编译：微科盟胜寒，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。
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导读骨骼的功能多种多样，包括机械支撑，运动，血细胞生成，矿物质存储和内分泌调节。这种多方面的作用是通过成骨细胞，软骨细胞，骨髓脂肪细胞和基质细胞的相互作用而实现的，而这些相互作用都是由骨骼干细胞产生的。最新证据表明了细胞代谢在骨骼系统中的重要性，不同的骨骼细胞不仅具有与特定功能有关的独特代谢需求，而且还受到微环境的影响。特定代谢物能够维持控制骨骼干细胞，控制其直接谱系分配并介导细胞间的交流。在本篇文章中，作者讨论了细胞代谢在确定骨骼干细胞命运，协调成骨细胞和软骨细胞功能以及组织造血基质支持作用方面的最新研究，还讨论了骨骼衰老和退行性疾病中的代谢失调相关研究，并对该领域在未来几年的发展做出了展望。
原名：Metabolic regulation of skeletal cell fate and function in physiology and disease骨骼发育和维持是由关键细胞类型在其位置和功能上不同的作用来协调的（图1）。成骨细胞是形成骨骼的细胞，其沉积了特征丰富且富含胶原蛋白的基质，称为类骨质，后来被矿化，从而赋予骨骼强度。在骨化过程中，成骨细胞的一部分被嵌入骨基质中，之后被称为成骨细胞。第二种主要的骨骼细胞类型是软骨细胞，它形成不同类型的软骨。关节、生长板、肋骨、鼻、喉和气管可见透明软骨，纤维软骨构成椎间盘和半月板，弹性软骨构成外耳和会阴。软骨细胞在骨发育和骨折修复过程中的软骨内成骨过程中也起着关键作用，该过程起初是形成一种透明软骨中介物，随后其在造血性骨降解细胞破骨细胞和成骨细胞的共同作用下被骨取代。位于骨骼系统顶点的骨骼干细胞产生了不同类型的成熟骨骼细胞。支持造血功能的基质细胞（或其亚群）也具有干细胞或祖细胞的特征，并有助于骨髓中的成骨细胞和脂肪细胞。每种细胞类型均列出了用于识别和/或分离的最常用标记。在骨髓腔中，研究者还发现了另外两种成熟的骨骼细胞类型:骨髓脂肪细胞和造血支持基质细胞。骨髓脂肪组织具有独特的特征，区别于较好的髓外白色、棕色和米色脂肪沉积。骨髓脂肪细胞参与局部和系统的代谢过程，包括造血、成骨和能量代谢，并随着年龄和饮食的变化而发生变化。造血支持基质细胞，也称为间充质基质细胞，是一种纤维母细胞，为血细胞生产提供必要的细胞因子。这种细胞群仍然缺乏特征，可能包含在造血支持中具有不同功能的细胞亚群。不同成熟的骨骼细胞类型来源于共同的前体细胞，即骨骼干细胞(SSCs)。尽管骨骼系统在许多方面类似于其他干细胞驱动的组织的分层结构，例如造血系统，但具有自我更新能力的干细胞位于顶点，并逐渐产生多能祖细胞，定殖祖细胞和成熟细胞，它有三种不同的干细胞库，而研究者在生长板、骨膜和骨髓中都发现了SSCs。尽管在某些方面SSC池是共享的，如自我更新的能力和某些细胞表面标记的表达，不同的SSC池的分化潜力是不同的，似乎与它们被发现的位置的特定要求有关。骨髓中的骨髓间充质干细胞与支持造血的基质细胞有许多共同的特征，但它们是相同的细胞还是具有共同标记的不同群体还不清楚。在图1中，作者列出了小鼠和人类SSC及其后代最常用的标记。鉴别、分离和基因改变不同骨骼细胞群体的标记和工具的快速扩展极大地增加了对控制这些群体形成、维持和功能的分子途径的认识。近年来，骨骼细胞生物学不仅受细胞因子和激素信号的控制，还受代谢途径的控制，这一概念得到了研究者广泛的认同。代谢程序依赖于细胞必须完成的功能，因此增殖祖细胞和产生基质的分化细胞方面可能是不同的；此外，氧气和营养物质的供应与微环境中血管系统的密度和类型，以及周围细胞类型的代谢状态有关。代谢途径适应于维持生物能量、生物合成和氧化还原稳态，并使表观遗传修饰成为可能，骨骼细胞的代谢途径可能是由细胞内因子控制，并被生长因子和激素修改。