线粒体活性氧通过破坏蛋白质稳态和PTH信号通路抑制骨间充质细胞功能的机制研究

推荐：本研究针对衰老相关骨质疏松中mtROS（线粒体活性氧）的作用机制，通过构建Sod2ΔOsx1小鼠模型，结合单细胞转录组测序技术，揭示了mtROS通过抑制NAD+代谢、破坏铁稳态和胶原蛋白加工通路，而非通过细胞衰老途径导致骨形成减少。该研究为联合靶向mtROS、NAD+补充和清除衰老细胞的抗骨质疏松策略提供了理论依据。

　　

随着年龄增长，骨质疏松成为困扰全球的健康难题，而骨形成能力下降是其主要诱因。科学家们早已发现线粒体活性氧(mtROS)在骨骼衰老中扮演重要角色，但关于其具体作用机制仍存在诸多谜团——究竟是mtROS直接损伤细胞，还是通过诱发细胞衰老或耗竭NAD⁺等间接途径影响骨形成？这些关键问题的解答将直接影响抗骨质疏松治疗策略的开发。

美国阿肯色大学医学院（University of Arkansas for Medical Sciences）的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的重要成果，通过基因工程小鼠模型和前沿的单细胞技术，揭开了mtROS导致骨丢失的分子黑箱。研究人员构建了成骨细胞特异性敲除Sod2（锰超氧化物歧化酶）的小鼠模型(Sod2^ΔOsx1)，这种酶是清除线粒体超氧自由基的关键抗氧化剂。通过micro-CT骨微结构分析、细胞能量代谢检测、NAD⁺定量以及单细胞转录组测序等技术，系统解析了mtROS过量对骨形成的影响机制。

研究首先证实Sod2缺失导致骨量下降。年轻成年Sod2^ΔOsx1小鼠表现出腰椎和股骨骨密度降低，μCT显示其骨小梁数量减少而分离度增加。体外实验显示，缺失Sod2的骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化能力显著受损，碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(BGLAP)等标志物表达下降，矿化结节形成减少。

线粒体功能紊乱是核心病理改变。Sod2缺失导致BMSCs中线粒体膜电位(ΔΨm)降低，基础呼吸和最大呼吸能力下降，与老年野生型小鼠的表现高度相似。虽然NAD⁺前体NR能在体外部分恢复线粒体功能，但长期给药却未能改善Sod2^ΔOsx1小鼠的低骨量表型，提示NAD⁺不足并非mtROS致骨丢失的主因。

单细胞转录组揭示了意想不到的作用靶点。对近1.5万个骨内膜间充质细胞的测序分析显示，Sod2缺失主要影响成骨细胞和脂肪-CAR细胞的转录组，而非诱发广泛的细胞衰老。这些细胞中，铁代谢相关基因(如Ftl1、Hmox1)显著上调，可能是对Fe-S簇蛋白损伤的补偿反应；而胶原加工通路(P4ha1、Loxl2等)和内质网蛋白折叠相关基因普遍下调，导致细胞外基质合成障碍。尤为关键的是，甲状旁腺激素受体(Pth1r)表达下降，这将直接影响骨骼对PTH促合成作用的敏感性。

这项研究颠覆了既往认知：mtROS通过破坏蛋白质稳态（特别是胶原加工）和削弱PTH信号通路，而非通过诱导细胞衰老或NAD⁺耗竭来损害骨形成。这为开发联合靶向mtROS清除（如线粒体靶向抗氧化剂）、NAD⁺补充和选择性清除衰老细胞的"鸡尾酒疗法"提供了理论依据，对防治老年性骨质疏松具有重要临床意义。