CELL DEATH DIFFER｜深圳市人民醫(yī)院彭松林/龍厚清研究團(tuán)隊(duì)揭示Foxk1通過(guò)誘導(dǎo)有氧糖酵解促進(jìn)骨形成
轉(zhuǎn)錄因子Foxk1可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、代謝，促進(jìn)骨骼肌再生和心臟發(fā)生。然而，F(xiàn)oxk1在骨形成中的作用尚不清楚。近期，深圳市人民醫(yī)院彭松林/龍厚清研究團(tuán)隊(duì)在Cell Death and Differentiation?(IF?13.7)?發(fā)文“Foxk1 promotes bone formation through inducing aerobic glycolysis”，研究結(jié)果表明Foxk1在成骨細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)和骨形成刺激中起著至關(guān)重要的作用，為預(yù)防年齡相關(guān)性骨質(zhì)流失提供了一種有希望的方法。
研究方法與結(jié)果
1、Foxk1正調(diào)控成骨細(xì)胞的分化和增殖
研究顯示，F(xiàn)oxk1與年齡相關(guān)性骨質(zhì)疏松和成骨有關(guān)。為確定Foxk1在成骨細(xì)胞中的內(nèi)在作用，研究團(tuán)隊(duì)使用siRNA敲低小鼠顱骨成骨細(xì)胞中的Foxk1，發(fā)現(xiàn)Foxk1的敲低降低了成骨標(biāo)志物基因的表達(dá)，包括Runx2、Osterix、Alp和骨鈣素(Ocn)；此外，siFoxk1處理的細(xì)胞Edu摻入和Ki67陽(yáng)性細(xì)胞百分比顯著降低，表明Foxk1是成骨細(xì)胞分化和增殖所必需的。隨后，研究人員構(gòu)建了前成骨細(xì)胞Foxk1缺失小鼠，分析發(fā)現(xiàn)Foxk1缺失導(dǎo)致骨量受損，BV、BV/TV和Tb降低，Tb.SP顯著升高，骨小梁面積和數(shù)量顯著減少且生物力學(xué)性能總體惡化。通過(guò)建立成熟成骨細(xì)胞Foxk1 缺失小鼠，觀察到了類似的結(jié)果。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明Foxk1正向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的功能和骨形成，并在體內(nèi)控制前成骨細(xì)胞和成熟成骨細(xì)胞的骨化和增殖。
敲低Foxk1抑制成骨細(xì)胞分化和增殖
2、Foxk1參與成骨細(xì)胞有氧糖酵解的調(diào)節(jié)
KEGG分析顯示Foxk1結(jié)合基因在糖酵解/糖生成信號(hào)通路中顯著富集，包括糖酵解限速酶己糖激酶2 (Hk2)、磷酸果糖激酶異構(gòu)體(Pfkl、Pfkp和Pfkfb3)、丙酮酸激酶(Pkm)和烯醇化酶1 (Eno1)；值得注意的是，F(xiàn)oxk1可以結(jié)合丙酮酸脫氫酶激酶1 (Pdk1)的啟動(dòng)子區(qū)域，使丙酮酸脫氫酶復(fù)合物(PDC)的調(diào)控亞基E1α磷酸化，從而抑制其酶活性。敲低原代小鼠顱骨成骨細(xì)胞的Foxk1可顯著降低葡萄糖攝取，海馬糖酵解應(yīng)激試驗(yàn)表明Foxk1敲低導(dǎo)致糖酵解明顯降低；Foxk1基因敲低的細(xì)胞顯示培養(yǎng)基中乳酸濃度降低；代謝組學(xué)分析證實(shí)了Foxk1缺失引起的糖酵解抑制，上述結(jié)果說(shuō)明Foxk1在富氧條件下可以正向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞中的糖酵解。進(jìn)一步的分析證實(shí)Foxk1主要通過(guò)促進(jìn)有氧糖酵解來(lái)促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和增殖。
Foxk1在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞有氧糖酵解中起關(guān)鍵作用
3、Foxk1通過(guò)誘導(dǎo)糖酵解增加老年小鼠的骨量
為了研究Foxk1是否通過(guò)上調(diào)老年小鼠的糖酵解促進(jìn)骨形成，研究人員將AAV9-Osterix-Foxk1和2DG通過(guò)尾靜脈注射12月齡雄性小鼠，全身及單個(gè)器官顯像顯示GFP在后肢表達(dá)最高，肝臟表達(dá)較低，心、脾、肺、腎均未見表達(dá)；值得注意的是，IF染色顯示GFP與股骨中的Osterix共定位，表明AAV9有效感染前成骨細(xì)胞。MicroCT分析顯示2DG阻斷了Foxk1對(duì)骨量、BV、BV/TV和Tb.N的促進(jìn)作用以及對(duì)Tb.Sp的抑制作用；H&E染色顯示，AAV9-Foxk1處理的小鼠骨小梁面積和數(shù)量增加，股骨生物力學(xué)性能升高，MAR和BFR改善，成骨細(xì)胞數(shù)量增加，然而這些作用均可被2DG抑制。上述結(jié)果表明Foxk1對(duì)老年小鼠骨形成的促進(jìn)作用被糖酵解抑制所抵消，揭示了Foxk1對(duì)年齡相關(guān)性骨質(zhì)流失的保護(hù)作用是通過(guò)增強(qiáng)有氧糖酵解介導(dǎo)的。
Foxk1通過(guò)誘導(dǎo)糖酵解增加老年小鼠的骨量
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
研究發(fā)現(xiàn)Foxk1是一種成骨細(xì)胞代謝和骨形成的新調(diào)節(jié)因子。成骨細(xì)胞條件性敲除Foxk1可減少小鼠骨形成，機(jī)制上Foxk1通過(guò)誘導(dǎo)糖酵解促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和增殖；此外在前成骨細(xì)胞中過(guò)表達(dá)Foxk1可促進(jìn)糖酵解改善老年小鼠的骨量和機(jī)械強(qiáng)度。本研究為骨形成的調(diào)控機(jī)制和預(yù)防年齡相關(guān)性骨質(zhì)流失提供了新的見解。
