线粒体质量控制在骨性关节炎软骨细胞的调控作用△

钟闻，黄华，沈彬，斯海波*

（1.四川大学华西医院骨科，四川成都 610041；2.川北医学院附属医院骨科，四川南充 637000）

骨性关节炎（osteoarthritis,OA）是一种以关节软骨退变为核心特征的关节病，而软骨退变与软骨细胞衰老及其介导的代谢失衡密切相关，抑制软骨细胞衰老或清除衰老软骨细胞（senescent chondrocytes,SnCCs）可有效延缓OA 进展［1，2］。乙酰化/去乙酰化是线粒体质量控制（mitochondrial quality control,MQC）的核心机制之一，主要由去乙酰化酶（sirtuin,SIRT）介导。近年发现MQC 失衡与OA 软骨细胞衰老及软骨退变密切相关，主要的线粒体去乙酰化酶SIRT1/3 在正常及OA 软骨细胞中存在差异表达并参与OA 软骨细胞MQC 失衡及衰老调控［3］。本文将从SIRT1/3 及细胞衰老角度对MQC 在OA 软骨细胞的调控作用做一综述，以期为后续OA 发病机制及治疗策略研究整理思路和潜在靶点。

1 软骨细胞衰老及其介导的代谢失衡是软骨退变持续进展的重要原因

目前全球OA 患者人数已超过3 亿，我国40 岁以上人群中原发性OA 的总体患病率已高达46.3%，带来巨大的经济和医疗负担［4］。虽然OA 的发病机制复杂且未完全阐明，但软骨退变的核心作用已得到公认。软骨细胞是软骨中唯一的细胞类型，对软骨稳态起决定性作用。软骨细胞死亡是软骨退变的关键机制之一，但部分OA 软骨细胞在死亡前先进入一种不可逆的生长停滞伴表型改变、但保持代谢活性的状态，称为细胞衰老［2，5］。Toh 等［6］在OA 病灶周围软骨中发现SnCCs，Xu 等［7］发现在小鼠关节腔注射自体衰老细胞可诱导OA 样改变，斯海波等［2］进一步证实了抑制软骨细胞衰老，可延缓大鼠OA 进展。

SnCCs 虽保持代谢活性，但表现为衰老相关分泌表型 （senescence- associated secretory phenotype,SASP），伴随一系列行为改变。由于丧失了对胰岛素样生长因子I、转化生长因子β、骨形态发生蛋白6等多种代谢信号的应答，SnCCs 维持及重塑软骨稳态的能力减弱［2，6，7］。SASP 还可导致细胞外基质（extra-cellular matrix,ECM）合成减少，而多种炎性因子、基质降解酶、血管内皮生长因子等分泌增加，促进ECM 降解、软骨下骨硬化和骨赘形成。同时，SASP 分泌的各种刺激因子可诱导邻近细胞衰老并形成恶性循环，这被认为是即使初始刺激因素消除后软骨细胞衰老仍然持续发生、软骨退变仍持续进展的重要机制［2，7］。

此外，OA 早期软骨损伤程度轻且多局限在软骨表层区域，若能尽早修复，或许可阻止、延迟甚至部分逆转OA 进展。结合细胞衰老的不可逆性、SASP可诱导衰老恶性循环等特点，早期抑制软骨细胞衰老对OA 治疗或许更有价值。近年多项研究提示线粒体功能异常参与软骨细胞衰老及软骨退变发生发展，为OA 发病机制及治疗策略探索提供了新的切入点。

2 MQC 失衡是OA 软骨细胞衰老的重要特征和潜在诱因

线粒体形态和功能异常与多种细胞损伤及包括OA 在内的增龄相关疾病有关。MQC 是机体在长期进化过程中形成的一套完善的线粒体调控机制，可对线粒体的形态、数量和质量进行多维调控以维持细胞内稳态，主要包括氧化应激（oxidative stress,OS）、生物发生、动力学及线粒体自噬等过程。近年发现MQC 失衡与OA 软骨细胞衰老密切相关。

2.1 线粒体OS 与软骨细胞衰老

线粒体氧化磷酸化过程是活性氧类（reactive oxygen species,ROS）的主要来源，ROS 过量产生并超出细胞抗氧化防御能力可引起OS 损伤，其中衰老相关异染色质堆积触发的DNA 损伤反应可诱导细胞衰老并引起细胞/组织的结构性和功能性损伤［8］。已有研究证实，退变软骨组织中有过量ROS 产生，而且ROS 堆积又可诱导软骨细胞衰老并促进OA 进展［9］。多种抗氧化酶可清除ROS，其中具有线粒体特异性超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2,SOD2）不仅是软骨细胞内清除ROS 的主要抗氧化酶，同时还可抑制OA 软骨细胞衰老［10］，是探索OA 软骨细胞线粒体OS 与衰老交互作用的关键靶点之一。

