機械應(yīng)力下 GPX4 介導(dǎo)的骨鐵死亡通過 YAP-TEAD 信號通路減少骨形成
正畸牙齒移動的目的是在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間達(dá)到平衡。它有兩種類型，壓力側(cè)和張力側(cè)，會導(dǎo)致骨吸收和骨形成。當(dāng)體外機械應(yīng)力施加到骨組織時，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞受到相應(yīng)的拉伸力和壓縮力，導(dǎo)致骨破壞和鐵死亡反應(yīng)，改變骨小梁排列和密度，進(jìn)而誘導(dǎo)病理性骨重塑。
鐵死亡是一種代謝性死亡類型，其特點是脂質(zhì)過氧化和鐵代謝之間的密切關(guān)系，導(dǎo)致骨骼生長。骨骼中的鐵積累會隨著年齡的增長而增加，并導(dǎo)致骨質(zhì)流失。研究表明，鐵代謝在骨礦化過程中產(chǎn)生顯著的毒性，顯著增加成骨細(xì)胞死亡并降低礦化能力。鐵首先在成骨細(xì)胞中積累，并通過顯著下調(diào)其向骨基質(zhì)的進(jìn)展來影響其分化。先前的研究報道了鐵過載與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)聯(lián)，短暫的鐵過載可能導(dǎo)致骨代謝的完全抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，當(dāng)鐵含量過高時，鐵死亡可能與組織降解有關(guān)。
谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）是一種抗氧化酶，已被發(fā)現(xiàn)通過耗竭谷胱甘肽來調(diào)節(jié)鐵死亡和抑制細(xì)胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂過氧化氫 GPX4 的活性并導(dǎo)致鐵死亡。Fer-1 是一種選擇性 Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡抑制劑，通過阻斷胱氨酸轉(zhuǎn)運和谷胱甘肽產(chǎn)生來抑制氧化的鐵依賴性癌細(xì)胞死亡。
Hippo 通路，如下游同源的轉(zhuǎn)錄共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，從而通過調(diào)節(jié) ACSL4（�；o酶A 合成酶長鏈家族成員4）刺激癌細(xì)胞中的鐵死亡。然而，以前的研究主要集中在與骨耗竭相關(guān)的分子水平和鐵毒性上。一些研究人員認(rèn)為，鐵可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨細(xì)胞分化。鐵對骨礦化的毒性影響是值得注意的，可導(dǎo)致成骨細(xì)胞死亡率顯著上升。因此，鐵代謝與骨代謝的相互作用更為明顯。
最近，山東省口腔組織再生重點實驗室、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院口腔正畸科團隊的一項研究旨在探索應(yīng)力誘導(dǎo)的鐵死亡如何破壞骨重吸收和骨形成之間的平衡。研究成果發(fā)表在 The Journal of Cellular and Molecular Medicine 期刊題為“GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway”。
首先，HE 和 Masson 染色顯示，在成骨細(xì)胞壓力側(cè)細(xì)胞形態(tài)收縮，死亡增加。對小鼠前成骨細(xì)胞 MC3T3 在體外施加壓縮負(fù)荷（1 g/cm2），免疫組化染色顯示，GPX4 水平急劇下降，但這被鐵死亡抑制劑 fer-1 逆轉(zhuǎn)。
在壓縮力下，F(xiàn)er-1 減少成骨細(xì)胞鐵死亡，Erastin 增加鐵死亡。用壓縮力處理 MC-3T3 4h 后，GPX4 水平急劇下降，而 ACSL4 水平上升（圖1 A、B），壓縮力協(xié)同 Fer-1 處理后，GPX4 水平上升，ACSL4 水平下降。有趣的是，與對照組相比，MC-3T3 在壓縮力負(fù)荷 4h 后，在壓力側(cè)發(fā)生了鐵死亡，24h 后發(fā)生在張力側(cè)（圖1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 壓縮負(fù)荷下表現(xiàn)出顯著變化，而拉伸負(fù)荷下無顯著差異。拉伸側(cè)施加壓縮力負(fù)荷 6h 后 GPX4 水平比壓力側(cè)低，導(dǎo)致成骨細(xì)胞鐵死亡（圖1 E、F）。這些結(jié)果證實了 Erastin 和 Fer-1 在機械壓縮力下影響成骨細(xì)胞重塑。
與對照組相比，壓縮力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，F(xiàn)er-1 處理后 GPX4 mRNA 水平升高，ACSL 水平顯著下降（圖2 B、C）。鐵死亡檢測表明，MC-3T3 上的壓縮力負(fù)荷刺激脂質(zhì)過氧化（圖2 A）。這些結(jié)果表明，F(xiàn)er-1 通過壓縮力抑制鐵死亡。此外，還發(fā)現(xiàn) Fer-1 促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。當(dāng)敲低 MC-3T3 細(xì)胞中的 GPX4 時，F(xiàn)er-1 還逆轉(zhuǎn)了 GPX4 誘導(dǎo)的低水平骨變形（圖2 F-I）。這說明，F(xiàn)er-1 調(diào)節(jié) MC-3T3 中的鐵死亡并促進(jìn)骨形成。
