中科院1区： 厦大等团队揭示牛磺酸通过上调OGTGpx4信号抑制前交叉韧带横断诱导的骨关节炎软骨细胞铁死亡

  福建省化学生物学重点实验室-厦门大学化学与化学工程学院光谱化学分析与仪器教育部重点实验室抗氧化剂牛磺酸通过上调OGT/Gpx4信号抑制前交叉韧带横断诱导的骨关节炎软骨细胞铁死亡

  采用前交叉韧带横断（ACLT）手术构建骨关节炎（OA）动物模型。代谢组学用于鉴定骨关节炎软骨细胞中的特征代谢物。转录组学和代谢组学用于探索小分子代谢产物牛磺酸保护炎症软骨细胞损伤的潜在机制。细胞转染和小分子抑制剂/激动剂用于验证牛磺酸在体外保护炎性软骨细胞的分子机制。最后，使用腺相关病毒和小分子抑制剂/激动剂来验证牛磺酸在体内防止软骨退化的分子机制。

  代谢组学分析确定牛磺酸可能是OA进展中的关键代谢分子。转录组学和代谢组学表明，O-GlcNAc转移酶（OGT）依赖性O-GlcNA酰化和Gpx4依赖性铁下垂可能介导牛磺酸对软骨细胞的炎症保护作用，这进一步得到了体外功能获得和丧失的证实。随后，进一步的实验表明，Gpx4和OGT蛋白有几率存在直接结合位点，这为Gpx4蛋白的O-GlcNAc修饰的存在提供了证据。最后，我们证明了Gpx4依赖性铁下垂和OGT依赖性O-GlcNA酰化可能是牛磺酸在体内防止软骨退化的潜在机制。

  抗氧化剂牛磺酸通过上调OGT/Gpx4信号传导抑制软骨细胞铁凋亡。补充牛磺酸是一种安全的非必需氨基酸，可能是治疗骨性关节炎的潜在策略。

  骨关节炎（OA）是一种慢性炎症性关节疾病，其特征是软骨退化、滑膜炎症和软骨下骨重塑。OA患者经常会出现关节疼痛、肿胀、僵硬和活动能力受损等不适，严重时会导致关节畸形和残疾，给患者的家庭和社会带来沉重负担。尽管体育活动的好处是众所周知的，但之前的研究表明，世界上30%的人口未达到世界卫生组织（世界卫生组织）建议的体育活动水平。2012年，Hallal等人报告称，全球约31%的成年人和约80%的青少年被归类为不运动。近年来，随着“全民健身”概念的普及，人们参与体育运动的热情慢慢的升高，尤其是青少年群体，这也导致了运动损伤病例的迅速增加。据估计，美国每年有250000例前交叉韧带（ACL）损伤，导致运动参与度降低和关节功能障碍。创伤性关节损伤是创伤后骨性关节炎（PTOA）的重要危险因素。先前的研究发现，ACL损伤后膝关节PTOA的发生率是未受伤个体的4.2倍。据估计，将ACL损伤后膝OA的发病率减半，仅在美国每年即可节省11亿美元的成本。作为一种常见的运动损伤，ACL损伤继发的PTOA受到了广泛关注。然而，目前还没有有效的临床策略来完全逆转PTOA的进程。目前，骨性关节炎的临床治疗最重要的包含药物和手术治疗。由于缺乏批准的疾病改善药物（DMOAD），药物医治主要是基于止痛非甾体抗炎药（NSAIDs），这些药物通常具有胃肠道副作用以及心血管或肾脏风险，严重时甚至会出现电解质紊乱和肾功能衰竭。由于手术相关的创伤及其潜在的并发症，只有当患者在OA晚期疼痛无法缓解时，才会选择手术治疗。此外，一些临床实践表明，富血小板血浆（PRP）策略在促进PTOA软骨再生方面显示出良好的潜力。然而，PRP的制备和使用也存在一定的感染风险。此外，还缺乏足够的临床证据说明PRP能有效延缓OA进展。总的来说，目前缺乏逆转PTOA病理变化的有效策略。累积证据说明，PTOA是一种独特的OA表型，表明PTOA有几率存在更具针对性的治疗策略。这一假设在分子病理生理学水平上得到了证实。与别的类型的OA不同，运动损伤继发的PTOA具有明确的损伤事件，如ACL损伤、半月板撕裂和髌骨脱位。这一明确的“起点”事件开辟了靶向治疗PTOA的可能性，能够及时检测和评估关节损伤的程度和关节损伤后的病理进展，以指导和修改治疗策略，从而防止膝关节软骨退化和不可逆的关节损伤。然而，如何科学有效地预防ACL损伤后继发性OA是一个令人窒息的问题。

