ESCRT 蛋白質 CHMP5 通過維持內體-溶酶體-線粒體網絡來抑制骨骼祖細胞衰老

核心概念

CHMP5 蛋白質通過維持細胞內體-溶酶體-線粒體網絡的穩定，抑制骨骼祖細胞衰老，進而調控骨骼形成。

摘要

論文資訊

• 標題：ESCRT 蛋白質 CHMP5 通過維持內體-溶酶體-線粒體網絡來抑制骨骼祖細胞衰老
• 作者：Ge 等人

研究目的

本研究旨在探討 ESCRT 蛋白質家族成員 CHMP5 在骨骼祖細胞衰老和骨骼形成中的作用及分子機制。

研究方法

• 構建條件性基因敲除小鼠模型（Chmp5Ctsk 和 Chmp5Dmp1 小鼠），剔除骨骼祖細胞中的 Chmp5 基因。
• 通過細胞培養、基因表達分析、細胞增殖和凋亡分析、細胞週期分析、RNA 測序、蛋白質組學分析、線粒體功能分析等方法，研究 CHMP5 缺失對骨骼祖細胞衰老、分泌表型、內體-溶酶體通路和線粒體功能的影響。
• 使用 senolytic 藥物（quercetin 和 dasatinib）治療 Chmp5 條件性基因敲除小鼠，評估其對骨骼異常和運動能力的改善作用。

主要發現

• Chmp5 條件性基因敲除小鼠表現出骨骼過度生長、關節僵硬、運動能力下降等骨骼異常和衰老相關表型。
• CHMP5 缺失導致骨骼祖細胞衰老，表現為 p16 和 p21 蛋白質表達增加、細胞週期停滯、分泌表型增強。
• CHMP5 缺失導致內體-溶酶體通路功能障礙，表現為晚期內體和溶酶體積累、內吞功能受損。
• CHMP5 缺失導致線粒體功能障礙，表現為線粒體 ROS 水平升高、線粒體呼吸能力下降、線粒體數量增加。
• 使用 senolytic 藥物可以有效緩解 Chmp5 條件性基因敲除小鼠的骨骼異常和運動障礙。

主要結論

• CHMP5 通過維持 VPS4A 蛋白質水平，維持內體-溶酶體通路的正常功能，抑制骨骼祖細胞衰老。
• CHMP5 缺失導致的內體-溶酶體功能障礙會損害線粒體功能，進而誘導細胞衰老。
• 細胞衰老是 Chmp5 缺失導致骨骼異常的重要機制，靶向細胞衰老的 senolytic 藥物治療可能為溶酶體貯積症等骨骼疾病提供新的治療策略。

研究意義

本研究揭示了 CHMP5 在骨骼祖細胞衰老和骨骼形成中的重要作用，闡明了內體-溶酶體-線粒體網絡在細胞衰老中的關鍵作用，為溶酶體貯積症等骨骼疾病的治療提供了新的思路。

研究限制和未來方向

• 本研究主要關注 CHMP5 在骨骼祖細胞中的作用，未來需要進一步研究其在其他細胞類型中的功能。
• 需要進一步闡明 CHMP5 調控 VPS4A 蛋白質水平的具體機制。
• 需要進一步評估 senolytic 藥物治療溶酶體貯積症等骨骼疾病的長期療效和安全性。

統計資料

Chmp5Ctsk 祖細胞的增殖速率顯著降低，細胞數量在 P2 培養的第 6 天減少約 58%。
約 45% 的 Chmp5Ctsk 骨骼祖細胞含有擴大的 GFP+ 囊泡，而野生型 Ctsk+ 骨骼祖細胞中很少發現這種情況。
與野生型對照細胞相比，Chmp5Ctsk 骨骼祖細胞培養基中細胞外囊泡的濃度更高。
與野生型骨骼祖細胞相比，Chmp5 缺失的骨骼祖細胞中線粒體 ROS 水平和線粒體豐度顯著增加。

引述

“These results show that CHMP5 deficiency activates the SASP molecular pathway and increases the secretion of skeletal progenitors.”
“Therefore, the accumulation of dysfunctional mitochondria and mitochondrial ROS is responsible for cell senescence in Chmp5-deficient skeletal progenitors.”
“Since Chmp5Ctsk and Chmp5Dmp1 mice recapitulate many cellular and phenotypic features of musculoskeletal lesions in lysosomal storage disease, these animals could be used as preclinical models to investigate the mechanism and test therapeutic drugs for these intractable disorders.”