接下來，敲低 GPX4，GO 分析顯示，表達(dá)最多的蛋白質(zhì)與“膜的組成部分”和“蛋白質(zhì)結(jié)合”有關(guān)。此外，在對照組和 GPX4 敲低組之間的比較中，定位于細(xì)胞外空間和細(xì)胞核的蛋白質(zhì)占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction”的存在更為顯著�；贙EGG 通路富集的簇分析顯示，“RNA recognition motif domain” 和 “protein kinase domain pathway” 中的蛋白質(zhì)富集程度更高。
YAP 水平隨壓縮力負(fù)荷而急劇增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反應(yīng)中起重要作用，并隨著壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。然后檢測細(xì)胞骨架在壓力下的變化，發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架變形和斷裂（圖3 A），作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，kit配體隨壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。敲低 GPX4 后，YAP 和 β-catenin 不能在壓縮力下被激活（圖3 B-D）。
為了確認(rèn)壓縮力是否可以通過 fer-1 調(diào)節(jié) YAP 通路，實驗檢測了單獨用 fer-1 處理的成骨細(xì)胞和用 fer-1 和壓縮應(yīng)力協(xié)同處理的成骨細(xì)胞。當(dāng)用 Fer-1 處理 MC-3T3 時，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫熒光分析顯示，F(xiàn)er-1 增加了 YAP 水平，降低了 ACSL 和 β-catenin 水平。因此，可以證實 GPX4-依賴性鐵死亡通過壓縮力負(fù)荷刺激 YAP 通路，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑。ROS 測定也證實了壓縮力誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。Fer-1 可以抑制脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的代謝物引起的細(xì)胞死亡。當(dāng) GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促進(jìn)成骨細(xì)胞存活（圖3 E）。為了研究壓縮力對 GPX4 的影響，過表達(dá) GPX4 以檢測 YAP 和catenin 基因表達(dá)的變化，發(fā)現(xiàn)其過表達(dá)增加了成骨細(xì)胞對壓力側(cè)鐵死亡的抵抗力，而且 YAP 和 catenin 在壓縮力作用下增加（圖3 F-I）。這些結(jié)果表明，在壓縮力作用下 GPX4-依賴性鐵死亡刺激 YAP 通路。
最后，實驗發(fā)現(xiàn)在核內(nèi)靶點中，TEAD1 和 TEAD2 水平隨著壓縮力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 處理和壓縮力負(fù)荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均顯著增加。YAP 核蛋白水平也呈現(xiàn)出類似的上升趨勢。與 MC-3T3 相比，壓縮力抑制了敲低 GPX4 的 MC-3T3 中的 TEAD1 和 TEAD2 水平。同時，F(xiàn)er-1促進(jìn)了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 細(xì)胞則表現(xiàn)出相反的趨勢。結(jié)果揭示了，F(xiàn)er-1 對 YAP-TEAD 通路的刺激，該通路將信號從細(xì)胞質(zhì)傳遞到細(xì)胞核，并發(fā)現(xiàn)它對 MC-3T3 中的鐵死亡有潛在影響（圖4 A、B），即 GPX4 在機械壓縮力作用下通過 YAP-TEAD 信號通路促進(jìn)鐵死亡。
綜上所述，該研究描述了機械壓縮力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞鐵死亡的潛在機制，特別是在與 YAP-TEAD 通路相關(guān)的鐵死亡中。此外，GPX4 在壓縮力誘導(dǎo)的鐵死亡中起著至關(guān)重要的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于了解正畸治療中預(yù)防骨質(zhì)破壞的潛在療法。
參考文獻(xiàn)：Mengjia W, Jun J, Xin Z, Jiahao Z, Jie G. GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway. J Cell Mol Med. 2024 Apr;28(7):e18231. doi: 10.1111/jcmm.18231. PMID: 38494855; PMCID: PMC10945084.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38494855
圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻(xiàn)
小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯(lián)系小編。感謝各位的瀏覽以及關(guān)注!進(jìn)入官網(wǎng)www.naturethink.com或關(guān)注"Naturethink"公眾號，了解更多相關(guān)內(nèi)容。