在接下来的章节中作者总结了目前关于骨骼细胞代谢调控的发现，并展望了该研究领域的潜在未来影响。干细胞的特点是具有自我更新的能力(即在细胞分裂过程中产生至少一个新的干细胞)和多能性(即有几种不同的成熟细胞类型作为子代)。这一过程受到严密的分子控制，根据来自不同干细胞领域的发现，研究者们认为代谢途径在这一决策过程中起关键作用，但人们对干细胞代谢调控的理解仍然非常有限(图2)，大多数发现来自培养扩增的骨髓细胞，这些细胞是基于对塑料的粘附性而选择的；这些细胞可能代表真正的SSC，骨骼祖细胞和造血支持基质细胞的混合物。通过塑料粘附建立的骨膜细胞培养物是多样化的，并且包含SSC和成骨祖细胞。鉴于它们的异多样性，我们将这些细胞称为骨髓基质细胞（BMSCs）或骨膜来源的细胞（PDCs）。近年来，对骨骼细胞行为的代谢控制的研究大量增加，尽管迄今为止，大多数研究工作都集中在中心碳代谢上，尤其是葡萄糖。这些发现是由于不断增加的用于代谢酶基因缺失的小鼠模型的可用性以及代谢谱分析（代谢组学），代谢途径分析（稳定同位素示踪）和细胞代谢实时评估的技术进步而实现的。培养的人骨髓间充质干细胞具有高度的糖酵解性。糖酵解以ATP的形式提供一些能量，但它也为增殖细胞提供碳以产生生物质。事实上，葡萄糖可以参与戊糖磷酸途径(PPP)和丝氨酸合成途径。PPP产生核苷酸生物合成的前体，减少合成代谢的分子并对抗氧化应激，而丝氨酸合成途径有助于核苷酸、氨基酸和脂类生物合成；然而，这些通路在SSC中的作用尚未被研究。骨髓中的低氧张力(1-2%)可能会诱导糖酵解表型，因为在环境氧水平(20 21%)下体外扩增骨髓间充质干细胞会逐步增加线粒体葡萄糖氧化，这一效应与氧化应激增加和细胞衰老有关。在骨髓间充质干细胞和PDCs中，转录因子缺氧诱导因子1-α (HIF-1α)在调节糖酵解表型中起关键作用。此外，HIF-1α的缺失严重损害了小鼠PDC在体内移植后的生存和骨形成，因此强调了HIF-1α在缺氧和营养缺乏条件下PDC功能的重要性。值得注意的是，在骨髓和骨膜中，在稳态条件下，造血干细胞和骨骼祖细胞都存在于血管周围，这就提出了这样一个问题:造血干细胞在其天然生态位中是否以及在何种条件下依赖于HIF-1α的稳定和糖酵解；此外，葡萄糖氧化在造血干细胞中的作用，特别是在体内环境下，仍不清楚。当葡萄糖主要用于生物能量学或生物合成的糖酵解时，其他营养物质可促进线粒体三羧酸（TCA）循环，从而满足细胞需求。TCA循环可为氧化磷酸化提供还原当量（NADH和FADH2），以及为生物合成过程和细胞信号传递提供代谢中间体。除了葡萄糖衍生的丙酮酸之外，其他几种代谢物还可以通过提供乙酰辅酶A来氧化（脂肪酸或酮体）或用作抗血管生成基质（谷氨酰胺或奇链脂肪酸）来推动TCA循环，但研究人员关于脂肪酸氧化（FAO）在SSC中的作用知之甚少。而人类骨髓间充质干细胞在培养中执行FAO，这一途径负责不到0.5%的ATP生产。最近的发现证实了这一观察结果，表明小鼠骨髓SSC和PDCs表达编码必需FAO酶的基因，如肉碱棕榈酰转移酶1a (Cpt1a)，并在培养中执行FAO。然而，无论在体内还是体外，CPT1a缺失对SSC的存活率都相对没有影响，这表明它们的代谢并不严重依赖于FAO。与脂肪酸相比，在培养的人骨髓间充质干细胞中，酮体乙酰乙酸可以在三羧酸循环中高效氧化，从而产生ATP，并产生比葡萄糖氧化低得多的活性氧(ROS)。体内是否也会发生SSCs的酮体氧化，以及禁食期间血液中酮体水平上升时，这一途径是否为SSCs提供营养来源，还有待证实。酮体也有重要的信号传递作用，包括表观遗传调控和翻译后蛋白修饰。氨基酸代谢在细胞能量学和生物合成中具有重要作用，特别是在增殖细胞中。与这些作用相一致，最近的一份报告显示氨基酸传感器EIF2AK4 (GCN2)在骨稳态中支持小鼠ssc的强大增殖能力是必需的。