线粒体“甜甜圈”与成骨作用

撰文 | 十一月

线粒体是高度动态变化的细胞器，可以通过不断发生融合和分裂来影响细胞功能【1】。线粒体在成骨细胞中的作用曾被认为主要是作为细胞的矿物质来源，但是线粒体形态变化以及其生理作用还不得而知。

2023年2月7日，韩国首尔国立大学Yun-Sil Lee研究组在Cell Metabolism发文题为Mitochondrial fragmentation and donut formation enhance mitochondrial secretion to promote osteogenesis，发现线粒体通过分裂形成甜甜圈形状，从而从成骨细胞中分泌到胞外基质中，促进成骨祖细胞的分化成熟以及骨形成。

线粒体组分能够在骨基质中检测到说明线粒体以某种方式运输到细胞外调节成骨作用。为了对成骨作用用线粒体的形态变化以及生理功能进行研究，作者们首先希望纯化成骨细胞（Osteoblast，OB）。为此，作者们使用OB特异性Col1a1-Cre以及Igs1CKI-mitoGFP/+条件敲入型小鼠诱导GFP只在胞外基质的线粒体中表达。之后作者们将细胞进行分选并通过茜素红S 以及碱性磷酸酶ALP染色确定了细胞的成骨潜力。

在刺激成骨作用发生后，作者们发现细胞中线粒体出现显著的形态变化，逐渐断裂形成“甜甜圈”形状，在第七天达到峰值（图1）。随着成骨细胞诱导的进行，线粒体甜甜圈化逐渐降低，与此同时通过LysoTracker标记发现成骨细胞中溶酶体活性逐渐升高。进一步地，作者们发现线粒体以及线粒体囊泡会被释放到成骨细胞外基质之中。

图1 成骨细胞中线粒体形态变化

进一步地，作者们检测线粒体囊泡分泌的生物学功能，发现如果将线粒体以及线粒体囊泡进行分离并对早期阶段的成骨细胞进行处理能够促进体外成骨细胞的成熟。随后作者们在小鼠体内对分泌线粒体以及线粒体囊泡生理功能进行检测，发现在颅骨缺损情况下，线粒体以及线粒体囊泡的处理相较于对照组的PBS处理能够显著提高成骨作用。

最近有研究表明，CD38/cADPR/calcium信号通路会刺激线粒体在星形胶质细胞中向胞外释放【3】。为此，作者们对CD38/cADPR/calcium信号通路在成骨细胞中的作用进行检测，发现该信号通路会通过促进线粒体以及对线粒体囊泡的释放促进成骨祖细胞以及成骨细胞的分化和成熟。

因为线粒体片段化被报道与ATP的产生减少相关【3】，因此作者们对线粒体ATP的产生对成骨细胞成熟的影响进行检测。作者们发现通过siRNA改变线粒体ATP产生对于成骨活性的影响比对线粒体形态的影响更大，但是线粒体形态改变是成骨细胞成熟的指示器，比线粒体ATP的产生更为重要。

图2 工作模型

总的来说，作者们的工作首先使用成骨细胞特异性Col1a1-Cre基因工程小鼠纯化胞外基质存在线粒体组分的成骨细胞，从而能够对线粒体甜甜圈式的形态变化对于成骨细胞的影响进行研究。进一步地，纯化后的线粒体以及线粒体囊泡的处理分别在体外以及体内均能促进成骨细胞的成熟和分化。遗传操作敲低Opa1或过表达Fis1会增加线粒体分泌并加速成骨作用。该研究为成骨细胞成熟以及骨再生的治疗提供了新的思考。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.01.003

制版人：十一

参考文献

1. Mishra, P., and Chan, D.C. (2016). Metabolic regulation of mitochondrial dynamics. J. Cell Biol. 212, 379–387. https://doi.org/10.1083/jcb.201511036

2.  Hayakawa, K., Esposito, E., Wang, X., Terasaki, Y., Liu, Y., Xing, C., Ji, X., and Lo, E.H. (2016). Transfer of mitochondria from astrocytes to neurons after stroke. Nature 535, 551–555. https://doi.org/10.1038/nature18928

3. Liu, Y.J., McIntyre, R.L., Janssens, G.E., and Houtkooper, R.H. (2020). Mitochondrial fission and fusion: A dynamic role in aging and potential target for age-related disease. Mech. Ageing Dev. 186, 111212. https://doi.org/10.1016/j.mad.2020.111212