通过机械刺激的骨细胞初级纤毛和PTH1R调节分泌组及与破骨细胞的通讯
2023-11-27 来源:Naturethink 点击次数:739
机械负荷是骨形成和维持的关键调节因素。骨细胞是骨骼中最丰富的细胞，对机械刺激作出反应，改变调节破骨细胞和成骨细胞功能的分子的释放。在没有机械刺激的情况下，骨细胞产生信号，诱导破骨细胞前体的募集和分化，刺激骨吸收。
甲状旁腺激素1型受体（PTH1R）是甲状旁腺激素受体（PTHRs）成员之一，属于B族G蛋白偶联受体家族（GPCRs），可以潜在地触发骨骼中的几种细胞内信号通路，在骨形成和重塑中起着关键作用。有研究描述了机械刺激可以在没有配体刺激的情况下直接激活PTH1R，这表明甲状旁腺激素（PTH）受体作为机械传感器在骨细胞和成骨细胞中的潜在作用。
骨细胞中的初级纤毛负责检测和介导电磁刺激信号，从而调节破骨细胞活性和功能。最近对PTH1R作为骨细胞和成骨细胞细胞膜机械传感器的作用的描述，表明这种GPCR受体可能在专注于检测机械刺激的细胞器（如初级纤毛）中特别丰富。事实上，PTH1R通过骨细胞和成骨细胞中的初级纤毛和Gli-1依赖性机制诱导促生存作用。然而，PTH1R是否可以在机械刺激期间动员到初级纤毛，以及这种易位如何影响骨细胞-破骨细胞通讯尚不清楚。
基于此，西班牙圣巴勃罗-CEU大学骨生理病理学实验室和基础医学系课题组的一项研究曾假设PTH1R在初级纤毛中形成信号复合物，这对于骨细胞的机械转导至关重要，并影响骨细胞-破骨细胞通讯，研究结果提出了一种基于PTH1R动员到初级纤毛的机制，可以解释PTH或PTH 相关蛋白（PTHrP）联合治疗机械刺激以保持骨量和质量的治疗效果。具体研究成果发表在 The Journal of Cellular Physiology 期刊题为“PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion”。
首先，为了评估初级纤毛和PTH1R对机械刺激迁移的影响，实验使用两种策略抑制了流体流动（FF，10 dynes/cm²，10 min）或PTHrP刺激前骨细胞中初级纤毛的形成，分别是沉默IFT88（纤毛生成和初级纤毛功能所需的蛋白质）或与水合氯醛（主要纤毛抑制剂）预孵育。
与静态条件下相比，来自FF 或 PTHrP 刺激的 MLO-Y4 细胞的条件培养基（CM）显著抑制了小鼠单核细胞 RAW 细胞系的迁移。相比之下，来自IFT88或PTH1R沉默的骨细胞的CM在FF或PTHrP刺激下对单核细胞迁移没有抑制作用。这些数据表明，FF或PTHrP刺激的骨细胞分泌组通过依赖于骨细胞初级纤毛和PTH1R的机制抑制RAW 264.7和人单核细胞的迁移。
然后评估了骨细胞初级纤毛和PTH1R对破骨细胞分化的可能作用。结果观察到，从FF或PTHrP刺激的骨细胞中获得的CM降低了在破骨细胞因子存在下分化为破骨细胞的人单核细胞的百分比（图1 a、b）。即使骨细胞受到FF或PTHrP刺激，也观察到这些作用（图1 a、b）。因此，这些结果表明，机械刺激和PTHrP刺激的骨细胞的分泌组通过依赖于PTH1R和初级纤毛的机制抑制了人单核细胞的破骨生成过程。
接下来，实验确定了MLO-Y4细胞中初级纤毛和PTH1R之间可能的共定位，以及它们的共定位是否会影响两种机械传感器的功能。结果发现，在FF刺激后，70%的纤毛骨细胞表现出PTH1R和原代纤毛的共定位。在这个百分比中，56%的纤毛细胞在纤毛的整个延伸上显示PTH1R定位，而14%仅在纤毛的底部显示共定位。CH预处理消除了纤毛的形成，从而抑制了PTH1R对纤毛的动员，而PTHrP不影响PTH1R的动员。此外，机械刺激的骨细胞的初级纤毛长度增加，同样，CH预处理抑制了这种效应，但不受PTH1R拮抗剂PTHrP的影响。因此，这些结果表明，机械刺激扩大了骨细胞初级纤毛，并触发了PTH1R沿这些细胞的初级纤毛的显著动员。