虽然大多数单个氨基酸在SSC中的作用仍未被研究，但来自体外和体内研究的新证据表明谷氨酰胺对SSC功能的重要性。人和小鼠的骨髓间充质干细胞以及小鼠的PDCs在培养过程中都摄取谷氨酰胺。细胞外谷氨酰胺的消耗、谷氨酰胺酶(GLS)的抑制(通过氨的释放将谷氨酰胺转化为谷氨酸)或谷氨酰胺转氨酶的抑制(将谷氨酰胺分解代谢与TCA循环和氨基酸合成联系起来)都强烈地降低了小鼠骨髓间质干细胞的集落形成和增殖。培养的BMSC和PDC使用谷氨酰胺来促进线粒体TCA循环，氨基酸合成和谷胱甘肽的生物合成。有趣的是，通过使用Prrx1Cre有条件地删除小鼠SSC中的Gls不会影响骨髓SSC的数量，而使用LeprCre的删除确实会大大减少SSC的数量。但是，由于LeprCre还会在下丘脑以及边缘和皮质大脑区域中重组，并且GLS完全缺失的小鼠具有严重的神经表型，因此LeprCreGlslox / lox小鼠的SSC表型很难解释。考虑到Prrx1CreGlslox/lox小鼠中缺乏SSC数量的改变，SSC在体内的维持或增殖似乎不像在体外那样需要GLS。研究人员在不同的癌症模型中描述了体内和体外对GLS的类似差异依赖，从而强调了检测细胞在其原生环境中的代谢的重要性。成骨细胞的成骨过程涉及大量的I型胶原丰富的基质的产生和分泌，这些基质随后发生矿化。蛋白质合成是一个需要代谢的过程，高速率的基质合成需要成骨细胞产生大量的能量和氨基酸。生成基质的成骨细胞通常位于血管附近，这表明氧气和营养供应充足。迄今为止，大多数研究都集中在葡萄糖代谢(图2)。在小鼠体内使用放射性标记葡萄糖类似物进行的追踪研究表明，骨骼对葡萄糖的摄取等于或超过代谢器官，如肝脏、肌肉和白色脂肪组织。成骨细胞葡萄糖摄取甚至可以影响全身葡萄糖稳态。成骨细胞表达葡萄糖转运体GLUT1, GLUT3和GLUT4，其中，GLUT1摄取葡萄糖是成骨细胞分化和骨形成所必需的，其机制包括调控成骨转录因子RUNX2和营养传感器mTORC1；相反，GLUT4介导体外成熟成骨细胞和骨细胞对胰岛素刺激的葡萄糖摄取，但在体内对骨发育和稳态是必不可少的，而GLUT3在成骨细胞中的作用尚不清楚。在培养过程中，成骨细胞吸收的大部分葡萄糖，即使在周围氧气水平存在的情况下，也会代谢成乳酸，这个过程被称为有氧糖酵解。在成熟的成骨细胞中，有氧糖酵解可产生多达80%的ATP。在这些条件下，估计只有15-20%的葡萄糖碳进入线粒体三羧酸循环或用于合成过程。最近的研究表明，葡萄糖碳进入成骨细胞线粒体的一个重要命运是生成苹果酸，苹果酸天门冬氨酸穿梭的代谢产物，再生胞质NAD+，从而维持糖酵解。成骨细胞的糖酵解受许多因素的调控。通过过表达稳定形式的HIF-1α或删除von Hippel Lindau蛋白可以强制激活成骨细胞糖酵解，增加小鼠成骨细胞数量和骨量，从而支持该通路在成骨细胞功能中的重要性。相反，跨膜蛋白Notch信号通路对SSC的维持很重要，它抑制糖酵解，从而限制成骨细胞的分化。此外，合成代谢刺激如甲状旁腺激素(PTH)或生长因子WNT促进骨形成，部分是通过进一步增加糖酵解，以牺牲葡萄糖氧化。PTH和WNT均通过激活mTORC2来增加糖酵解酶的水平；在刺激糖酵解的同时，HIF-1α和PTH信号促进未成熟成骨细胞(如PDCs和颅骨前成骨细胞)中的糖原合成。当细胞成为成熟的成骨细胞时，糖原颗粒变小，这表明糖原存储用于支持骨形成过程中不断增加的生物能量或生物合成需求。有趣的是，甲状旁腺激素也增加了通过PPP的葡萄糖流量。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是PPP中的限速酶，在成骨细胞中高度表达，其活性在成骨细胞响应机械载荷或骨折愈合时激活后增加。