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HDAC6调控骨髓间充质干细胞成骨-成脂分化研究进展

2025-04-07 116 上传者：管理员

摘要：骨髓间充质干细胞是人体内具有多向分化功能的细胞,在骨代谢和骨稳态调节过程中发挥着极为重要的作用｡骨髓间充质干细胞分化是一个多机制协同调控的复杂过程,组蛋白去乙酰化酶6(histonedeacetylase6,HDAC6)与骨髓间充质干细胞分化功能密切相关,并通过影响Runx2､Osx､PPAR-γ和C/EBPα的表达水平,调节下游信号通路,调控骨髓间充质干细胞的成骨-成脂分化｡笔者就HDAC6调控骨髓间充质干细胞成脂分化和成骨分化的相关机制进行综述｡

关键词：
成脂分化
成骨分化
组蛋白去乙酰化酶6
股骨头坏死
骨髓间充质干细胞
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骨骼发育是极为复杂的过程,影响着骨质疏松症､股骨头坏死等诸多疾病的发生,骨髓间充质干细胞(bonemarrowmesenchymalstemcells,BMSCs)作为调节骨重建的关键靶细胞,受到学者广泛关注｡BMSCs具有多向分化潜能,在某些诱导条件下能够分化为脂肪细胞和成骨细胞｡关于BMSCs分化的调节机制,学者持有不同观点,如铁过载学说､焦亡学说､胞葬学说等,且大量研究已分别对BMSCs成脂分化及成骨分化的相关机制进行了深入的挖掘和详细的阐述｡随着分子生物学的发展,学者对BMSCs分化功能有了更加透彻的认识,发现组蛋白乙酰化及去乙酰化修饰是影响BMSCs分化的关键机制,而组蛋白去乙酰化酶6(histonedeacetylase6,HDAC6)作为组蛋白去乙酰化酶家族(histonedeacetylases,HDACs)内的特殊成员,在BMSCs分化过程中起着重要作用｡基于此,深入探讨HDAC6对BMSCs成骨⁃成脂分化的影响机制,对调节骨代谢､防治相关骨科疾病具有重要意义｡

1、HDAC6概述

HDACs是一类从组蛋白和非组蛋白的N⁃乙酰化赖氨酸残基上弃除乙酰基团的酶家族[1],其主要功能是调控转录和蛋白质修饰,参与各种生命活动中,与诸多疾病的发生发展密切相关｡目前已发现哺乳动物有18个HDACs亚型[2],根据其与酵母菌序列的同源性分为Zn2+依赖性(Ⅰ类､Ⅱ类和Ⅳ类)和NAD依赖性(Ⅲ类)酶｡HDACs与组蛋白乙酰基转移酶(histoneacetyltransferases,HATs)竞争性调节组蛋白乙酰化水平,是组蛋白翻译后修饰的关键调节因子[3]｡近年研究发现HDACs在BMSCs成骨⁃成脂分化过程中发挥重要作用｡Fu等[4]发现HDAC8能够调控组蛋白H3赖氨酸9(H3K9)乙酰化,抑制Runx2表达,从而使BMSCs成骨分化受阻｡