文献题目：Dimeric PKM2 in chondrocytes impairs mitochondrial homeostasis in osteoarthritis

发表期刊：Cell Death & Disease

发表时间：26.3.25

影响因子：9.6（中科院1区）

通讯作者/单位： Chi Zhang @ 复旦大学附属中山医院

一句话总结：研究发现PKM2从四聚体向二聚体的构象转换通过激活ERK信号通路抑制MFN1，导致线粒体功能障碍并破坏软骨细胞外基质稳态。

中文摘要：

软骨降解被认为是终末期骨关节炎（OA）的标志，其特征在于细胞外基质（ECM）的显著改变。本研究检测了丙酮酸激酶肌肉2型（PKM2）二聚化在骨关节炎软骨降解和ECM稳态中的作用。生物信息学分析确定了OA软骨中PKM的上调，特别是在纤维软骨亚群中。在人和鼠OA软骨中均观察到PKM2的升高表达和二聚化。在内侧半月板（DMM）不稳定的鼠OA模型中，软骨细胞特异性PKM2缺乏以及使用TEPP-46（一种PKM2四聚体稳定剂）治疗可减少OA进展并促进软骨基质产生。从机制上讲，PKM2缺乏或四聚体稳定通过破坏PKM2-ERK相互作用促进线粒体融合并保留线粒体功能，导致ERK依赖性线粒体融合蛋白1（MFN1）上调，而不是线粒体融合蛋白2（MFN2）上调。值得注意的是，AAV介导的MFN1敲除消除了PKM2缺乏的软骨保护作用。这些发现表明，靶向PKM2二聚化可能是缓解OA的一种有前途的治疗策略。

英文摘要：

Cartilage degradation is considered a hallmark of end-stage osteoarthritis (OA), characterized by significant alterations in the extracellular matrix (ECM). This study examines the role of pyruvate kinase muscle type 2 (PKM2) dimerization in cartilage degradation and ECM homeostasis in OA. Bioinformatic analyses identified an upregulation of PKM in OA cartilage, particularly within fibrocartilage subpopulations. Elevated expression and dimerization of PKM2 were observed in both human and murine OA cartilage. Chondrocyte-specific PKM2 deficiency, along with treatment using TEPP-46, a PKM2 tetramer stabilizer, reduced OA progression and promoted cartilage matrix production in a murine OA model with destabilization of the medial meniscus (DMM). Mechanistically, PKM2 deficiency or tetramer stabilization promoted mitochondrial fusion and preserved mitochondrial function via disruption of PKM2–ERK interaction, resulting in ERK-dependent upregulation of mitofusin 1 (MFN1), but not mitofusin 2 (MFN2). Notably, AAV-mediated MFN1 knockdown abrogated the chondroprotective effects of PKM2 deficiency. These findings indicate that targeting PKM2 dimerization may represent a promising therapeutic strategy for mitigating OA.

背景：骨关节炎（OA）是一种严重的慢性关节疾病，其核心病理过程是软骨细胞外基质（ECM）的持续降解。由于软骨处于无血管、缺氧环境，软骨细胞高度依赖糖酵解获取能量，而丙酮酸激酶M2（PKM2）正是这一代谢途径的关键限速酶。

痛点：尽管已知PKM2在OA中表达升高，且与细胞衰老、炎症有关，但其独特的“构象切换”（二聚体vs.四聚体）如何具体影响线粒体动力学及软骨稳态，此前尚不清楚。

策略：研究团队结合了生物信息学分析、临床标本验证、基因工程小鼠模型及药理学干预手段。

逻辑：首先通过单细胞测序（scRNA-seq）定位PKM在OA中的异常表达；随后利用siRNA和条件性敲除（Pkm2icKO）小鼠验证PKM2的功能；最后通过共免疫沉淀（Co-IP）和线粒体压力测试探讨PKM2、ERK与MFN1之间的分子级联反应。

✨ 创新点

首次揭示了PKM2构象切换而非单纯表达水平对软骨细胞线粒体稳态的调控作用 ，并确定了MFN1是该途径的核心下游效应因子。

✨ 科研启示

✨ 临床/应用价值

针对PKM2构象的调节剂（如TEPP-46）可能成为骨关节炎的一种新型非手术治疗手段，有望通过“稳态修复”而非单纯对症止痛来延缓软骨退变进程。

• 连接二聚体PKM2与通过ERK/MFN1轴的线粒体分裂/融合平衡的详细机制仅在DMM诱导的小鼠中建立，并且该调节轴未在人软骨细胞中进行验证，此外，尽管Pkm2icKO小鼠中MFN1和MFN2的蛋白水平均有所增加，但该研究仅侧重于MFN1，而未探索OA中MFN2下调的机制及其受PKM2潜在的调节，此外，信号传导的一些方面仍未阐明，例如，作为ERK抑制仅部分挽救MFN1表达，可能存在其他MAPK通路也参与该过程，最后，尽管TEPP-46是局部给予关节，但已知系统使用该药物具有代谢效应，且未彻底解决在非关节组织中的长期脱靶效应。