20世纪80年代的研究表明，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶提供维持维生素K循环所需的NADPH，这对成骨细胞的基质钙化至关重要，尽管这一概念有待现代遗传和代谢技术的验证。在小鼠和人类骨髓间充质干细胞的体外成骨分化过程中，除了依赖糖酵解，还有研究描述了ATP产生增加与耗氧量激增相关。PGC-1α是线粒体生物发生和氧化代谢的主要调节因子，SSCs缺失的小鼠减少成骨分化并诱导骨丢失，尽管代谢途径是否改变以及如何改变尚不清楚。伴随着氧化磷酸化的增加，骨髓间充质干细胞的成骨分化伴随着抗氧化能力的增加，因此，成骨细胞对氧化磷酸化的抑制或氧化应激的增加敏感。成骨分化过程中氧消耗和线粒体数量的增加可能是短暂的，最近在来自人类脂肪组织的基质细胞中证实了这一点。这一发现可能解释了一些研究中存在的矛盾，例如一些研究表明成骨分化后氧气消耗减少。成骨细胞分化过程中线粒体代谢增加的原因是一个正在进行的研究重点，尽管基质产生和矿化过程中可能需要更多的能量和生物合成中间体。然而，最近的发现也表明了线粒体活性在成骨细胞中的其他作用。Shares等发现小鼠骨髓间充质干细胞成骨分化过程中氧化磷酸化的过度激活增加了线粒体柠檬酸的产生，而柠檬酸在细胞溶胶中转化为乙酰辅酶a后，刺激β-catenin乙酰化。WNT信号下游效应因子β-catenin的乙酰化导致其激活、核易位和促进成骨分化；同样，在诱导成骨分化的人类骨髓间质干细胞中，线粒体中的柠檬酸可能在细胞核中转化为组蛋白去甲基化酶的辅助因子α-酮戊二酸，从而导致成骨相关基因的转录激活。成骨细胞产生的柠檬酸也被纳入羟基磷灰石纳米晶体胶原复合物的结构中，这对骨的生物力学特性至关重要，尽管这种柠檬酸的代谢来源尚不清楚。有趣的是，WNT刺激小鼠ST2骨祖细胞系通过限制葡萄糖氧化来促进成骨，从而降低核柠檬酸和乙酰辅酶a水平，进而降低组蛋白乙酰化和整体基因表达。与氧消耗和线粒体数量一样，柠檬酸水平的动态和阶段特异性调节、分区化和代谢命运可能是正确的成骨分化和功能的关键。虽然成骨细胞可以氧化葡萄糖，葡萄糖似乎不是线粒体三羧酸循环活动的主要燃料，因此暗示了其他营养素的作用。FAO 在成骨细胞能量代谢方面的重要作用早已为人所知。较早的生物化学研究表明，成骨细胞中大约40%的ATP产生来自脂肪酸的氧化。最近的研究证实，成骨细胞表达必需的受体和分解酶来代谢脂肪酸，追踪研究表明，骨骼从循环中吸收脂质。作者最近描述了尽管脂质剥夺或关键的FAO酶CPT1a缺失不会影响SSC的存活，但向成骨细胞谱系的分化是被抑制的。Kim等进一步表明，成熟成骨细胞中CPT2的缺失通过干扰适当的类骨矿化来减少骨形成。雌激素的存在加剧了这种影响，它以牺牲糖酵解为代价促进了FAO的发展。此外，在骨祖细胞中缺失FAO的关键转录调节因子PPAR-δ(通过Runx2Cre小鼠)会损害成骨分化和矿化，并降低骨量。WNT信号进一步刺激成骨细胞氧化脂肪酸，β-catenin激活诱导关键FAO酶的表达。在成骨细胞中，高含量的FAO可以解释在具有高活性的TCA周期的细胞中发生的好氧糖酵解的明显悖论。据计算，在骨骼组织中， FAO和葡萄糖氧化所能产生的乙酰辅酶A的量理论上将远远超过TCA循环活动所能容纳的量。作者提出，由FAO直接在线粒体内靠近大多数TCA循环酶的位点直接产生的乙酰辅酶A可能会受到青睐，特别是因为丙酮酸脱氢酶将丙酮酸转化为乙酰辅酶A很容易受到乙酰辅酶A的抑制。由于丙酮酸的积累会阻止糖酵解和PPP的生物合成活性，因此丙酮酸向乳酸的转化将导致最大的代谢活性。使用突变小鼠模型和现在可用的代谢追踪技术在体内测试这个已有40年历史的假说将是非常有趣的。此外，研究人员尚需确定FAO在成骨细胞中的确切作用：能量产生，生物合成或表观遗传调控。除了脂肪酸之外，谷氨酰胺还促进了成骨细胞中的TCA循环活性。骨骼谱系中GLS的消融（通过使用Prrx1Cre小鼠）减少了成骨细胞的发育和骨形成。