PLOS Genetics
In den letzten 24 Jahren hat die Forschungsgemeinschaft für Knochen- und Mineralstoffwechsel (und die National Institutes of Health und zahlreiche andere nationale und internationale Finanzierungsagenturen, die es unterstützen) viel intellektuelle Energie und Ressourcen für einige provokative, manchmal kontroverse Ideen über Osteocalcin (OCN) aufgewendet. OCN ist ein 46-Aminosäureprotein, das fast ausschließlich von Osteoblasten produziert und ausgeschieden wird, terminal differenzierten Zellen, die für die Synthese und Mineralisierung der Knochenmatrix während der Entwicklung des Skeletts und seiner periodischen Regeneration während des gesamten Lebens verantwortlich sind. Osteoblasten stammen von mesenchymalen Vorläufern ab und sind kurzlebige Zellen, die je nach Bedarf an Knochenbildung an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit ständig ersetzt werden . OCN, das von Osteoblasten sezerniert wird, enthält drei γ-Carboxyglutaminsäurereste, die eine hohe Affinität zur Knochenhydroxylapatitmatrix verleihen. Wenn jedoch Knochen von Osteoklasten, einem von Makrophagen abgeleiteten Zelltyp, resorbiert wird, bewirkt der saure pH-Wert im Resorptionskompartiment, dass die Carboxylgruppen auf OCN entfernt werden und decarboxyliertes OCN in den Kreislauf freigesetzt wird. Die zirkulierenden Spiegel von decarboxyliertem OCN hängen daher von der Geschwindigkeit des Knochenumsatzes ab, die auch als Remodeling bezeichnet wird.Ursprünglich gedacht, um ausschließlich im Knochen zu funktionieren, hat sich eine umfassendere Sicht auf decarboxyliertes OCN als endokrines Hormon entwickelt, hauptsächlich durch die Arbeit von Gerard Karsenty und Kollegen und beginnend mit der Beschreibung einer OCN-Knockout-Maus vor 24 Jahren . Als Hormon wurde vorgeschlagen, dass OCN auf mehrere Endorgane und Gewebe wirkt, einschließlich Bauchspeicheldrüse, Leber, Fettzellen, Muskel, männliche Gonaden und Gehirn, um Funktionen zu regulieren, die von der Ansammlung von Knochenmasse über Körpergewicht, Adipositas, Glukose- und Energiestoffwechsel, männliche Fruchtbarkeit, Gehirnentwicklung und Kognition . Diese Idee – dass OCN ein endokrines Hormon mit pleiotropen Wirkungen ist — wird in Lehrbüchern und Übersichtsartikeln häufig zitiert und hat die Gründe für zahlreiche Studien am Menschen über die Beziehung zwischen OCN und Diabetes oder Fettleibigkeit geliefert.
Es gab jedoch einige offensichtliche Mängel in der Idee „OCN ist ein endokrines Hormon“. Die Anzahl der Osteoblasten (und damit die zirkulierenden Spiegel von decarboxyliertem OCN) ändert sich im Laufe des Lebens unaufhaltsam infolge physiologischer, adaptiver oder pathologischer Veränderungen des Knochens selbst, die akut oder chronisch, systemisch oder lokalisiert und reversibel oder irreversibel sein können, ohne Änderungen in den mutmaßlichen extraskeletalen Zielen von decarboxyliertem OCN. Examples are skeletal development, growth, adaptation of the skeleton to mechanical forces, fracture healing, changing calcium needs, stress, menstrual cycle, pregnancy, lactation, menopause, aging, hyperparathyroidism or hypoparathyroidism, hyperthyroidism, hypercortisolemia, Paget’s disease, bone tumors, etc. In ähnlicher Weise verringern oder erhöhen Medikamente, die nach umfangreichen Studien mit Tausenden von Probanden zugelassen und anschließend von Millionen zur Behandlung von Osteoporose eingesetzt wurden, die OCN—Spiegel im Serum dramatisch, ohne dass dies Auswirkungen auf die Glukosehomöostase, die Testosteronproduktion, die Muskeln oder das Verhalten hat. Darüber hinaus haben Maus-Gen-Targeting-Studien von GPRC6A, die als OCN-Rezeptor vorgeschlagen werden, der die Pankreas-β-Zellproliferation moduliert , widersprüchliche Ergebnisse in Bezug auf den Glukose- und Energiestoffwechsel erbracht . Eine mögliche Erklärung für die Unterschiede zwischen den Ergebnissen bei Mäusen und denen beim Menschen ist, dass sich die OCN-Genetik und -funktion zwischen Mensch und Maus unterscheiden; Menschen haben ein einzelnes OCN-Gen, während es bei Mäusen zwei benachbarte OCN-Gene gibt, Bglap und Bglap2. Ratten haben jedoch ein einzelnes OCN-Gen, und Ratten, die eine durch Geneditierung eingeführte OCN-Nullmutation tragen, zeigen keine Fettleibigkeit, Insulinresistenz oder Glukoseintoleranz . Das Sortieren dieser offensichtlichen Diskrepanzen war eine Herausforderung, da die Karsenty-Knockout-Maus für Bestätigungsstudien nicht allgemein verfügbar war.