2.2 线粒体生物发生与软骨细胞衰老

线粒体生物发生是细胞内形成新线粒体的过程，受核基因和线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）共同调控。IL-1β 和TNF-α 可改变mtDNA 的完整性，而mtDNA 损伤会上调基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）水平，并通过激活OS 诱导软骨细胞衰老及ECM 降解［11］。过氧化物酶体增殖体激活受体γ 共激活剂1α（peroxisome proliferatoractivated receptor γ coactivator,PGC-1α）是线粒体生物发生的主要调控因子，其表达升高与线粒体生物发生增加相关［12］。线粒体生物发生受损是OA 软骨细胞的核心特征之一，而激活PGC1α 可得到明显改善［13］。同时，多项研究发现线粒体生物发生与细胞衰老密切相关，且受PGC1α 调控，但不同细胞/疾病模型间的结果差异大，甚至相反［14，15］，且在软骨细胞中暂无相关报道。

2.3 线粒体动力学与软骨细胞衰老

线粒体动力学通过形成高度连通的管状网络并处于高度融合-分裂的动态过程多重调控其形态、数量、质量及功能［16］。线粒体动力学紊乱是线粒体功能障碍和细胞死亡的重要诱因，目前认为线粒体分裂可加速软骨细胞死亡，而线粒体融合对软骨细胞起一定保护作用［17］。具有GTP 酶活性的视神经萎缩相关蛋白1（optic atrophy protein-1,OPA1）是线粒体动力学的关键调控蛋白，也是线粒体动力学紊乱和功能障碍的重要交汇点，其表达上调可改善软骨细胞线粒体动力学［18］。此外，有研究报道，OPA1 与细胞衰老密切相关［19］，但在OA 软骨细胞衰老中暂无报道，值得进一步探索。

2.4 线粒体自噬与软骨细胞衰老

细胞通过自噬机制选择性地清除损伤线粒体的过程被称为线粒体自噬，该过程有利于保持线粒体数量和质量稳定以及维持线粒体功能、细胞内环境稳态和促细胞存活。软骨细胞线粒体自噬功能失调与OA 发生发展之间的密切关系已被广泛证实［20］。最近两项研究均报道激活线粒体自噬可抑制软骨细胞衰老［21,22］。PARKIN 是当前关注较多的线粒体自噬调控因子，在软骨细胞线粒体自噬稳态维持中发挥重要作用［23］。同时，PARKIN 介导的线粒体自噬激活也可抑制OA 软骨细胞衰老［24］，提示PARKIN 是探索软骨细胞线粒体自噬与衰老交互作用的重要切入点。

3 SIRT1/3 对软骨细胞MQC 的调控作用

3.1 SIRT1/3 对软骨细胞线粒体OS 的调控作用

既往研究证实乙酰化/去乙酰化是线粒体功能的关键调控方式之一，SIRT1/3 是最主要的去乙酰化酶，对细胞代谢状态高度敏感，在翻译后水平调控多种线粒体蛋白/酶活性，从而调节线粒体OS。OA 相关炎症介质抑制软骨细胞线粒体氧化磷酸化并促进ROS 生成和OS 激活，导致抗氧化酶SOD2 被过度消耗［25］。SIRT3 可通过增强SOD2 抗氧化活性并降低线粒体ROS 来保护线粒体免受OS 损伤［26］。激活AMPK-SIRT3 通路也可通过增强SOD2 活性而降低线粒体OS［27］。同时，SIRT1 也可抵抗OS 损伤诱导的软骨细胞死亡［28］。

3.2 SIRT1/3 对软骨细胞线粒体生物发生的调控作用

OA 软骨细胞的SIRT1 表达较正常软骨细胞降低，且与PGC-1α 的乙酰化增加有关［13］。激活SIRT1/PGC-1α 途径可促进线粒体生物发生，并逆转OA 软骨细胞线粒体功能损伤［13］。软骨细胞中的AMPK 在能量缺乏时通过磷酸化被激活，然后可促进ATP 生成并激活SIRT3［27］。SIRT3 水平在OA 以及IL-1β/TNF-α 干预的软骨细胞中均降低，SIRT3 敲除可引起软骨细胞线粒体功能障碍，而SIRT3 激活可保护软骨细胞免受IL-1β/TNF-α 诱导的线粒体损伤［29,30］。此外，既往研究发现，SIRT1/3 均可上调AMPK 表达，提示AMPK 和SIRT1/3 具有形成正反馈环路并调控软骨细胞MQC 的潜力［31］，但具体机制还需进一步探索。

3.3 SIRT1/3 对软骨细胞线粒体动力学的调控作用

线粒体是一个动态的细胞器，可与周围的线粒体融合并分裂成子线粒体。在线粒体动力学过程中，过度的线粒体碎片化会导致mtDNA 突变，导致ATP 合成减少、ROS 产生过多、线粒体膜电位改变等，引起线粒体功能障碍［32］。SIRT3 可以通过c-Jun N-末端激酶信号通路激活OPA1 并抑制线粒体外膜蛋白Fis1 表达［24,33］。SIRT3 激活剂可通过AMPK-PGC-1α-SIRT3 途径增加OA 软骨细胞中线粒体动力学关键蛋白（如Drp1、Fis1 和MFN2）的表达［29］。虽然SIRT1 对软骨细胞线粒体动力学的调控作用已在多种疾病和细胞模型中被证实［34］，但在软骨细胞中暂无相关报道，值得进一步探索。

