機械應力下 GPX4 介導的骨鐵死亡通過 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胞和破骨細胞之間達到平衡。它有兩種類型，壓力側和張力側，會導致骨吸收和骨形成。當體外機械應力施加到骨組織時，成骨細胞和破骨細胞受到相應的拉伸力和壓縮力，導致骨破壞和鐵死亡反應，改變骨小梁排列和密度，進而誘導病理性骨重塑。
鐵死亡是一種代謝性死亡類型，其特點是脂質過氧化和鐵代謝之間的密切關系，導致骨骼生長。骨骼中的鐵積累會隨著年齡的增長而增加，并導致骨質流失。研究表明，鐵代謝在骨礦化過程中產生顯著的毒性，顯著增加成骨細胞死亡并降低礦化能力。鐵首先在成骨細胞中積累，并通過顯著下調其向骨基質的進展來影響其分化。先前的研究報道了鐵過載與骨質疏松癥之間的關聯，短暫的鐵過載可能導致骨代謝的完全抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，當鐵含量過高時，鐵死亡可能與組織降解有關。
谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）是一種抗氧化酶，已被發現通過耗竭谷胱甘肽來調節鐵死亡和抑制細胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂過氧化氫 GPX4 的活性并導致鐵死亡。Fer-1 是一種選擇性 Erastin 誘導的鐵死亡抑制劑，通過阻斷胱氨酸轉運和谷胱甘肽產生來抑制氧化的鐵依賴性癌細胞死亡。
Hippo 通路，如下游同源的轉錄共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，從而通過調節 ACSL4（酰基輔酶A 合成酶長鏈家族成員4）刺激癌細胞中的鐵死亡。然而，以前的研究主要集中在與骨耗竭相關的分子水平和鐵毒性上。一些研究人員認為，鐵可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨細胞分化。鐵對骨礦化的毒性影響是值得注意的，可導致成骨細胞死亡率顯著上升。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、南京大學醫學院附屬口腔醫院口腔正畸科團隊的一項研究旨在探索應力誘導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，在成骨細胞壓力側細胞形態收縮，死亡增加。對小鼠前成骨細胞 MC3T3 在體外施加壓縮負荷（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。
在壓縮力下，Fer-1 減少成骨細胞鐵死亡，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 在壓縮力負荷 4h 后，在壓力側發生了鐵死亡，24h 后發生在張力側（圖1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 壓縮負荷下表現出顯著變化，而拉伸負荷下無顯著差異。拉伸側施加壓縮力負荷 6h 后 GPX4 水平比壓力側低，導致成骨細胞鐵死亡（圖1 E、F）。這些結果證實了 Erastin 和 Fer-1 在機械壓縮力下影響成骨細胞重塑。
與對照組相比，壓縮力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，Fer-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 上的壓縮力負荷刺激脂質過氧化（圖2 A）。這些結果表明，Fer-1 通過壓縮力抑制鐵死亡。此外，還發現 Fer-1 促進成骨細胞分化。當敲低 MC-3T3 細胞中的 GPX4 時，Fer-1 還逆轉了 GPX4 誘導的低水平骨變形（圖2 F-I）。這說明，Fer-1 調節 MC-3T3 中的鐵死亡并促進骨形成。
接下來，敲低 GPX4，GO 分析顯示，表達最多的蛋白質與“膜的組成部分”和“蛋白質結合”有關。此外，在對照組和 GPX4 敲低組之間的比較中，定位于細胞外空間和細胞核的蛋白質占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction”的存在更為顯著。基于KEGG 通路富集的簇分析顯示，“RNA recognition motif domain” 和 “protein kinase domain pathway” 中的蛋白質富集程度更高。
YAP 水平隨壓縮力負荷而急劇增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反應中起重要作用，并隨著壓縮力負荷和 Fer-1 處理的增加而增加。然后檢測細胞骨架在壓力下的變化，發現壓縮應力誘導細胞骨架變形和斷裂（圖3 A），作為信號轉導因子，kit配體隨壓縮力負荷和 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）。
為了確認壓縮力是否可以通過 fer-1 調節 YAP 通路，實驗檢測了單獨用 fer-1 處理的成骨細胞和用 fer-1 和壓縮應力協同處理的成骨細胞。當用 Fer-1 處理 MC-3T3 時，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫熒光分析顯示，Fer-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荷刺激 YAP 通路，導致細胞結構重塑。ROS 測定也證實了壓縮力誘導的細胞死亡。Fer-1 可以抑制脂質過氧化產生的代謝物引起的細胞死亡。當 GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促進成骨細胞存活（圖3 E）。為了研究壓縮力對 GPX4 的影響，過表達 GPX4 以檢測 YAP 和catenin 基因表達的變化，發現其過表達增加了成骨細胞對壓力側鐵死亡的抵抗力，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，實驗發現在核內靶點中，TEAD1 和 TEAD2 水平隨著壓縮力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 處理和壓縮力負荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均顯著增加。YAP 核蛋白水平也呈現出類似的上升趨勢。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，Fer-1促進了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 細胞則表現出相反的趨勢。結果揭示了，Fer-1 對 YAP-TEAD 通路的刺激，該通路將信號從細胞質傳遞到細胞核，并發現它對 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 信號通路促進鐵死亡。
綜上所述，該研究描述了機械壓縮力誘導的成骨細胞鐵死亡的潛在機制，特別是在與 YAP-TEAD 通路相關的鐵死亡中。此外，GPX4 在壓縮力誘導的鐵死亡中起著至關重要的作用。這一發現可能有助于了解正畸治療中預防骨質破壞的潛在療法。
參考文獻：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
