阻斷了軟骨細胞中AMPK的活化。Zhang等[74]報道了在人神經母細胞瘤中活化的SIRT-3將LKB1去磷酸化激活，繼而提高了AMPK的活性。軟骨細胞中的AMPK在能量缺乏時被磷酸化激活，被激活的AMPK促進了三磷酸腺苷的產生并增加了細胞內NAD+水平，最終激活了SIRT-3，并且下調AMPK表達后，SIRT-3的表達和活性降低[36]。因此，有理由認為AMPK和SIRT-3之間存在某種聯系，這種聯系通過軟骨細胞線粒體生物發生在OA發生中發揮的作用尚不得而知，可能成為OA治療的潛在靶點。
4 總結
近年線粒體功能障礙被認為是OA發生的重要機制，線粒體生物發生是維持線粒體正常數量和功能的主要過程之一，因此軟骨細胞線粒體生物發生機制可能是OA治療的潛在干預靶點。目前已發現PGC-1α是線粒體生物發生的關鍵調控因子，并大致形成了以PGC-1α為中心，AMPK、SIRT及CREB等為主要上游調控分子，NRF-1、ERRα、NRF-2等為主要下游調控分子的正、負反饋調控網絡，但OA軟骨細胞線粒體生物發生的調控研究較少，作用機制還有待進一步深入探索。現有研究表明激活OA軟骨細胞中受損的線粒體生物發生可延緩OA發展，且已發現如葛根素、人網膜素-1等可通過調控軟骨細胞線粒體生物發生抑制OA發展。因此，進一步探索調控軟骨細胞線粒體生物發生的相關機制及研發靶向調控策略具有重要臨床意義。
作者貢獻：斯海波、沈彬負責綜述設計、構思及修改；周圣梁負責撰寫文章；彭琳博負責收集資料和查閱文獻，對文章結構、邏輯提供建議。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。項目經費支持沒有影響文章觀點。
