通過機械刺激的骨細胞初級纖毛和PTH1R調節(jié)分泌組及與破骨細胞的通訊

機械負荷是骨形成和維持的關鍵調節(jié)因素。骨細胞是骨骼中最豐富的細胞，對機械刺激作出反應，改變調節(jié)破骨細胞和成骨細胞功能的分子的釋放。在沒有機械刺激的情況下，骨細胞產(chǎn)生信號，誘導破骨細胞前體的募集和分化，刺激骨吸收。

甲狀旁腺激素1型受體（PTH1R）是甲狀旁腺激素受體（PTHRs）成員之一，屬于B族G蛋白偶聯(lián)受體家族（GPCRs），可以潛在地觸發(fā)骨骼中的幾種細胞內(nèi)信號通路，在骨形成和重塑中起著關鍵作用。有研究描述了機械刺激可以在沒有配體刺激的情況下直接激活PTH1R，這表明甲狀旁腺激素（PTH）受體作為機械傳感器在骨細胞和成骨細胞中的潛在作用。

骨細胞中的初級纖毛負責檢測和介導電磁刺激信號，從而調節(jié)破骨細胞活性和功能。最近對PTH1R作為骨細胞和成骨細胞細胞膜機械傳感器的作用的描述，表明這種GPCR受體可能在專注于檢測機械刺激的細胞器（如初級纖毛）中特別豐富。事實上，PTH1R通過骨細胞和成骨細胞中的初級纖毛和Gli-1依賴性機制誘導促生存作用。然而，PTH1R是否可以在機械刺激期間動員到初級纖毛，以及這種易位如何影響骨細胞-破骨細胞通訊尚不清楚。

基于此，西班牙圣巴勃羅-CEU大學骨生理病理學實驗室和基礎醫(yī)學系課題組的一項研究曾假設PTH1R在初級纖毛中形成信號復合物，這對于骨細胞的機械轉導至關重要，并影響骨細胞-破骨細胞通訊，研究結果提出了一種基于PTH1R動員到初級纖毛的機制，可以解釋PTH或PTH 相關蛋白（PTHrP）聯(lián)合治療機械刺激以保持骨量和質量的治療效果。具體研究成果發(fā)表在 The Journal of Cellular Physiology 期刊題為“PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion”。
 
首先，為了評估初級纖毛和PTH1R對機械刺激遷移的影響，實驗使用兩種策略抑制了流體流動（FF，10 dynes/cm²，10 min）或PTHrP刺激前骨細胞中初級纖毛的形成，分別是沉默IFT88（纖毛生成和初級纖毛功能所需的蛋白質）或與水合氯醛（主要纖毛抑制劑）預孵育。

與靜態(tài)條件下相比，來自FF 或 PTHrP 刺激的 MLO-Y4 細胞的條件培養(yǎng)基（CM）顯著抑制了小鼠單核細胞 RAW 細胞系的遷移。相比之下，來自IFT88或PTH1R沉默的骨細胞的CM在FF或PTHrP刺激下對單核細胞遷移沒有抑制作用。這些數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)F或PTHrP刺激的骨細胞分泌組通過依賴于骨細胞初級纖毛和PTH1R的機制抑制RAW 264.7和人單核細胞的遷移。

然后評估了骨細胞初級纖毛和PTH1R對破骨細胞分化的可能作用。結果觀察到，從FF或PTHrP刺激的骨細胞中獲得的CM降低了在破骨細胞因子存在下分化為破骨細胞的人單核細胞的百分比（圖1 a、b）。即使骨細胞受到FF或PTHrP刺激，也觀察到這些作用（圖1 a、b）。因此，這些結果表明，機械刺激和PTHrP刺激的骨細胞的分泌組通過依賴于PTH1R和初級纖毛的機制抑制了人單核細胞的破骨生成過程。
接下來，實驗確定了MLO-Y4細胞中初級纖毛和PTH1R之間可能的共定位，以及它們的共定位是否會影響兩種機械傳感器的功能。結果發(fā)現(xiàn)，在FF刺激后，70%的纖毛骨細胞表現(xiàn)出PTH1R和原代纖毛的共定位。在這個百分比中，56%的纖毛細胞在纖毛的整個延伸上顯示PTH1R定位，而14%僅在纖毛的底部顯示共定位。CH預處理消除了纖毛的形成，從而抑制了PTH1R對纖毛的動員，而PTHrP不影響PTH1R的動員。此外，機械刺激的骨細胞的初級纖毛長度增加，同樣，CH預處理抑制了這種效應，但不受PTH1R拮抗劑PTHrP的影響。因此，這些結果表明，機械刺激擴大了骨細胞初級纖毛，并觸發(fā)了PTH1R沿這些細胞的初級纖毛的顯著動員。

