HIF-1α Promotes Glutamine-Mediated Redox Homeostasis and Glycogen-Dependent Bioenergetics to Support Postimplantation Bone Cell Survival

谷氨酰胺 糖原 生物能学 细胞生物学 谷氨酰胺酶 生物 糖原合酶 平衡 骨重建 化学 内分泌学 生物化学 线粒体 氨基酸
作者
Steve Stegen,Nick van Gastel,Guy Eelen,Bart Ghesquière,Flora D’Anna,Bernard Thienpont,Jermaine Goveia,Sophie Torrekens,Riet Van Looveren,Frank P. Luyten,Patrick H. Maxwell,Ben Wielockx,Diether Lambrechts,Sarah-Maria Fendt,Peter Carmeliet,Geert Carmeliet
出处
期刊:Cell Metabolism [Elsevier]
卷期号:23 (2): 265-279 被引量:136
标识
DOI:10.1016/j.cmet.2016.01.002
摘要

Cell-based therapy is a promising strategy in regenerative medicine, but the poor survival rate of the implanted cells remains a major challenge and limits clinical translation. We preconditioned periosteal cells to the hypoxic and ischemic environment of the bone defect site by deleting prolyl hydroxylase domain-containing protein 2 (PHD2), resulting in hypoxia-inducible factor 1 alpha (HIF-1α) stabilization. This strategy increased postimplantation cell survival and improved bone regeneration. The enhanced cell viability was angiogenesis independent but relied on combined changes in glutamine and glycogen metabolism. HIF-1α stabilization stimulated glutaminase-mediated glutathione synthesis, maintaining redox homeostasis at baseline and during oxidative or nutrient stress. Simultaneously, HIF-1α signaling increased glycogen storage, preventing an energy deficit during nutrient or oxygen deprivation. Pharmacological inhibition of PHD2 recapitulated the adaptations in glutamine and glycogen metabolism and, consequently, the beneficial effects on cell survival. Thus, targeting cellular metabolism is an appealing strategy for bone regeneration and cell-based therapy in general.
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