Yeo等[5]通过剔除HDAC3发现Runx2+BMSCs培养基中脂滴形成,导致骨质流失并促进BMSCs成脂分化｡由于大多数HDACs中存在Zn2+依赖性特质,HDACs抑制剂通常占据Zn2+结合位点的催化核心来抑制HDACs的表达,从而发挥调节细胞增殖､分化功能[6]｡HDAC6是HDACsⅡb亚族的一员,主要存在于细胞质,共含有1215个氨基酸[7],是唯一拥有Ⅰ､Ⅱ类HDAC同源结构域重复的物质;HDAC6的结构包括活性催化脱乙酰酶结构域(CD1､CD2)､C末端锌指泛素结合蛋白结构域(ZnF⁃UBP)､核输出序列(NES1)､核定位序列(NLS)和细胞质锚定结构域(SE14)[8⁃9],在CD1和CD2之间存在动力蛋白运动结合区,能够控制HDAC6移位｡HDAC6有多种靶蛋白,例如α⁃微管蛋白(α⁃tubulin)､热休克蛋白90(HSP90)､肌动蛋白(Cortactin)､热休克转录因子⁃1(HSF⁃1)和过氧化物还原蛋白Ⅱ(PrxⅡ)等[10⁃12]｡相关研究表明,HDAC6能够作为适配器,将货物蛋白锚定在动力蛋白上,驱动货物沿微管运输[13]｡HDAC6是维持骨稳态､调控骨重塑的关键因子｡Rimando等[14]发现糖皮质激素(glucocorticoids,GC)与其受体(GR)结合后,需要与HDAC6锚定形成HDAC6⁃GR复合体才能将其转运至细胞核内,发挥调控BMSCs增殖分化的作用｡Li等[15]发现高剂量硅酸盐抑制HDAC6后能够提高BMSCs活性表达,通过siRNA干预HDAC6活性使α⁃tubulin表达上调,微管结构部分恢复,自噬体累积量减少,表明HDAC6过表达可以调控α⁃tubulin去乙酰化导致微管失稳,影响BMSCs活性｡Xu等[16]通过缺氧诱导FOXO1⁃HDAC6复合物解离并在细胞核中集聚,采用免疫组化检测HDAC6表达水平,发现大鼠缺氧后HDAC6活性升高,成骨分化减弱,证明HDAC6过表达会抑制BMSCs分化为成骨细胞｡Vrtacˇnik等[17]通过分析96例患者骨小梁样本中受氧化应激及缺氧刺激后HDAC6的表达水平,发现绝经后骨质疏松症和骨关节炎患者与对照组相比其表达显著下调,证明HDAC6是促进骨形成的关键靶点｡Yu等[18]通过CCK8法检测发现HDAC6抑制剂WT⁃161明显抑制骨肉瘤细胞生长､增殖及侵袭,并诱导细胞凋亡,导致G1/S周期阻滞,能够有效治疗骨肉瘤｡本团队前期研究证实,HDAC6表达上调后能够促进HSP90去乙酰化,介导细胞质内糖皮质激素受体α(GRα)沿着微管进行核转运,使BMSCs成骨⁃成脂分化失衡,进而导致激素性股骨头坏死的发生发展[19⁃20]｡因此,HDAC6靶向调节骨稳态､防治骨科疾病发挥着关键作用｡

