力学刺激对骨细胞自噬反应的影响和机制

Mechanical stimulation plays an important role in regulating bone growth and remodeling, but it is still unclear how mechanical signalings affect osteocyte metabolism. Autophagy is an important catabolism process in cells, and it is able to modulate osteocyte growth and differentiation. Both mechanical stimulation and autophagy are very important to bone, but there is no literature to discuss the relationship between the two. So, can mechanical stimulation induce osteocyte autophagy? What kind of autophagy response? What is the mechanism behind the response? And what is the role of autophagy in osteocyte mechanotransduction? Our previous research demonstrated that oscillatory fluid flow induces MLO-Y4 osteocyte autophagy. So we hypothesize that mechanical stimulation first activates membrane mechanosensors, then activates mechanotransduction pathways that have connections with autophagy pathway. Subsequently, it induces autophagy and regulates osteocyte metabolism. In this proposal, we will use cell and rat models to study selected mechanosensors and mechanotransduction pathways to investigate the relationship between autophagy and mechanical stimuli such as shear, compression and stretch. Later, we will focus our research on the role of primary cilium and ERK1/2, which have been showed closely related to autophagy. Finally, we will use autophagy deficiency mice to study the role of autophagy in bone growth and remodeling in response to mechanical stimulation. The research will provide insights to metabolic bone diseases.

力学刺激是调控骨骼生长和重建的重要因素，但是力学刺激影响骨细胞新陈代谢的机理还不明了。自噬是细胞内的分解代谢过程，可以影响骨细胞的生长和分化。力学刺激和自噬对骨骼都很重要，但是目前还没有文献系统的探讨两者之间的关系。那么，力学刺激能否引起骨细胞的自噬反应？什么样的反应？机制是什么？自噬反应在力转导通路中的作用又是什么？我们的前期实验结果表明，力学刺激可以影响骨细胞的自噬。据此我们提出假设：力学刺激首先激活细胞膜上力学感受器，再激活与自噬反应相连的力转导通路，然后引起自噬反应，并以此调控细胞的新陈代谢。本项目拟采用细胞和大鼠模型，小范围筛选与自噬相关的力学感受器和转导通路，研究剪切、压缩、牵张等力学刺激与骨细胞自噬反应之间的关系，探索与自噬关系密切的primary cilium和ERK1/2路径；进而使用自噬缺陷小鼠研究自噬在力学刺激调控骨骼生长和重建中的作用，为各种骨病的治疗提供科学依据。

力学刺激对于骨骼的生长和重建具有决定性的作用，而骨细胞自噬在维持骨骼的动态平衡中也扮演了重要角色，但是骨细胞对力学刺激的反应机理以及自噬在其中的作用还有很多不明确的地方，需要进一步的研究。本项目的主要研究内容包括力学刺激对骨细胞自噬的影响、骨细胞自噬对细胞力学感知能力的影响以及骨细胞对力学刺激敏感度变化机制等三个方面。我们通过研究发现，力学刺激可以诱导骨细胞自噬，而自噬程度与力学刺激的作用时间相关。力学刺激诱导自噬增加可能是通过ERK1/2信号传导路径来实现的。进一步研究显示，具有自噬缺陷的小鼠，其骨量、骨密度都比野生型小鼠显著降低。根据成骨实验分析结果，自噬缺陷小鼠骨细胞的碱性磷酸酶和骨钙含量都显著降低。当自噬缺陷小鼠尺骨受力之后，由力学刺激引起的骨形成率明显低于野生型小鼠。而自噬缺陷骨细胞在受到力学刺激之后，释放的ATP数量显著降低，且P-ERK和P-Runx2的表达也显著降低。这说明骨骼自噬缺陷所导致的骨质疏松很可能是因为细胞对外力刺激敏感度下降而引起的。我们还发现，自噬缺陷小鼠的骨细胞初级纤毛的平均长度低于野生型小鼠，且有初级纤毛的细胞数量也减少。当使用药物移除细胞的初级纤毛后，细胞在受到流动剪切力后释放的ATP数量显著降低。这说明，初级纤毛是自噬影响骨细胞力传导的一个因素。最后，细胞在受到力学刺激的初期强烈反应之后，会有一段时间对力学信号不敏感，这可能是因为GPCR激酶GRK2能够使骨细胞力传导路径上的重要受体P2Y2失敏所致。而力学刺激和PTH对骨骼生长的协同作用也可能是因为GRK2难以使P2Y2和PTH受体两种GPCR同时失敏。我们的结果显示，骨骼细胞的自噬和所受力学刺激可以相互影响。自噬反应是细胞对力学刺激的应激反应，而自噬能够影响细胞对力学刺激的敏感性。项目的结果可以为骨质疏松的预防、骨病治疗以及骨骼组织工程提供依据。