PTH1R对骨细胞的作用与不同的信号通路有关，包括Gli转录因子的过表达，以及PKA和PKC活化。因此，接着研究了参与MLO-Y4细胞CM调节破骨细胞迁移和分化的信号通路，评估了骨细胞中PKA，PKC或Hedgehog（Hh）信号通路的抑制如何影响小鼠单核细胞系RAW 264.7细胞（图2 a）和人单核细胞（图2 b）的迁移。用Gant61、SQ22536和U-73122（分别为Gli、PKA和PKC抑制剂）预处理骨细胞可降低骨细胞CM对小鼠和人单核细胞迁移的FF和PTHrP依赖性抑制作用（图2 a、b）。然后研究了不同CMs对破骨形成的影响，同样，从用抑制剂Gant61、SQ22536和U-73122预处理的FF或PTHrP刺激的骨细胞获得的CM完全逆转了由非抑制的FF或PTHrP刺激的骨细胞引起的破骨细胞分化的抑制（图2 c）。因此，这些数据表明，FF和PTHrP对骨细胞的刺激抑制了单核细胞的迁移及其通过依赖于Gli、PKA和PKC的作用向破骨细胞的分化。
最后，实验研究了MLO-Y4骨细胞的分泌组，以分析PTH1R对FF刺激或静态下骨细胞分泌的作用，并解开骨细胞分泌的可能调节单核细胞迁移和破骨细胞分化的蛋白质。与SC条件下骨细胞相比，FF刺激的骨细胞的分泌组表现出76种增加的蛋白质和39种降低的蛋白质。研究中骨细胞过表达的一些蛋白质与炎症过程或破骨细胞前体（如CXCL5和IL-6）的募集有关。对此，蛋白质组学数据显示FF抑制CXCL5的分泌，但不抑制IL-6的分泌。相反，PTH1R的沉默诱导IL-6分泌而不影响CXCL5分泌。
基于这些观察结果，使用特异性中和抗体分析了IL-6和CXCL5是否参与调节MLO-Y4细胞中由PTH1R-和初级纤毛依赖性机制诱导的破骨细胞迁移和分化（图3）。SC下骨细胞的CM引起单核细胞迁移和破骨细胞分化的增加，而用抗CXCL5或抗IL-6抗体预处理骨细胞CM可抑制这一效应。此外，FF在有或没有CXCL5或IL-6中和的情况下均减少了单核细胞迁移和破骨细胞分化（图3）。然而，当来自骨细胞的初级纤毛或PTH1R分别被CH或PTHrP抑制时，CXCL5中和对单核细胞迁移或破骨细胞分化没有影响（图3 a-c）。相反，抗IL-6不仅逆转SC条件下迁移（图3 b）和破骨细胞形成（图3 c），而且在CH或PTHrP存在时也能逆转（图3 a-c）。因此，在FF条件下，抑制Gli、PKA或PKC通路诱导的破骨细胞生成过程可以通过IL-6中和逆转，但不能通过CXCL5抗体预孵育逆转（图3 d）。
这些发现表明，骨细胞中功能性初级纤毛和PTH1R的存在对于与破骨细胞的正确通信是必要的，并表明机械刺激通过CXCL5抑制破骨细胞的募集和分化，而PTH1R活化通过IL-6调节破骨细胞（图4）。
图3 机械刺激通过依赖于 CXCL5 和 IL-6 的机制抑制破骨细胞的募集和分化。
图4 骨细胞中破骨细胞募集和分化受初代纤毛和PTH1R调控的机制。
总之，该研究结果支持骨细胞中需要功能性初级纤毛和PTH1R来调节这些细胞的分泌组及其与破骨细胞的通讯。因此，机械刺激的骨细胞通过减少CXCL5分泌来抑制破骨细胞的募集和分化，而骨细胞PTH1R的激活通过调节Il-6分泌来调控破骨细胞。
参考文献：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.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35933642/