2、HDAC6与BMSCs成骨分化HDAC6的表达水平

与BMSCs成骨分化密切相关,主要通过调控Runx2和Osterix(Osx)影响其成骨分化能力｡前成骨细胞包括从祖细胞向成熟成骨细胞过渡的所有细胞,通常前体成骨细胞所需的特异性转录因子包括Runx2及其下游调节因子Osx(也称为SP7),二者积极参加成骨细胞谱系分化的多个阶段[21]｡Runx2是HDAC6调控BMSCs成骨分化过程中的关键因子｡Runx2也称为核心结合因子α1(Cbfa1),是Runt转录因子同源家族的成员[22],对调节成骨细胞分化､促进骨形成具有重要意义｡Runx2表达上调标志着成骨分化的正式开始,引导BMSCs向成骨细胞分化,同时也抑制其分化为脂肪细胞和软骨细胞｡因此,Runx2是调节成骨的关键靶点,通过HDACs调控Runx2的表达能力影响BMSCs成骨分化已成为研究热点｡研究发现HDAC6可以和Runx2羧基末端特异识别后产生相互作用,并将其从细胞质招募到染色质以调节转录及活性[23]｡在人体骨骼发育过程中表皮生长因子受体(EGFR)信号通路通过上调HDAC6以降低Runx2在骨细胞内的含量｡因此,Zhu等[24]通过表皮生长因子(EGF)干预EGFR信号通路发现HDAC4和HDAC6表达明显上调,进而抑制Runx2启动子p1的活性及蛋白表达,说明HDAC6可以通过干预EGFR信号通路来调控Runx2的表达｡同时,BMSCs早期分化为成骨细胞和前成骨细胞时,Runx2的p21启动子表达也能被HDAC6所抑制,使其成骨分化过程受阻[25]｡Yan等[26]发现miR⁃22过表达使牙周韧带干细胞(PDLSCs)中HDAC6蛋白含量减少,成骨指标Runx2和骨桥蛋白(OPN)表达上调,进一步证实了过表达的miR⁃22能抑制HDAC6活性,促进PDLSCs成骨分化,可以有效治疗牙周炎｡Ma等[27]通过染色质免疫沉淀(ChIP)结果发现18个月龄小鼠BMSCs内Runx2启动子中HDAC6显著积累并介导组蛋白去乙酰化后抑制Runx2表达,导致BMSCs成骨分化能力减弱;然后通过妥巴他汀A(HDAC6抑制剂)处理老年小鼠后发现Runx2表达上调和体外成骨分化能力部分得到恢复｡Othman等[28]发现Runx2能抑制HDAC6与α⁃tubulin的相互作用,导致微管乙酰化和稳定性增加,临床上作为骨转移性肿瘤的治疗靶点｡因此,HDAC6可以通过调节Runx2及其启动子表达水平和EGFR信号通路影响BMSCs成骨分化｡当抑制HDAC6活性后使Runx2表达升高,促进BMSCs分化为成骨细胞的潜力｡Osx同样在HDAC6对BMSCs成骨分化的调控过程中发挥着重要作用｡Osx含有3个C2H2型锌指家族转录因子,是成骨细胞分化所必需的关键因子[29]｡由骨形态发生蛋白2(BMP2)通过上调无远端同源盒5(Dlx5)诱导Osx表达,并在Runx2下游控制功能性成骨细胞的分化､成熟[30],刺激诱导成骨细胞所必需的相关因子,对成骨分化和骨形成至关重要｡一方面,Osx通过乙酰化提高了与OPN､I型胶原蛋白a1(Col1a1)､骨唾液蛋白(BSP)､骨钙素(OCN)等成骨标志物相结合,并作用于下游靶点以调控成骨细胞的分化､成熟,如整合素β3､Dickkopf蛋白1(Dkk1)､硬化蛋白(Sost)[31];另一方面,Osx通过参与调控破骨细胞分化,进而抑制骨吸收以维持骨稳态,如活化T细胞核因子1(NFATc1)[31]､白介素⁃10(IL⁃10)[32]｡Wang等[33]研究证明敲低HDAC6能够促进牙科间充质干细胞进行成骨分化,并发现抑制HDAC6后出现矿化结节､Osx表达明显升高,同时通过慢病毒恢复HDAC6的活性后发现Osx表达降低,说明HDAC6是调控成骨分化的关键因子｡Wang等[34]同样认为HDAC6参与从间充质干细胞到成骨细胞的分化,并通过地塞米松(Dex)诱导MC3T3⁃E1细胞,发现经Dex处理后Osx表达下调,HDAC6表达升高,使用HDAC6抑制剂干预MC3T3⁃E1细胞后发现Osx活性增加,证实了抑制HDAC6可有效调节Osx表达,进而调控间充质干细胞成骨分化的过程｡因此,HDAC6能够通过影响Osx表达能力来调控BMSCs成骨分化｡