小鼠和人BMSC均会在体外成骨分化过程中增加谷氨酰胺的消耗和代谢，而谷氨酰胺的撤出或GLS的抑制会阻止成骨分化。最近有研究发现，成骨细胞中GLS介导的谷氨酰胺分解代谢可促进核苷酸和氨基酸的合成，这是增殖和基质产生所必需的，并支持谷胱甘肽的生成，从而防止ROS积累和细胞死亡。与糖酵解和FAO一样，成骨细胞中的谷氨酰胺分解代谢响应WNT信号而增加，从而支持增加的骨形成。然而，WNT通过mTOR刺激成骨细胞的糖酵解，而FAO通过β-catenin刺激糖酵解，而谷氨酰胺水解则通过mTORC1激活促进。软骨是人体少数的无血管组织之一，在营养物质的获取和代谢废物的清除方面面临独特的挑战(图2)。扩散是软骨基质中溶质迁移的主要方式，软骨基质中含有高达80%的水;因此，像葡萄糖或氨基酸这样的小分子很容易被嵌入基质的软骨细胞吸收，而像脂类这样的大分子则很少。软骨中血管的缺失会造成缺氧环境，相反，高血管化的原发性海绵体边缘的晚期肥大软骨细胞并不缺氧。软骨缺氧导致HIF-1α稳定，HIF-1α通过增加主控软骨转录因子SOX9的表达促进软骨形成，增强软骨细胞存活率，并通过调节关键糖酵解酶的转录支持厌氧糖酵解。葡萄糖在软骨中主要进行无氧糖酵解，但多达20%的葡萄糖可能通过PPP途径分解。软骨细胞依赖GLUT1来摄取葡萄糖并发挥其正常功能，而这个转运蛋白受到骨形态发生蛋白信号通路的控制，这是软骨发育的关键途径。最近发现，尽管培养的小鼠生长板软骨细胞通过糖酵解产生大部分(60%)的ATP，它们也需要葡萄糖氧化来避免能量损失。在PHD2缺乏的软骨细胞中，过度的HIF-1α稳定降低了葡萄糖氧化，从而通过减少增殖和干扰胶原生物合成导致骨骼发育不良。葡萄糖也可以促进软骨细胞中糖原的合成，而正常的透明软骨的所有细胞中都含有糖原。随着成软骨细胞的成熟程度，糖原颗粒在骺生长板中的分布增加。糖原储存似乎主要在快速生长时期被使用。因此，阻止糖原分解的自噬被破坏，会诱导生长板增殖区发生凋亡，导致生长迟缓。与成骨细胞不同，在软骨细胞中，FAO似乎没有主要作用。骨骺软骨细胞含有低水平的FAO酶，FAO只产生其ATP的很小一部分。小鼠软骨细胞的发育和存活并不依赖于FAO，过量的细胞外脂质通过降低Sox9的表达，在体外和体内阻止了SSC向软骨细胞的分化。SOX9反过来通过抑制FAO在软骨细胞中发挥代谢调节作用，尽管这一调控的确切分子机制尚不清楚。因为软骨细胞存在于一个无法获得循环脂肪的环境中，它们可能依赖于从头脂肪生成来供应脂肪酸，就像在癌症中看到的那样。尽管这一概念尚未得到详细研究，但一项研究表明，ELOVL6(一种参与脂肪新生过程中脂肪酸延伸的酶)的缺失干扰了适当的软骨细胞增殖和分化。SOX9还通过增加谷氨酰胺消耗和GLS水平促进软骨细胞中的谷氨酰胺代谢；然而，谷氨酰胺分解代谢并不支持软骨细胞中ATP的生成。相反，研究发现谷氨酰胺通过谷氨酸脱氢酶依赖的乙酰辅酶a的合成，在表观遗传学上控制软骨基因的表达，这是组蛋白乙酰化所必需的。此外，谷氨酰胺促进转氨酶介导的天冬氨酸合成支持软骨细胞增殖和基质合成，而谷氨酰胺衍生的谷胱甘肽合成避免有害的ROS积累。另一些研究表明，软骨细胞也需要谷氨酰胺作为糖胺聚糖合成的氮供体。过度的HIF-1α稳定会增加谷氨酰胺代谢，因为谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸(胶原羟化酶的辅助因子)的增加会刺激胶原的翻译后修饰，进而导致可吸收软骨细胞基质减少，并干扰软骨内骨化。总的来说，目前的证据表明软骨细胞表现出代谢适应性，允许它们在有限的营养条件下增殖和合成大量的基质。由于软骨细胞的代谢高度依赖于营养物质的扩散，葡萄糖和谷氨酰胺似乎是软骨细胞代谢的首选底物。但是其他低分子营养物质通过独特的软骨基质扩散的潜在作用有待进一步探索。脂肪组织由于其在脂质合成，储存和释放中的作用而在全身代谢中起着重要作用（图2）。