PTH1R對骨細胞的作用與不同的信號通路有關，包括Gli轉錄因子的過表達，以及PKA和PKC活化。因此，接著研究了參與MLO-Y4細胞CM調節(jié)破骨細胞遷移和分化的信號通路，評估了骨細胞中PKA，PKC或Hedgehog（Hh）信號通路的抑制如何影響小鼠單核細胞系RAW 264.7細胞（圖2 a）和人單核細胞（圖2 b）的遷移。用Gant61、SQ22536和U-73122（分別為Gli、PKA和PKC抑制劑）預處理骨細胞可降低骨細胞CM對小鼠和人單核細胞遷移的FF和PTHrP依賴性抑制作用（圖2 a、b）。然后研究了不同CMs對破骨形成的影響，同樣，從用抑制劑Gant61、SQ22536和U-73122預處理的FF或PTHrP刺激的骨細胞獲得的CM完全逆轉了由非抑制的FF或PTHrP刺激的骨細胞引起的破骨細胞分化的抑制（圖2 c）。因此，這些數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)F和PTHrP對骨細胞的刺激抑制了單核細胞的遷移及其通過依賴于Gli、PKA和PKC的作用向破骨細胞的分化。
最后，實驗研究了MLO-Y4骨細胞的分泌組，以分析PTH1R對FF刺激或靜態(tài)下骨細胞分泌的作用，并解開骨細胞分泌的可能調節(jié)單核細胞遷移和破骨細胞分化的蛋白質。與SC條件下骨細胞相比，F(xiàn)F刺激的骨細胞的分泌組表現(xiàn)出76種增加的蛋白質和39種降低的蛋白質。研究中骨細胞過表達的一些蛋白質與炎癥過程或破骨細胞前體（如CXCL5和IL-6）的募集有關。對此，蛋白質組學數(shù)據(jù)顯示FF抑制CXCL5的分泌，但不抑制IL-6的分泌。相反，PTH1R的沉默誘導IL-6分泌而不影響CXCL5分泌。

基于這些觀察結果，使用特異性中和抗體分析了IL-6和CXCL5是否參與調節(jié)MLO-Y4細胞中由PTH1R-和初級纖毛依賴性機制誘導的破骨細胞遷移和分化（圖3）。SC下骨細胞的CM引起單核細胞遷移和破骨細胞分化的增加，而用抗CXCL5或抗IL-6抗體預處理骨細胞CM可抑制這一效應。此外，F(xiàn)F在有或沒有CXCL5或IL-6中和的情況下均減少了單核細胞遷移和破骨細胞分化（圖3）。然而，當來自骨細胞的初級纖毛或PTH1R分別被CH或PTHrP抑制時，CXCL5中和對單核細胞遷移或破骨細胞分化沒有影響（圖3 a-c）。相反，抗IL-6不僅逆轉SC條件下遷移（圖3 b）和破骨細胞形成（圖3 c），而且在CH或PTHrP存在時也能逆轉（圖3 a-c）。因此，在FF條件下，抑制Gli、PKA或PKC通路誘導的破骨細胞生成過程可以通過IL-6中和逆轉，但不能通過CXCL5抗體預孵育逆轉（圖3 d）。

這些發(fā)現(xiàn)表明，骨細胞中功能性初級纖毛和PTH1R的存在對于與破骨細胞的正確通信是必要的，并表明機械刺激通過CXCL5抑制破骨細胞的募集和分化，而PTH1R活化通過IL-6調節(jié)破骨細胞（圖4）。
總之，該研究結果支持骨細胞中需要功能性初級纖毛和PTH1R來調節(jié)這些細胞的分泌組及其與破骨細胞的通訊。因此，機械刺激的骨細胞通過減少CXCL5分泌來抑制破骨細胞的募集和分化，而骨細胞PTH1R的激活通過調節(jié)Il-6分泌來調控破骨細胞。

參考文獻：Tirado-Cabrera I, Martin-Guerrero E, Heredero-Jimenez S, Ardura JA, Gortázar AR. PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion. J Cell Physiol. 2022 Oct;237(10):3927-3943. doi: 10.1002/jcp.30849. Epub 2022 Aug 7. PMID: 35933642; PMCID: PMC9804361.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35933642/

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