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鐵死亡是一種代謝性死亡類型，其特點是脂質(zhì)過氧化和鐵代謝之間的密切關(guān)系，導(dǎo)致骨骼生長。骨骼中的鐵積累會隨著年齡的增長而增加，并導(dǎo)致骨質(zhì)流失。研究表明，鐵代謝在骨礦化過程中產(chǎn)生顯著的毒性，顯著增加成骨細(xì)胞死亡并降低礦化能力。鐵首先在成骨細(xì)胞中積累，并通過顯著下調(diào)其向骨基質(zhì)的進(jìn)展來影響其分化。先前的研究報道了鐵過載與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)聯(lián)，短暫的鐵過載可能導(dǎo)致骨代謝的完全抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，當(dāng)鐵含量過高時，鐵死亡可能與組織降解有關(guān)。
谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）是一種抗氧化酶，已被發(fā)現(xiàn)通過耗竭谷胱甘肽來調(diào)節(jié)鐵死亡和抑制細(xì)胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂過氧化氫 GPX4 的活性并導(dǎo)致鐵死亡。Fer-1 是一種選擇性 Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡抑制劑，通過阻斷胱氨酸轉(zhuǎn)運和谷胱甘肽產(chǎn)生來抑制氧化的鐵依賴性癌細(xì)胞死亡。
Hippo 通路，如下游同源的轉(zhuǎn)錄共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，從而通過調(diào)節(jié) ACSL4（�；o酶A 合成酶長鏈家族成員4）刺激癌細(xì)胞中的鐵死亡。然而，以前的研究主要集中在與骨耗竭相關(guān)的分子水平和鐵毒性上。一些研究人員認(rèn)為，鐵可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨細(xì)胞分化。鐵對骨礦化的毒性影響是值得注意的，可導(dǎo)致成骨細(xì)胞死亡率顯著上升。因此，鐵代謝與骨代謝的相互作用更為明顯。
最近，山東省口腔組織再生重點實驗室、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院口腔正畸科團隊的一項研究旨在探索應(yīng)力誘導(dǎo)的鐵死亡如何破壞骨重吸收和骨形成之間的平衡。研究成果發(fā)表在 The Journal of Cellular and Molecular Medicine 期刊題為“GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway”。
首先，HE 和 Masson 染色顯示，在成骨細(xì)胞壓力側(cè)細(xì)胞形態(tài)收縮，死亡增加。對小鼠前成骨細(xì)胞 MC3T3 在體外施加壓縮負(fù)荷（1 g/cm2），免疫組化染色顯示，GPX4 水平急劇下降，但這被鐵死亡抑制劑 fer-1 逆轉(zhuǎn)。
在壓縮力下，F(xiàn)er-1 減少成骨細(xì)胞鐵死亡，Erastin 增加鐵死亡。用壓縮力處理 MC-3T3 4h 后，GPX4 水平急劇下降，而 ACSL4 水平上升（圖1 A、B），壓縮力協(xié)同 Fer-1 處理后，GPX4 水平上升，ACSL4 水平下降。有趣的是，與對照組相比，MC-3T3 在壓縮力負(fù)荷 4h 后，在壓力側(cè)發(fā)生了鐵死亡，24h 后發(fā)生在張力側(cè)（圖1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 壓縮負(fù)荷下表現(xiàn)出顯著變化，而拉伸負(fù)荷下無顯著差異。拉伸側(cè)施加壓縮力負(fù)荷 6h 后 GPX4 水平比壓力側(cè)低，導(dǎo)致成骨細(xì)胞鐵死亡（圖1 E、F）。這些結(jié)果證實了 Erastin 和 Fer-1 在機械壓縮力下影響成骨細(xì)胞重塑。
圖1 壓力側(cè)較張力側(cè)較早發(fā)生鐵死亡。
與對照組相比，壓縮力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，F(xiàn)er-1 處理后 GPX4 mRNA 水平升高，ACSL 水平顯著下降（圖2 B、C）。鐵死亡檢測表明，MC-3T3 上的壓縮力負(fù)荷刺激脂質(zhì)過氧化（圖2 A）。這些結(jié)果表明，F(xiàn)er-1 通過壓縮力抑制鐵死亡。此外，還發(fā)現(xiàn) Fer-1 促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。當(dāng)敲低 MC-3T3 細(xì)胞中的 GPX4 時，F(xiàn)er-1 還逆轉(zhuǎn)了 GPX4 誘導(dǎo)的低水平骨變形（圖2 F-I）。這說明，F(xiàn)er-1 調(diào)節(jié) MC-3T3 中的鐵死亡并促進(jìn)骨形成。
接下來，敲低 GPX4，GO 分析顯示，表達(dá)最多的蛋白質(zhì)與“膜的組成部分”和“蛋白質(zhì)結(jié)合”有關(guān)。此外，在對照組和 GPX4 敲低組之間的比較中，定位于細(xì)胞外空間和細(xì)胞核的蛋白質(zhì)占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction”的存在更為顯著�；贙EGG 通路富集的簇分析顯示，“RNA recognition motif domain” 和 “protein kinase domain pathway” 中的蛋白質(zhì)富集程度更高。
圖2 機械壓縮力誘導(dǎo)MC-3T3細(xì)胞鐵死亡。