骨髓脂肪组织（MAT）的起源和特征与白色和棕色脂肪组织不同，但其在骨髓微环境中的确切功能仍非常值得研究。MAT有两种:一种是本构性MAT (cMAT)，它存在于脊椎动物的远端骨骼中，在早期脊椎动物发育中起重要作用；另一种是调控性MAT (rMAT)，它分布在整个骨骼中，可能影响造血功能。一些研究表明，骨髓脂肪细胞和成骨细胞是由一个共同的祖细胞发育而来的，因此导致了脂肪细胞的形成是以牺牲成骨细胞分化为代价的一般概念；然而，骨髓脂肪细胞也会释放大量影响成骨细胞功能的因素。此外，PTH刺激诱导骨髓脂肪细胞释放游离脂肪酸，并被成骨细胞吸收，这说明这两种细胞之间的关系是复杂的。在脂肪形成过程中，骨骼祖细胞表现出强烈的氧化代谢增加，其特征是增加线粒体生物发生、氧化磷酸化和ROS的产生。成骨过程中产生的ROS似乎大多是有害的，与之相反，线粒体电子传递链复合体III产生的内源性ROS需要启动脂肪形成。在脂肪分化过程中形成的脂肪储存是通过外源性脂肪酸和以葡萄糖和乙酸、丙酮酸和谷氨酰胺为底物重新合成的脂肪酸形成的。某种程度的脂质合成似乎是脂肪分化所必需的，因为脂肪生成酶ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)的缺失会阻止脂肪生成（即使存在外源脂质）。在前脂肪细胞中，ACLY依赖乙酰辅酶a的产生支持组蛋白乙酰化，尤其有利于参与葡萄糖摄取、葡萄糖代谢和脂肪酸合成的基因的表达，从而协调细胞核活性与细胞代谢状态。与其他脂肪组织沉积相比，骨髓脂肪细胞具有一些独特的代谢特性。在热量限制下，骨髓脂肪细胞并不比白色脂肪细胞小。骨髓脂肪细胞保存其储存的甘油三酯，而不释放游离脂肪酸，但它们似乎是胆固醇和相关代谢产物的重要来源。与cMAT相反，rMAT确实响应热量限制和β3-肾上腺素受体激动剂而进行了脂解作用，而两个骨髓脂肪沉积物都对腺苷酸环化酶激活剂forskolin作出了反应。此外，研究人员发现cMAT比rMAT含有更多的不饱和脂质，因此表明MAT中可能存在代谢异质性。这些观察结果的生理相关性，以及骨髓脂肪细胞与不同骨骼和造血细胞类型之间新陈代谢的重要性仍有待探索。造血支持基质细胞的特定代谢需求尚未被研究。如上所述，骨髓造血干细胞和造血支持基质细胞是否是不同的细胞群还不清楚，大多数代谢研究都是在异质骨髓间充质干细胞培养上进行的。在本节中，作者关注骨髓间充质干细胞对造血细胞和白血病细胞的代谢支持(图3)。骨髓基质细胞对造血细胞或白血病细胞的代谢支持的重要性日益显著;基质细胞像细胞器一样合成和转运必需的代谢物。骨骼细胞也可能在塑造骨髓微环境的代谢组成和维持造血的最佳营养水平方面发挥关键作用。骨髓间充质干细胞的特征是CD73的表达，CD73是一种胞外5 -核苷酸酶，它催化细胞外ATP转化为腺苷的最后一步。细胞外ATP被认为是一种危险信号，促进增殖和迁移，并影响造血干细胞(HSCs)的分化，而腺苷信号增强了造血祖细胞的增殖，但不影响更原始的细胞群。与这些发现一致的是，CD73基因敲除小鼠植入野生型骨髓细胞后，B细胞和髓细胞的生成减少，而T细胞和造血干细胞的数量与野生型受体相似。细胞外腺苷是否也被造血细胞吸收和代谢还不清楚。骨髓微环境细胞的另一个重要代谢作用可能是控制氨基酸的可用性和维持骨髓氨基酸在造血的最佳水平。最近发现骨髓血浆中的氨基酸组成与外周血中的非常不同:骨髓中含有大量的天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、丙氨酸和脯氨酸，但谷氨酰胺和色氨酸含量较低。骨髓内皮细胞、成骨细胞和骨髓间充质干细胞也分泌了大量必需和非必需氨基酸，这些分泌的氨基酸在造血中的作用在很大程度上仍未确定，一项研究初步揭示了缬氨酸的重要性，缬氨酸对造血干细胞的维持和增殖至关重要，并由骨髓微环境中的内皮细胞和基质细胞分泌。然而，生态位衍生缬氨酸与直接饮食供给缬氨酸对造血干细胞的相对重要性仍有待确定。