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甲状旁腺激素1型受体（PTH1R）是甲状旁腺激素受体（PTHRs）成员之一，属于B族G蛋白偶联受体家族（GPCRs），可以潜在地触发骨骼中的几种细胞内信号通路，在骨形成和重塑中起着关键作用。有研究描述了机械刺激可以在没有配体刺激的情况下直接激活PTH1R，这表明甲状旁腺激素（PTH）受体作为机械传感器在骨细胞和成骨细胞中的潜在作用。
骨细胞中的初级纤毛负责检测和介导电磁刺激信号，从而调节破骨细胞活性和功能。最近对PTH1R作为骨细胞和成骨细胞细胞膜机械传感器的作用的描述，表明这种GPCR受体可能在专注于检测机械刺激的细胞器（如初级纤毛）中特别丰富。事实上，PTH1R通过骨细胞和成骨细胞中的初级纤毛和Gli-1依赖性机制诱导促生存作用。然而，PTH1R是否可以在机械刺激期间动员到初级纤毛，以及这种易位如何影响骨细胞-破骨细胞通讯尚不清楚。
基于此，西班牙圣巴勃罗-CEU大学骨生理病理学实验室和基础医学系课题组的一项研究曾假设PTH1R在初级纤毛中形成信号复合物，这对于骨细胞的机械转导至关重要，并影响骨细胞-破骨细胞通讯，研究结果提出了一种基于PTH1R动员到初级纤毛的机制，可以解释PTH或PTH 相关蛋白（PTHrP）联合治疗机械刺激以保持骨量和质量的治疗效果。具体研究成果发表在 The Journal of Cellular Physiology 期刊题为“PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion”。
首先，为了评估初级纤毛和PTH1R对机械刺激迁移的影响，实验使用两种策略抑制了流体流动（FF，10 dynes/cm²，10 min）或PTHrP刺激前骨细胞中初级纤毛的形成，分别是沉默IFT88（纤毛生成和初级纤毛功能所需的蛋白质）或与水合氯醛（主要纤毛抑制剂）预孵育。
与静态条件下相比，来自FF 或 PTHrP 刺激的 MLO-Y4 细胞的条件培养基（CM）显著抑制了小鼠单核细胞 RAW 细胞系的迁移。相比之下，来自IFT88或PTH1R沉默的骨细胞的CM在FF或PTHrP刺激下对单核细胞迁移没有抑制作用。这些数据表明，FF或PTHrP刺激的骨细胞分泌组通过依赖于骨细胞初级纤毛和PTH1R的机制抑制RAW 264.7和人单核细胞的迁移。
然后评估了骨细胞初级纤毛和PTH1R对破骨细胞分化的可能作用。结果观察到，从FF或PTHrP刺激的骨细胞中获得的CM降低了在破骨细胞因子存在下分化为破骨细胞的人单核细胞的百分比（图1 a、b）。即使骨细胞受到FF或PTHrP刺激，也观察到这些作用（图1 a、b）。因此，这些结果表明，机械刺激和PTHrP刺激的骨细胞的分泌组通过依赖于PTH1R和初级纤毛的机制抑制了人单核细胞的破骨生成过程。
图1 来自机械刺激的MLO-Y4细胞的分泌组通过依赖于初级纤毛和PTH1R的机制减少人单核细胞向破骨细胞的分化。
接下来，实验确定了MLO-Y4细胞中初级纤毛和PTH1R之间可能的共定位，以及它们的共定位是否会影响两种机械传感器的功能。结果发现，在FF刺激后，70%的纤毛骨细胞表现出PTH1R和原代纤毛的共定位。在这个百分比中，56%的纤毛细胞在纤毛的整个延伸上显示PTH1R定位，而14%仅在纤毛的底部显示共定位。CH预处理消除了纤毛的形成，从而抑制了PTH1R对纤毛的动员，而PTHrP不影响PTH1R的动员。此外，机械刺激的骨细胞的初级纤毛长度增加，同样，CH预处理抑制了这种效应，但不受PTH1R拮抗剂PTHrP的影响。因此，这些结果表明，机械刺激扩大了骨细胞初级纤毛，并触发了PTH1R沿这些细胞的初级纤毛的显著动员。
