The majority of the mammalian skeleton is formed through endochondral ossification starting from a cartilaginous template. Cartilage cells, or chondrocytes, survive, proliferate and synthesize extracellular matrix in an avascular environment, but the metabolic requirements for these anabolic processes are not fully understood. Here, using metabolomics analysis and genetic in vivo models, we show that maintaining intracellular serine homeostasis is essential for chondrocyte function. De novo serine synthesis through phosphoglycerate dehydrogenase (PHGDH)-mediated glucose metabolism generates nucleotides that are necessary for chondrocyte proliferation and long bone growth. On the other hand, dietary serine is less crucial during endochondral bone formation, as serine-starved chondrocytes compensate by inducing PHGDH-mediated serine synthesis. Mechanistically, this metabolic flexibility requires ATF4, a transcriptional regulator of amino acid metabolism and stress responses. We demonstrate that both serine deprivation and PHGDH inactivation enhance ATF4 signaling to stimulate de novo serine synthesis and serine uptake, respectively, and thereby prevent intracellular serine depletion and chondrocyte dysfunction. A similar metabolic adaptability between serine uptake and de novo synthesis is observed in the cartilage callus during fracture repair. Together, the results of this study reveal a critical role for PHGDH-dependent serine synthesis in maintaining intracellular serine levels under physiological and serine-limited conditions, as adequate serine levels are necessary to support chondrocyte proliferation during endochondral ossification.

大多数哺乳动物骨骼是通过软骨模板开始的软骨内骨化形成的。软骨细胞或软骨细胞在无血管环境中存活、增殖和合成细胞外基质，但这些合成代谢过程的代谢要求尚不完全清楚。在这里，使用代谢组学分析和遗传体内模型，我们表明维持细胞内丝氨酸稳态对于软骨细胞功能至关重要。通过磷酸甘油酸脱氢酶 (PHGDH) 介导的葡萄糖代谢从头合成丝氨酸产生软骨细胞增殖和长骨生长所必需的核苷酸。另一方面，膳食丝氨酸在软骨内骨形成过程中不太重要，因为丝氨酸饥饿的软骨细胞通过诱导 PHGDH 介导的丝氨酸合成进行补偿。从机制上讲，这种代谢灵活性需要 ATF4，一种氨基酸代谢和应激反应的转录调节因子。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。这种代谢灵活性需要 ATF4，一种氨基酸代谢和应激反应的转录调节因子。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。这种代谢灵活性需要 ATF4，一种氨基酸代谢和应激反应的转录调节因子。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。氨基酸代谢和应激反应的转录调节因子。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。氨基酸代谢和应激反应的转录调节因子。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。我们证明丝氨酸剥夺和 PHGDH 失活均增强了 ATF4 信号传导以分别刺激从头丝氨酸合成和丝氨酸摄取，从而防止细胞内丝氨酸耗竭和软骨细胞功能障碍。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。在骨折修复过程中，在软骨愈伤组织中观察到丝氨酸摄取和从头合成之间类似的代谢适应性。总之，这项研究的结果揭示了 PHGDH 依赖性丝氨酸合成在生理和丝氨酸限制条件下维持细胞内丝氨酸水平的关键作用，因为足够的丝氨酸水平对于支持软骨内骨化过程中的软骨细胞增殖是必要的。