從以下內容提煉的關鍵洞見

The ESCRT protein CHMP5 restricts bone formation by controlling endolysosome-mitochondrion-mediated cell senescence

by Ge,X., He,L.... 於 www.biorxiv.org 08-04-2020

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.03.233874v2

深入探究

除了 senolytic 藥物，還有哪些潛在的治療策略可以靶向細胞衰老來治療骨骼疾病？

除了 senolytic 藥物，還有其他一些潛在的治療策略可以靶向細胞衰老來治療骨骼疾病：

抑制 SASP（衰老相關分泌表型）： 細胞衰老的一個關鍵特徵是 SASP，它會分泌促進炎症和組織重塑的因子。抑制 SASP 可以減輕細胞衰老對骨骼的負面影響。一些潛在的 SASP 抑制劑包括：

抗炎藥物： 例如非類固醇抗發炎藥（NSAIDs）可以抑制 SASP 中的某些炎症因子。
JAK/STAT 抑制劑： JAK/STAT 訊息傳遞途徑參與 SASP 的調節，抑制該途徑可以減少 SASP 因子的產生。
mTOR 抑制劑： mTOR 訊息傳遞途徑也參與 SASP 的調節，抑制 mTOR 可以降低 SASP 因子的分泌。

促進細胞自噬： 細胞自噬是一種細胞自我降解和回收過程，可以清除受損的細胞器和蛋白質，包括受損的線粒體。促進細胞自噬可以幫助清除衰老細胞並改善骨骼健康。一些潛在的細胞自噬促進劑包括：

雷帕黴素： 雷帕黴素是一種 mTOR 抑制劑，可以間接促進細胞自噬。
白藜蘆醇： 白藜蘆醇是一種天然化合物，已被證明可以促進細胞自噬。
運動和卡路里限制： 運動和卡路里限制已被證明可以促進細胞自噬。

細胞療法： 細胞療法，例如使用間充質幹細胞（MSCs），已被證明在治療骨骼疾病方面具有潛力。 MSCs 可以分泌促進組織修復和再生並抑制炎症的因子。此外，研究正在探索使用基因編輯技術改造 MSCs 以增強其治療效果。

需要注意的是，這些治療策略大多仍處於臨床前研究階段，需要進一步的研究來評估其安全性和有效性。

是否所有的骨骼疾病都與細胞衰老有關，或者 CHMP5 的作用僅限於特定類型的骨骼疾病？

雖然細胞衰老與許多年齡相關疾病有關，包括骨關節炎和骨質疏鬆症，但並非所有骨骼疾病都直接與細胞衰老相關。
CHMP5 的作用在本研究中主要集中在與內吞-溶酶體-線粒體網絡功能障礙相關的骨骼疾病。 CHMP5 缺乏會導致細胞衰老，進而導致骨骼異常，這表明 CHMP5 可能在溶酶體貯積症等疾病中發揮作用。
然而，其他骨骼疾病，例如由創傷、感染或腫瘤引起的疾病，可能與 CHMP5 和細胞衰老沒有直接關係。
因此，需要進一步的研究來確定 CHMP5 和細胞衰老在不同類型骨骼疾病中的具體作用。

如果將本研究的發現應用於再生醫學，我們是否可以通過調控 CHMP5 和細胞衰老來促進骨骼再生和修復？

本研究表明 CHMP5 缺乏會導致骨骼細胞衰老，並提出通過調節 CHMP5 和細胞衰老來促進骨骼再生和修復的可能性。以下是一些潛在的應用方向：

開發靶向 CHMP5 的藥物： 可以開發提高 CHMP5 表達或增強其活性的藥物，以防止骨骼細胞衰老，促進骨骼再生。這對於治療骨質疏鬆症和骨折癒合等疾病可能特別有用。
篩選促進 CHMP5 表達的藥物： 可以篩選現有的藥物或天然化合物，以確定它們是否可以上調 CHMP5 的表達，從而產生促進骨骼修復的效果。
基因療法： 可以使用基因療法將 CHMP5 基因遞送至骨骼細胞，以提高其表達水平，促進骨骼再生。
聯合療法： 可以將調節 CHMP5 和細胞衰老的療法與其他骨骼再生策略（例如骨移植或生長因子）相結合，以增強治療效果。

然而，在將這些策略應用於臨床之前，需要解決幾個挑戰：

CHMP5 的全身性調節： CHMP5 在許多細胞過程中都發揮作用，因此全身性調節 CHMP5 可能會產生不良影響。需要開發靶向骨骼組織的遞送系統。
長期影響： 長期調節 CHMP5 和細胞衰老的影響尚不清楚，需要進一步研究以確保安全性和有效性。
總之，調節 CHMP5 和細胞衰老為骨骼再生醫學提供了新的途徑。通過進一步的研究和開發，這些策略有可能為骨骼疾病患者帶來新的治療方法。