除了代谢产物外，骨髓间充质干细胞还可以转移细胞器，从而在代谢上影响造血细胞。骨髓间充质干细胞已被证明可以分泌外泌体，这是一种膜结合的细胞外囊泡，内含与免疫调节相关的代谢物。此外，为了应对急性细菌感染期间ROS水平的升高，线粒体通过连接蛋白从骨髓间充质干细胞(而不是成骨细胞)转移到造血干细胞，这一过程促进了星状细胞从糖酵解到氧化磷酸化的快速转变，而白细胞扩张紧随其后。类似的线粒体转移发生在骨髓间充质干细胞和急性髓系白血病(AML)细胞之间，并可能在保护急性髓系白血病细胞免受化疗影响中发挥作用。其他几项研究的发现强调了与基质细胞的代谢交叉对话在白血病生长和化疗耐药发展中的重要性。Zhang等人描述了骨髓间质干细胞如何导入胱氨酸并将其转化为半胱氨酸，然后释放到微环境中供慢性淋巴样白血病细胞吸收，从而促进谷胱甘肽的合成、细胞生存和耐药性。研究最近发现骨髓间充质干细胞将谷氨酰胺转化为天冬氨酸，用于AML细胞生成嘧啶并保护它们免受化疗诱导的细胞死亡。急性髓系白血病细胞还诱导骨髓脂肪细胞释放脂肪酸，脂肪酸通过为FAO供能支持急性髓系白血病细胞增殖和存活。在白血病中观察到的这些不同形式的基质代谢在正常造血过程中的作用将是未来的研究重点。衰老对骨骼细胞功能产生深远影响，是骨质疏松、骨关节炎等退行性骨骼疾病发生的重要危险因素。在衰老的骨骼细胞中研究人员发现的一些代谢变化可能有助于这些疾病的发生和发展(图4)。相反，促进特定的代谢途径可以增强细胞健康，防止骨骼退化，或有利于再生策略。骨骼细胞衰老的一个标志是线粒体功能障碍，它会减少能量的产生，增加氧化应激。在骨髓中的骨骼干细胞中，这种代谢变化导致骨形成向脂肪形成的转变，从而导致骨质疏松。在关节软骨，代谢重编程导致炎症增加，软骨细胞特性的丧失和骨关节炎。衰老影响的一个重要的骨骼细胞群体是骨髓间充质干细胞，它们表现出SSC频率的降低和以脂肪分化为代价的成骨潜能的丧失。衰老的骨髓间充质干细胞线粒体含量减少，超微结构异常，导致成骨分化过程中氧消耗和ATP合成减少，ROS生成增加。尽管这种线粒体功能受损的机制尚不完全清楚，但它可能涉及关键的线粒体代谢物NAD+水平降低，这在衰老细胞中常见，从而导致sirtuins活性降低，sirtuins是NAD+依赖的蛋白去乙酰化酶，参与线粒体代谢和氧化应激调节。因此，烟酰胺单核苷酸(一种关键的NAD+中间体)可促进小鼠骨髓间质干细胞(BMSC)扩张，增强成骨，减少脂肪生成，保护骨骼免受老化和辐射损伤。其他机制可能会导致衰老的BMSC中线粒体活性降低。PGC-1α的活性随着对基因组压力的响应而通过p53信号随着年龄的增长而降低，从而影响BMSC的命运决定和骨脂肪平衡。衰老还以与减少雌激素相关受体α信号转导有关的方式降低了GLS的活性，从而抑制了BMSC的谷氨酰胺过剩和成骨分化。 Kynurenine是必需氨基酸色氨酸的一种氧化代谢产物，随着年龄的增长而增加，并影响BMSCs和成骨细胞中的线粒体代谢，从而减少成骨细胞数量并增加骨质流失和骨质疏松。总之，目前的证据表明，衰老降低了骨髓间充质干细胞的线粒体代谢，增加了氧化应激，从而在SSC细胞命运决定水平和成骨细胞功能水平上影响骨形成。年龄对骨膜SSC数量和成骨能力有类似的影响，从而影响其协调骨折愈合的能力；然而，它们是否经历了与骨髓相同的代谢变化仍有待确定。另一个受衰老影响很大的骨骼组织是关节软骨。年龄是骨关节炎(OA)发展的主要危险因素，并可以通过改变主要的内稳态机制的功能，包括细胞代谢来触发OA。线粒体活动的失调与增加ROS的产生，升高的氧化应激，减少线粒体ATP的产生和糖酵解的上调有关。炎症刺激可能通过增加糖酵解和减少氧化磷酸化进一步增强关节软骨细胞的代谢重编程。因此，靶向功能异常的线粒体似乎是OA的一种有前途的治疗策略，例如，海藻糖通过刺激自噬改善了氧化应激介导的线粒体功能障碍和内质网应激，从而防止了小鼠OA的发展。