3、HDAC6与BMSCs成脂分化应用

大量激素､衰老等多种因素导致BMSCs三系分化更倾向于分化为脂肪细胞,进而抑制成骨分化,导致骨⁃脂平衡失调｡脂肪生成主要是通过组蛋白乙酰化及去乙酰化调节PPAR⁃γ和CCAAT增强子结合蛋白α(C/EBPα)等转录因子共同作用的结果｡因此,HDAC6通过调控PPAR⁃γ､C/EBPα的表达水平,影响BMSCs成脂分化的能力｡PPAR⁃γ是HDAC6调控BMSCs分化为脂肪细胞过程中的重要调节因子｡PPAR⁃γ是配体激活转录因子核受体家族的成员,可以促进脂肪细胞的分化和成熟,调节脂肪细胞的代谢和凋亡,是调控BMSCs成脂分化的重要靶点[35]｡PPAR⁃γ是多向调控间充质干细胞成脂和成骨分化的分子开关,Jeon等[36]发现小鼠MC3T3⁃E1细胞中PPAR⁃γ表达十分活跃,而大鼠骨肉瘤细胞系ROS17/2.8不表达,并且PPAR⁃γ被激活后下调由Runx2介导的OCN表达,证明了PPAR⁃γ是成脂⁃成骨分化的重要调节因子｡而且PPAR⁃γ和C/EBPα相互调节形成脂肪生成的前馈环,通过表观遗传修饰调节以促进脂肪细胞生成｡然而,在脂肪细胞祖细胞中,二者通过表观遗传辅因子调控其表达来抑制脂肪分化,如蛋白精氨酸甲基转移酶6(PRMT6)过表达后,PPAR⁃γ和C/EBPα表达下调,抑制脂肪细胞生成[37]｡Gaculenko等[38]认为抑制PPAR⁃γ靶向脂肪生成可以降低脂肪细胞诱导的肿瘤骨转移的进展,通过双酚a⁃二甘油三酯(BADGE)干预HFD小鼠后PPAR⁃γ表达明显下调,证明通过抑制PPAR⁃γ表达活性可以防止癌症引起的骨破坏｡同时HDAC6也能通过激活PI3K/AKT信号通路促使PPAR⁃γ的表达和转录[39],最终诱导骨髓间充质干细胞成脂分化｡黄珊[40]认为HDAC6能够通过介导miR⁃22的表达正向调控人脂肪源间充质干细胞(hADMCSs)成脂分化,发现成脂分化中HDAC6mRNA和蛋白表达均上调,通过RANi抑制HDAC6活性后脂肪细胞形成减慢,无明显脂滴存在,并明显下调PPAR⁃γ的表达,说明miR⁃22过表达和抑制HDAC6均下调PPAR⁃γmRNA和蛋白表达,进而调控BMSCs成脂分化｡因此,通过HDAC6调控PPAR⁃γ的表达是影响BMSCs成脂分化的重要途径｡C/EBPα是HDAC6调控BMSCs成脂分化的关键调节因子｡C/EBPα是脂肪生成转录家族因子之一,促使前体细胞分化为成熟的脂肪细胞｡Guo等[41]发现脂质超载条件下C/EBPα表达上调,RTN3表达明显增加,证明了C/EBPα参与脂肪细胞的分化和成熟,并正向调节RTN3的表达以调节脂肪细胞代谢过程｡Huang等[42]认为H19､miR⁃675能靶向下调HDAC6表达使BMSCs成脂分化受阻,通过RNA干预敲低HDAC6活性,发现BMSC成脂分化被抑制,同时PPAR⁃γ､C/EBPα的mRNA和蛋白表达明显降低,证明了HDAC6在BMSCs成脂分化起着重要作用｡Lv等[43]证实了HDAC抑制剂TSA(曲古抑菌素A)能够抑制脂肪生成,通过DMI诱导3T3⁃L1细胞进行脂肪分化,发现PPAR⁃γ､C/EBPα等因子表达上调,表明HDAC抑制剂对脂肪细胞生成存在抑制作用｡总之,HDAC6在脂肪细胞分化过程中的表达明显升高,通过上调C/EBPα分子水平以促进BMSCs成脂分化｡

4、小结与展望

成脂分化和成骨分化是一个相互调节､相互抑制的过程,随着对BMSCs成骨⁃成脂分化中的作用机制研究的不断深入,发现组蛋白乙酰化及去乙酰化修饰是影响BMSCs分化的关键机制｡因此,深入研究HDAC6通过靶向调控Runx2､Osx､PPAR⁃γ､C/EBPα表达水平对BMSCs成骨⁃成脂分化的作用机制,可能是调节成骨⁃成脂分化失衡的重要靶点｡然而,仍存在一些问题尚未阐释清楚,如:HDAC6参与BMSCs分化过程中具体分子调控机制尚不够系统和完善,仍需通过多角度､多途径､多靶点的研究验证;Runx2和PPAR⁃γ相互抑制,是否直接影响HDAC6调控BMSCs成骨⁃成脂分化也尚未证实｡若能把HDAC6作为BMSCs成骨⁃成脂分化的关键环节,并围绕Runx2､Osx､PPAR⁃γ､C/EBPα等相关指标进行更深入的研究,必将为骨代谢相关疾病的早期诊断和规范治疗开拓新的路径｡

参考文献:

[2]付祖荣.HDAC6降低通过激活内质网应激介导的成骨通路促进主动脉瓣膜钙化[D].杭州:浙江大学,2018.

基金资助:国家自然科学基金(82160915,81860859);兰州市科技局项目(2022-3-23);甘肃中医药大学附属医院院内青年项目(gzfy-2021-12);

文章来源:拦玉鑫,曹林忠,刘德孙,等.HDAC6调控骨髓间充质干细胞成骨-成脂分化研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2025,31(04):570-574.