PTH1R对骨细胞的作用与不同的信号通路有关，包括Gli转录因子的过表达，以及PKA和PKC活化。因此，接着研究了参与MLO-Y4细胞CM调节破骨细胞迁移和分化的信号通路，评估了骨细胞中PKA，PKC或Hedgehog（Hh）信号通路的抑制如何影响小鼠单核细胞系RAW 264.7细胞（图2 a）和人单核细胞（图2 b）的迁移。用Gant61、SQ22536和U-73122（分别为Gli、PKA和PKC抑制剂）预处理骨细胞可降低骨细胞CM对小鼠和人单核细胞迁移的FF和PTHrP依赖性抑制作用（图2 a、b）。然后研究了不同CMs对破骨形成的影响，同样，从用抑制剂Gant61、SQ22536和U-73122预处理的FF或PTHrP刺激的骨细胞获得的CM完全逆转了由非抑制的FF或PTHrP刺激的骨细胞引起的破骨细胞分化的抑制（图2 c）。因此，这些数据表明，FF和PTHrP对骨细胞的刺激抑制了单核细胞的迁移及其通过依赖于Gli、PKA和PKC的作用向破骨细胞的分化。
图2 骨细胞hegdehog，PKA和PKC信号通路参与MLO Y4 CM依赖性单核细胞迁移和破骨形成的调节。
最后，实验研究了MLO-Y4骨细胞的分泌组，以分析PTH1R对FF刺激或静态下骨细胞分泌的作用，并解开骨细胞分泌的可能调节单核细胞迁移和破骨细胞分化的蛋白质。与SC条件下骨细胞相比，FF刺激的骨细胞的分泌组表现出76种增加的蛋白质和39种降低的蛋白质。研究中骨细胞过表达的一些蛋白质与炎症过程或破骨细胞前体（如CXCL5和IL-6）的募集有关。对此，蛋白质组学数据显示FF抑制CXCL5的分泌，但不抑制IL-6的分泌。相反，PTH1R的沉默诱导IL-6分泌而不影响CXCL5分泌。
基于这些观察结果，使用特异性中和抗体分析了IL-6和CXCL5是否参与调节MLO-Y4细胞中由PTH1R-和初级纤毛依赖性机制诱导的破骨细胞迁移和分化（图3）。SC下骨细胞的CM引起单核细胞迁移和破骨细胞分化的增加，而用抗CXCL5或抗IL-6抗体预处理骨细胞CM可抑制这一效应。此外，FF在有或没有CXCL5或IL-6中和的情况下均减少了单核细胞迁移和破骨细胞分化（图3）。然而，当来自骨细胞的初级纤毛或PTH1R分别被CH或PTHrP抑制时，CXCL5中和对单核细胞迁移或破骨细胞分化没有影响（图3 a-c）。相反，抗IL-6不仅逆转SC条件下迁移（图3 b）和破骨细胞形成（图3 c），而且在CH或PTHrP存在时也能逆转（图3 a-c）。因此，在FF条件下，抑制Gli、PKA或PKC通路诱导的破骨细胞生成过程可以通过IL-6中和逆转，但不能通过CXCL5抗体预孵育逆转（图3 d）。
这些发现表明，骨细胞中功能性初级纤毛和PTH1R的存在对于与破骨细胞的正确通信是必要的，并表明机械刺激通过CXCL5抑制破骨细胞的募集和分化，而PTH1R活化通过IL-6调节破骨细胞（图4）。
图3 机械刺激通过依赖于 CXCL5 和 IL-6 的机制抑制破骨细胞的募集和分化。
图4 骨细胞中破骨细胞募集和分化受初代纤毛和PTH1R调控的机制。
总之，该研究结果支持骨细胞中需要功能性初级纤毛和PTH1R来调节这些细胞的分泌组及其与破骨细胞的通讯。因此，机械刺激的骨细胞通过减少CXCL5分泌来抑制破骨细胞的募集和分化，而骨细胞PTH1R的激活通过调节Il-6分泌来调控破骨细胞。
参考文献：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.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35933642/
小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。感谢各位的浏览以及关注！
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细胞流体剪切力|共培养|压力培养|牵张应变|血管培养|平行平板流动腔|仪器|上海泉众机电科技有限公司
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