HIF-1α（另一种缓解OA的策略）的药理稳定作用似乎通过增强线粒体功能而起作用。有趣的是，抑制糖酵解乳酸脱氢酶A还可减少ROS的产生以及小鼠和人关节软骨细胞的分解代谢反应，并在小鼠模型中预防OA。最近的研究结果表明，其他代谢过程的改变可能与OA的发病机制有关，例如，OA软骨细胞由于摄取增强、胆固醇羟化酶上调和氧甾醇代谢物的产生增加而导致胆固醇水平升高。小鼠关节组织中胆固醇羟化酶的过度表达可导致实验性OA，而这些酶的敲除可取消实验性疾病的发展。OA中脂肪酸代谢也发生改变，过量饱和脂肪酸摄入诱导大鼠软骨退化和软骨下骨变化，而在损伤诱导的OA模型中，软骨细胞中PPAR-δ的丢失可防止疾病发展。最近研究表明高水平的细胞外脂肪酸如何通过抑制FOXO和SOX9转录因子的活性来阻止PDCs的软骨形成。FOXO和SOX9水平在OA中均降低，暗示局部脂肪酸水平的变化可能与炎症或血管生成增加有关，可能在OA进展中起关键作用。在过去的5年里，随着技术的进步和对细胞代谢的兴趣的重新燃起，人们对骨骼细胞代谢调控的研究得到了极大的扩展，然而，对控制骨骼细胞命运和功能的代谢途径的了解仍然有限。与其他研究领域一样，大多数关于骨骼细胞代谢的研究都是在体外进行的，显然需要更多的体内验证。正如最近关于癌细胞代谢的发现所强调的那样，存在于体外的代谢依赖并不总是能在体内得到再现。如果该领域希望将骨骼细胞代谢的发现转化为新的治疗方法，那么在细胞原生微环境中进行细胞研究将是至关重要的(图5)。具有许多编码代谢酶基因的条件等位基因的遗传鼠系是可用的，这将是这一努力的关键工具。近年来，骨细胞类型特异性的Cre重组酶表达系的数量也有类似的扩大，开发更具体的系或可诱导的变体将极具发展潜力。在需要体外培养骨骼细胞的情况下，应该尽可能密切地掌握体内微环境的代谢特性，包括使用适当的细胞培养基等。新方法和最新技术的融合可以推动骨骼细胞代谢研究领域的发展。随着代谢分析技术的不断发展和分辨率的不断提高，我们应该能够更好地理解控制骨骼细胞在其原生微环境中的命运和功能的代谢程序。特别是在未成熟细胞的情况下，在小鼠和人类的研究中，造血干细胞、骨骼祖细胞和支持造血的基质细胞之间更好的分化，将极大地提高对细胞命运的代谢控制的理解。阐明静止细胞和增殖细胞之间的代谢差异，以及在不同位置发现的干细胞之间的代谢差异，也将是促进细胞扩张以应用于组织工程的持续努力的重点。一项方法学上的进步可以使我们更好地了解体内的骨骼细胞代谢，那就是开发出分离细胞的方法，同时保留细胞的代谢谱，从而允许通过代谢组学或稳定同位素示踪分析对不同类型的骨骼细胞进行直接的代谢比较。在血细胞学和免疫学中，细胞更容易获取，这些方法对控制细胞在原生环境中的行为的代谢程序有了前所未有的了解。尽管尚未实现单个细胞类型的分辨，但最近的一个例子显示了在小鼠的整个骨骼组织中进行体内稳定同位素示踪的可行性和价值。现在，其他技术允许同时分析单个细胞的细胞身份和代谢酶蛋白水平，并且不断改进的代谢成像方法可以提供纳米级的空间信息。预计这些新技术的发展将在未来几年中促进骨骼细胞代谢的重要发现。最后，越来越多的证据表明骨骼系统作为内分泌器官的重要作用。然而，骨骼细胞中间代谢与全身代谢之间的相互作用仍需探究。更好地了解已知的代谢状况如何影响骨骼健康（例如肥胖，糖尿病，饥饿，激素缺乏和维生素缺乏），改变骨骼细胞代谢，以及针对骨骼细胞代谢途径失调的药理学定位能否恢复其功能，将引起研究人员极大的兴趣，而最近的几项研究成果说明了成骨细胞中葡萄糖的摄取影响整体葡萄糖代谢的问题。骨骼细胞中的代谢程序是否以其他方式调节全身代谢仍是一个悬而未决的问题。https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33398192/
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