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鐵死亡是一種代謝性死亡類型，其特點是脂質過氧化和鐵代謝之間的密切關系，導致骨骼生長。骨骼中的鐵積累會隨著年齡的增長而增加，并導致骨質流失。研究表明，鐵代謝在骨礦化過程中產生顯著的毒性，顯著增加成骨細胞死亡并降低礦化能力。鐵首先在成骨細胞中積累，并通過顯著下調其向骨基質的進展來影響其分化。先前的研究報道了鐵過載與骨質疏松癥之間的關聯，短暫的鐵過載可能導致骨代謝的完全抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，當鐵含量過高時，鐵死亡可能與組織降解有關。
谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）是一種抗氧化酶，已被發現通過耗竭谷胱甘肽來調節鐵死亡和抑制細胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂過氧化氫 GPX4 的活性并導致鐵死亡。Fer-1 是一種選擇性 Erastin 誘導的鐵死亡抑制劑，通過阻斷胱氨酸轉運和谷胱甘肽產生來抑制氧化的鐵依賴性癌細胞死亡。
Hippo 通路，如下游同源的轉錄共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，從而通過調節 ACSL4（酰基輔酶A 合成酶長鏈家族成員4）刺激癌細胞中的鐵死亡。然而，以前的研究主要集中在與骨耗竭相關的分子水平和鐵毒性上。一些研究人員認為，鐵可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨細胞分化。鐵對骨礦化的毒性影響是值得注意的，可導致成骨細胞死亡率顯著上升。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、南京大學醫學院附屬口腔醫院口腔正畸科團隊的一項研究旨在探索應力誘導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，在成骨細胞壓力側細胞形態收縮，死亡增加。對小鼠前成骨細胞 MC3T3 在體外施加壓縮負荷（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。
在壓縮力下，Fer-1 減少成骨細胞鐵死亡，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 在壓縮力負荷 4h 后，在壓力側發生了鐵死亡，24h 后發生在張力側（圖1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 壓縮負荷下表現出顯著變化，而拉伸負荷下無顯著差異。拉伸側施加壓縮力負荷 6h 后 GPX4 水平比壓力側低，導致成骨細胞鐵死亡（圖1 E、F）。這些結果證實了 Erastin 和 Fer-1 在機械壓縮力下影響成骨細胞重塑。
圖1 壓力側較張力側較早發生鐵死亡。
與對照組相比，壓縮力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，Fer-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 上的壓縮力負荷刺激脂質過氧化（圖2 A）。這些結果表明，Fer-1 通過壓縮力抑制鐵死亡。此外，還發現 Fer-1 促進成骨細胞分化。當敲低 MC-3T3 細胞中的 GPX4 時，Fer-1 還逆轉了 GPX4 誘導的低水平骨變形（圖2 F-I）。這說明，Fer-1 調節 MC-3T3 中的鐵死亡并促進骨形成。
接下來，敲低 GPX4，GO 分析顯示，表達最多的蛋白質與“膜的組成部分”和“蛋白質結合”有關。此外，在對照組和 GPX4 敲低組之間的比較中，定位于細胞外空間和細胞核的蛋白質占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction”的存在更為顯著。基于KEGG 通路富集的簇分析顯示，“RNA recognition motif domain” 和 “protein kinase domain pathway” 中的蛋白質富集程度更高。
圖2 機械壓縮力誘導MC-3T3細胞鐵死亡。
YAP 水平隨壓縮力負荷而急劇增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反應中起重要作用，并隨著壓縮力負荷和 Fer-1 處理的增加而增加。然后檢測細胞骨架在壓力下的變化，發現壓縮應力誘導細胞骨架變形和斷裂（圖3 A），作為信號轉導因子，kit配體隨壓縮力負荷和 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）。
為了確認壓縮力是否可以通過 fer-1 調節 YAP 通路，實驗檢測了單獨用 fer-1 處理的成骨細胞和用 fer-1 和壓縮應力協同處理的成骨細胞。當用 Fer-1 處理 MC-3T3 時，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫熒光分析顯示，Fer-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荷刺激 YAP 通路，導致細胞結構重塑。ROS 測定也證實了壓縮力誘導的細胞死亡。Fer-1 可以抑制脂質過氧化產生的代謝物引起的細胞死亡。當 GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促進成骨細胞存活（圖3 E）。為了研究壓縮力對 GPX4 的影響，過表達 GPX4 以檢測 YAP 和catenin 基因表達的變化，發現其過表達增加了成骨細胞對壓力側鐵死亡的抵抗力，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抑制機械壓力誘導的YAP通路激活。
最后，實驗發現在核內靶點中，TEAD1 和 TEAD2 水平隨著壓縮力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 處理和壓縮力負荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均顯著增加。YAP 核蛋白水平也呈現出類似的上升趨勢。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，Fer-1促進了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 細胞則表現出相反的趨勢。結果揭示了，Fer-1 對 YAP-TEAD 通路的刺激，該通路將信號從細胞質傳遞到細胞核，并發現它對 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 信號通路促進鐵死亡。
圖4 壓縮力在MC-3T3鐵死亡中的作用示意圖。
（1）當成骨細胞受到壓縮力負荷時，整合素接受機械信號傳導至GPX4，隨后YAP細胞信號激活，導致細胞增殖受到抑制。（2）壓縮力協同fer-1處理后，GPX4被恢復并被誘導抑制YAP通路，隨后細胞增殖。綜上所述，該研究描述了機械壓縮力誘導的成骨細胞鐵死亡的潛在機制，特別是在與 YAP-TEAD 通路相關的鐵死亡中。此外，GPX4 在壓縮力誘導的鐵死亡中起著至關重要的作用。這一發現可能有助于了解正畸治療中預防骨質破壞的潛在療法。
參考文獻：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
小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注!進入官網www.naturethink.com或關注"Naturethink"公眾號，了解更多相關內容。
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