image: PPE can lead to chondrodysplasia and increase susceptibility to adult OA in female offspring. Intrauterine Pred (rather than prednisone) exposure activated glucocorticoid receptor (GR) and recruited DNMT3B, resulting in DNA hypermethylation in the PGC-1α promoter region, thereby downregulating its expression, in articular cartilage. This leads to impaired mitochondrial biogenesis and decreased glutamine metabolic flux, the latter further leads to the downregulation of histone acetylation levels and expression of cartilage marker genes. Furthermore, intrauterine Pred exposure also increased oxidative stress, ultimately resulting in impairments in cartilage ECM synthesis.
Credit: ©Science China Press
骨关节炎（osteoarthritis）是一种发病率高、对患者生活质量影响大的慢性退行性疾病。近年来的研究发现，尽管骨关节炎发病于成年，但其可能起源于宫内不良环境因素的影响。妊娠期长期、重复使用强的松治疗患者的不良妊娠结局发生率升高。不仅如此，妊娠期糖皮质激素（glucocorticoids）暴露还可通过代谢编程的方式对胎儿多器官发育及功能造成远期影响，并引起成年期多疾病易感。然而，产前应用强的松与子代软骨发育、成年期骨关节炎易感之间的关系至今尚不清楚。
近日，武汉大学汪晖/陈廖斌课题组在Science China Life Sciences发表了题为Activation of the PGC-1α-mediated mitochondrial glutamine metabolism pathway attenuates female offspring osteoarthritis induced by prenatal excessive prednisone的研究论文，揭示了产前强的松暴露对子代软骨发育及成年骨关节炎易感的影响，其发生机制与宫内强的松龙（强的松的活性代谢物）诱导的PGC-1α代谢编程改变有关，并提出出生后早期经关节腔注射PPARGC1A过表达载体可作为其软骨质量低下及骨关节炎易感的干预靶标。
作者首先基于研究团队前期提出的胎源性疾病“二次打击”理论和孕期临床强的松使用剂量，构建了孕期强的松暴露（prenatal prednisone exposure，PPE）大鼠模型，并通过长距离跑步刺激诱导骨关节炎。结果表明，PPE导致雌性成年子代大鼠软骨细胞外基质（extracellular matrix, ECM）合成减少、软骨质量低下；且与非跑步组相比，长距离跑步刺激后PPE组软骨破坏更严重，表明PPE增加了其骨关节炎易感性。追溯至宫内时期，也观察到PPE诱导胎软骨发育不良。体外实验还表明，强的松的活性形式强的松龙（Pred）降低了胎软骨细胞的ECM含量，而强的松本身无明显效应。
研究发现，尽管软骨细胞在无血管环境（如低氧、低营养）中生存，却具有很高的ECM合成水平，这主要依赖于线粒体的谷氨酰胺代谢，以维持其高合成代谢的需求（Dev Cell 2020）。作者发现，PPE或Pred可抑制软骨细胞谷氨酰胺代谢通量，降低α-酮戊二酸（α-KG）和乙酰辅酶A（acetyl-CoA）水平，从而引起细胞氧化应激水平增高及软骨分化基因（如COL2A1和ACAN）的组蛋白乙酰化H3K9ac和H3K27ac修饰异常，进而引起ECM合成障碍。而体外补充二甲基α-酮戊二酸可降低Pred所致的氧化应激增高。此外，体外补充乙酸盐可以逆转Pred引起的乙酰辅酶A水平及软骨细胞ECM含量下降。
转录组学测序分析显示，PPE引起雌性胎软骨线粒体功能和氨基酸代谢等途径异常。已知谷氨酰胺代谢主要由线粒体中的谷氨酰胺酶（GLS）及谷氨酸脱氢酶1（GLUD1）介导，因此作者进一步检测软骨GLS1和GLUD1的表达。结果表明，PPE或Pred抑制雌性子代出生前后软骨的GLS1和GLUD1的蛋白表达水平而不影响其mRNA表达。进一步发现，Pred可抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（PGC-1α）介导的线粒体生物发生，从而抑制GLS1和GLUD1的蛋白水平。而体外使用PGC-1α的药理激动剂ZLN005可逆转Pred所致软骨细胞GLS1和GLUD1水平降低，并恢复谷氨酰胺代谢通量及ECM含量。动物实验也证实，PPARGC1A慢病毒过表达载体可逆转PPE所致的软骨线粒体谷氨酰胺代谢障碍和ECM含量降低。
最后，作者通过重亚硫酸盐测序（BSP）检测发现，PPE可通过激活糖皮质激素受体并招募DNA甲基化酶DNMT3B引起软骨细胞PGC-1α启动子区高甲基化低表达，从而调控线粒体生物发生介导的谷氨酰胺通量改变。
有趣的是，该研究还发现，PPE并不影响雄性子代PGC-1α 表达及软骨表型；另外，PPE所致PGC-1α表达具有“器官和部位差异性”，例如PPE雌性子代长骨、肝脏、海马及卵巢等器官的PGC-1α表达也出现或升高或降低的改变，且与它们异常的功能基因表达具有显著相关性。研究还发现，在团队前期建立的多种外源物发育毒性相关胎源性骨关节炎的大鼠模型（孕期咖啡因暴露和孕期地塞米松暴露大鼠模型）上均存在成年雌性子代软骨PGC-1α表达降低。
综上，该研究结果揭示了PGC-1α 编程改变介导的线粒体谷氨酰胺代谢受损在PPE所致雌性子代软骨发育不良及出生后骨关节炎易感中具有关键作用，且创新性提出PGC-1α有望成为胎源性骨关节炎潜在的早期和共性干预靶点。该研究为指导强的松孕期合理用药和探寻胎源性骨关节炎的早期防治策略提供了理论与实验依据。
武汉大学中南医院李庆贤博士为该文章的第一作者，汪晖教授和陈廖斌教授为通讯作者。该研究主要依托发育源性疾病湖北省重点实验室完成，同时得到了国家重点研发计划（No. 2020YFA0803900）等项目支持。
Journal
Science China Life Sciences