YAP 水平隨壓縮力負(fù)荷而急劇增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反應(yīng)中起重要作用，并隨著壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。然后檢測細(xì)胞骨架在壓力下的變化，發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架變形和斷裂（圖3 A），作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，kit配體隨壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。敲低 GPX4 后，YAP 和 β-catenin 不能在壓縮力下被激活（圖3 B-D）。
為了確認(rèn)壓縮力是否可以通過 fer-1 調(diào)節(jié) YAP 通路，實驗檢測了單獨用 fer-1 處理的成骨細(xì)胞和用 fer-1 和壓縮應(yīng)力協(xié)同處理的成骨細(xì)胞。當(dāng)用 Fer-1 處理 MC-3T3 時，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫熒光分析顯示，F(xiàn)er-1 增加了 YAP 水平，降低了 ACSL 和 β-catenin 水平。因此，可以證實 GPX4-依賴性鐵死亡通過壓縮力負(fù)荷刺激 YAP 通路，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑。ROS 測定也證實了壓縮力誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。Fer-1 可以抑制脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的代謝物引起的細(xì)胞死亡。當(dāng) GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促進(jìn)成骨細(xì)胞存活（圖3 E）。為了研究壓縮力對 GPX4 的影響，過表達(dá) GPX4 以檢測 YAP 和catenin 基因表達(dá)的變化，發(fā)現(xiàn)其過表達(dá)增加了成骨細(xì)胞對壓力側(cè)鐵死亡的抵抗力，而且 YAP 和 catenin 在壓縮力作用下增加（圖3 F-I）。這些結(jié)果表明，在壓縮力作用下 GPX4-依賴性鐵死亡刺激 YAP 通路。
圖3 Fer-1抑制機械壓力誘導(dǎo)的YAP通路激活。
最后，實驗發(fā)現(xiàn)在核內(nèi)靶點中，TEAD1 和 TEAD2 水平隨著壓縮力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 處理和壓縮力負(fù)荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均顯著增加。YAP 核蛋白水平也呈現(xiàn)出類似的上升趨勢。與 MC-3T3 相比，壓縮力抑制了敲低 GPX4 的 MC-3T3 中的 TEAD1 和 TEAD2 水平。同時，F(xiàn)er-1促進(jìn)了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 細(xì)胞則表現(xiàn)出相反的趨勢。結(jié)果揭示了，F(xiàn)er-1 對 YAP-TEAD 通路的刺激，該通路將信號從細(xì)胞質(zhì)傳遞到細(xì)胞核，并發(fā)現(xiàn)它對 MC-3T3 中的鐵死亡有潛在影響（圖4 A、B），即 GPX4 在機械壓縮力作用下通過 YAP-TEAD 信號通路促進(jìn)鐵死亡。
圖4 壓縮力在MC-3T3鐵死亡中的作用示意圖。
（1）當(dāng)成骨細(xì)胞受到壓縮力負(fù)荷時，整合素接受機械信號傳導(dǎo)至GPX4，隨后YAP細(xì)胞信號激活，導(dǎo)致細(xì)胞增殖受到抑制。（2）壓縮力協(xié)同fer-1處理后，GPX4被恢復(fù)并被誘導(dǎo)抑制YAP通路，隨后細(xì)胞增殖。綜上所述，該研究描述了機械壓縮力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞鐵死亡的潛在機制，特別是在與 YAP-TEAD 通路相關(guān)的鐵死亡中。此外，GPX4 在壓縮力誘導(dǎo)的鐵死亡中起著至關(guān)重要的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于了解正畸治療中預(yù)防骨質(zhì)破壞的潛在療法。
參考文獻(xiàn)：Mengjia W, Jun J, Xin Z, Jiahao Z, Jie G. GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway. J Cell Mol Med. 2024 Apr;28(7):e18231. doi: 10.1111/jcmm.18231. PMID: 38494855; PMCID: PMC10945084.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38494855
圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻(xiàn)
小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯(lián)系小編。感謝各位的瀏覽以及關(guān)注!進(jìn)入官網(wǎng)www.naturethink.com或關(guān)注"Naturethink"公眾號，了解更多相關(guān)內(nèi)容。
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