Die aktuelle Ausgabe von PLOS Genetics enthält zwei Studien mit unabhängigen OCN-Maus-Knockout-Modellen. In dem Artikel von Moriishi und Kollegen ersetzten die Autoren DNA, die für Bglap und Bglap2 kodiert, durch eine Neo-Kassette in embryonalen Stammzellen. Mit diesem Modell untersuchten sie die Rolle von OCN bei der Knochenbildung und -mineralisierung sowie den Glukosestoffwechsel, die Testosteronproduktion und die Muskelmasse. Sie zeigen, dass OCN im Gegensatz zu den von Karsenty und Kollegen berichteten Ergebnissen (die eine ähnliche Gen-Targeting-Strategie verwendeten) keine Rolle bei der Knochenbildung (oder Resorption) und der Knochenmasse im östrogen-ausreichenden oder östrogen-defizienten Zustand spielt. Stattdessen ist OCN für die Ausrichtung biologischer Apatitkristallite parallel zu Kollagenfasern unverzichtbar (Bild 1). Der Verlust der OCN-Funktion hatte keinen Einfluss auf die Kollagenorientierung, die normal blieb. Die Knochenstärke wurde jedoch in den OCN-defizienten Mäusen verringert, was darauf hindeutet, dass die Ausrichtung von Kristalliten mit Kollagenfasern eine der schwer fassbaren Determinanten der Knochenqualität ist, die zusammen mit der Knochenmasse die Fähigkeit des Knochens bestimmt, Frakturen zu widerstehen. Darüber hinaus zeigt die detaillierte und durchdachte Studie von Moriishi und Kollegen, dass OCN keine Rolle bei der belastungsinduzierten Knochenbildung, dem Glukosestoffwechsel, der Verbesserung des durch Bewegung verursachten Glukosestoffwechsels, der Testosteronsynthese, der Spermatogenese oder der Muskelmasse spielt.
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https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008714.g001
In dem Artikel von Diegel und Kollegen verwendeten die Autoren CRISPR / Cas9-vermittelte Genbearbeitung, um die meisten der Bglap- und Bglap2-proteinkodierenden Regionen zu löschen. Sie berichten, dass homozygote gen-editierte Mäuse kein zirkulierendes OCN, aber normale Knochenmasse sowie normalen Blutzucker und normale männliche Fruchtbarkeit haben. Zusätzlich zeigen RNA-seq von kortikalen Knochenproben aus den OCN-defizienten Mäusen minimale Unterschiede zu den nichtmutanten Kontrollmäusen. Die mutierten Mäuse zeigen jedoch eine erhöhte Knochenkristallgröße und -reifung von Hydroxylapatit, was mit dem oben genannten Bericht von Moriishi und Kollegen, früheren Beweisen vieler anderer Gruppen und dem allgemeinen Konsens übereinstimmt, dass OCN eine Rolle bei der Mineralisierung spielt.
Was sollen wir von den offensichtlichen Diskrepanzen zwischen den Artikeln in der aktuellen Ausgabe von PLOS Genetics, der Arbeit am Rat Knockout und der vorherigen Arbeit von Karsenty und Kollegen halten? In den letzten Jahren ist die Irreproduzierbarkeit von Forschungsergebnissen, insbesondere aus Studien mit präklinischen Tiermodellen, die für die Humanbiologie und -krankheit relevant sein könnten, zu einem enormen Problem für alle Beteiligten des Forschungsunternehmens geworden , einschließlich der Knochen- und Mineralforschungsgemeinschaft . Die in dieser Perspektive diskutierten Studien sind ein Paradebeispiel für das Problem. Genetischer Hintergrund, Modifikatorgene und Unterschiede in der Molekulargenetik der Knockout-Allele bleiben mögliche Erklärungen für die Diskrepanzen, aber weder Moriishi und Kollegen noch Diegel und Kollegen können die auffällige Inkongruenz zwischen ihren Ergebnissen und denen aus der Karsenty-Gruppe erklären. Wichtig ist jedoch, dass beide Gruppen ausdrücklich angeben, dass die von ihnen konstruierten Tiere an Verteilzentren gespendet und öffentlich zugänglich gemacht werden, damit ihre Ergebnisse von anderen interessierten Forschern bestätigt und erweitert werden können. In der Tat ist die Bedeutung der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen eine der wertvollsten Botschaften zum Mitnehmen. Ich glaube, dass sich die Wissenschaft unaufhaltsam selbst korrigiert, und die Arbeit in der aktuellen Ausgabe von PLOS Genetics stellt eine wichtige Korrektur dar, die Auswirkungen auf vergangene und zukünftige Arbeiten zu den Verbindungen oder deren Fehlen zwischen Knochen und dem Rest des Körpers hat.