3.4 SIRT1/3 对软骨细胞线粒体自噬的调控作用

SIRT1 激活可通过调控自噬相关基因表达及哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）磷酸化水平触发下游自噬相关级联反应及自噬体形成［35］。在软骨细胞中，SIRT1 可通过AMPK/mTOR 信号通路调控线粒体自噬［36］。同时，SIRT3 也可通过调控PARKIN 依赖的线粒体自噬促进软骨细胞存活［37］。在糖尿病心肌细胞中，SIRT3 可通过去乙酰化FoxO3A 激活线粒体自噬，而SIRT3 缺乏可损害线粒体自噬并诱导细胞衰老［38］，但这在软骨细胞中暂无报道。因此，SIRT3 是否也可通过FoxO3APARKIN 轴调控OA 软骨细胞线粒体自噬及衰老也是后续机制研究的良好切入点。

4 重塑OA 软骨细胞MQC 稳态的潜在策略

MQC 作为维持线粒体及细胞内环境稳态的新兴机制，近年证据表明重塑软骨细胞MQC 稳态是抑制OA 的潜在策略。SIRT1/3 是调控线粒体功能的主要去乙酰化酶，下面将以此为切入点总结重塑软骨细胞MQC 稳态的潜在策略。

4.1 基于SIRT1 的OA 软骨细胞MQC 稳态重塑策略

大量研究表明靶向调控SIRT1 是重塑OA 软骨细胞MQC 稳态、抑制软骨细胞衰老及延缓OA 进展的潜在策略。比如，槲皮素通过AMPK/SIRT1 通路减少软骨细胞内ROS 堆积及恢复线粒体膜电位，保护线粒体功能、抑制软骨细胞衰老并延缓OA 进展［39］；17β-雌二醇通过SIRT1 介导的AMPK/mTOR通路增强软骨细胞线粒体自噬，维持软骨稳态及抑制OA［36］；花椒毒素通过SIRT1/NF-κB 轴在OA 软骨中发挥抗炎和抗OS 作用［40］。同时，成纤维细胞生长因子21 可通过SIRT1/mTOR 通路延缓OA 软骨细胞衰老、凋亡及ECM 降解［41］，葡萄籽原花青素可通过DPP4-SIRT1 途径抑制软骨细胞衰老和凋亡并延缓OA 进展［42］，水飞蓟素可通过SIRT1 途径修复软骨细胞线粒体活性并延缓软骨细胞衰老［43］。

4.2 基于SIRT3 的OA 软骨细胞MQC 稳态重塑策略

软骨细胞SIRT3 缺乏与OA 发生发展密切相关，直接上调SIRT3 可通过AMPK 途径抑制OA 软骨细胞线粒体OS、激活线粒体自噬并改善mtDNA 的完整性和功能［27］。同时，多种药物、分子及基因可通过SIRT3 调控软骨细胞MQC 及衰老。比如，SIRT3 激活剂二氢杨梅素可维持软骨细胞线粒体稳态并抵抗软骨退化［29］、二甲双胍可通过SIRT3 介导的PINK1/PARKIN 依赖性线粒体自噬途径抑制IL-1β 诱导的软骨细胞线粒体OS 和OA 炎性改变［44］、circFAM160A2可通过靶向调控SIRT3 促进软骨细胞线粒体稳定并减少细胞凋亡［45］。同时，泛素特异性蛋白酶3 可通过SIRT3 抑制IL-1β 介导的软骨细胞衰老［46］。因此，靶向调控SIRT3 也是重塑OA 软骨细胞MQC 稳态及抑制软骨细胞衰老的重要策略。

5 总结与展望

综上所述，软骨细胞衰老及其介导的代谢失衡是软骨退变持续发生的重要原因之一，而MQC 失衡是OA 软骨细胞衰老的重要特征和潜在诱因。SIRT1/3是调控软骨细胞MQC 的主要去乙酰化酶，也是重塑OA 软骨细胞MQC 稳态、抑制软骨细胞衰老及延缓OA 进展的重要靶点。本文虽然从SIRT1/3 及细胞衰老角度总结了MQC 在OA 软骨细胞的关键调控作用，但涉及具体机制仍远未阐明，后续深入研究这些问题将有助于丰富OA 发病机制理论并为OA 治疗策略研究提供了新的思路和靶点。

利益冲突在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；课题经费没有影响文章观点。

作者贡献声明钟闻、黄华：文献检索、资料归纳整理和文章撰写；沈彬、斯海波：综述设计及逻辑把控。