  代谢组学作为生命科学研究中的一种新兴研究工具，能够最终靠高通量检测和分析细胞代谢的小分子底物、中间体和终产物，即时反映和理解细胞生理和病理的动态变化，从而从代谢的角度解释疾病发生和进展过程中的内在机制。因此，通过探索OA疾病进展中关键代谢分子和相关代谢途径的变化模式，有希望筛选有意义的PTOA相关代谢标志物或确定有前景的治疗靶点。然而，仅能关联疾病的单一组学研究主要反映了疾病过程的变化，而无法解释因果关系。在我们的研究中，我们结合代谢组学和转录组学对炎性软骨细胞进行了多组学分析，以探索OA进展的潜在机制。多组学的好处是，一种组学技术能弥补另一种技术的不足，提供分子复杂性的全面概述，从而更全面地了解导致疾病的分子变化。然而，高通量筛选技术只能基于高度复杂的计算分析提供分子调控网络的预测。因此，需要更深入的分子生物学方法来充分验证组学技术的结果。

  牛磺酸是一种非必需氨基酸，由蛋氨酸和半胱氨酸通过半胱氨酸亚磺酸脱羧酶（CSD）合成，它在体内以游离状态存在，不参与蛋白质合成。牛磺酸即β-氨基乙磺酸,是一种含硫的非蛋白氨基酸,最早从牛黄中提取的；是人体内最丰富的游离硫氨基酸，广泛分布于人体组织中，包括大脑、胰腺、视网膜、神经元、骨骼和肌肉。尽管牛磺酸可以在肝脏和胰腺中生物合成（牛磺酸也被发现在星形胶质细胞和神经元等神经细胞以及脂肪细胞中合成），但人体严重依赖鱼类和肉类等饮食来源的牛磺酸。累积研究表明，牛磺酸被广泛用作一种强效抗氧化剂，在肿瘤、心肌损伤和骨质疏松症等多种疾病中起着重要的抗氧化作用。最近发表在《科学》杂志上的一项研究报告称，血清牛磺酸水平随年纪的增长而逐渐降低。补充牛磺酸可能与预防许多疾病紧密关联，尤其是衰老。因此，我们推测牛磺酸可能通过抗氧化作用在PTOA病变中发挥软骨保护作用。基于此，在本文中，我们通过多组学分析深入研究了牛磺酸防止软骨退化的潜在机制。我们假设牛磺酸可能通过调节氧化应激相关的铁死亡和O-GlcNA酰化来缓解软骨细胞炎症反应。我们初步验证了铁死亡的关键蛋白Gpx4可能具有O-GlcNAc转移酶（OGT）依赖的O-GlcNA酰化，这是首次验证Gpx4和O-GlcN酰化之间有直接关系。总体而言，我们阐明牛磺酸通过上调OGT/Gpx4信号传导抑制软骨细胞铁凋亡，这将为PTOA的治疗策略提供新的方向。此外，据我们所知，这是第一篇报道O-GlcNA酰化在体内和体外OA中的调节作用的文章，这将为OA研究提供新的思路，启发学者们关注别的可能含有O-GlcNA酰化的蛋白质，这些蛋白质可能参与OA起始和进展的调节。

  4.牛磺酸通过抑制Gpx4依赖性铁下垂来保护IL-1β诱导的原发性软骨细胞损伤。

  5.牛磺酸通过增加O-GlcNA酰化来保护IL-1β诱导的原发性软骨细胞损伤。

  在这项研究中，我们通过对ACLT诱导的PTOA大鼠的膝关节软骨细胞和血清进行代谢组学分析，确定了牛磺酸，这是PTOA病变中的关键代谢分子。外源性添加牛磺酸可缓解原代软骨细胞中IL-β诱导的炎症和氧化应激表型。此外，转录组学和代谢组学分析进一步表明，牛磺酸可能通过抑制Gpx4依赖性铁凋亡和激活OGT依赖性O-GlcNA酰化来保护IL-1β诱导的软骨细胞损伤（图10）。考虑到牛磺酸是一种非常安全的氨基酸，通常用于食品或药物添加剂，本研究的结果有望为牛磺酸在PTOA治疗中的可能转化研究和应用提供科学依据。

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