nel Corso degli ultimi 24 anni, l’osso e metabolismo minerale comunità di ricerca (e il National Institutes of Health e numerose altre realtà nazionali ed internazionali, agenzie di finanziamento che lo supportano) hanno dedicato una grande quantità di energia intellettuale e le risorse per alcuni provocatori, a volte controverso, idee di osteocalcina (OCN). L’OCN è una proteina amminoacidica 46 che viene prodotta e secreta quasi esclusivamente dagli osteoblasti, cellule terminali differenziate responsabili della sintesi e della mineralizzazione della matrice ossea durante lo sviluppo dello scheletro e della sua rigenerazione periodica per tutta la vita. Gli osteoblasti provengono da progenitori mesenchimali e sono cellule di breve durata che vengono costantemente sostituite, a seconda della domanda di formazione ossea in una particolare posizione e tempo . L’OCN secreto dagli osteoblasti contiene tre residui di acido γ-carbossiglutammico che conferiscono elevata affinità alla matrice di idrossiapatite ossea. Tuttavia, quando l’osso viene riassorbito dagli osteoclasti, un tipo cellulare derivato dai macrofagi, il pH acido nel compartimento di riassorbimento provoca la rimozione dei gruppi carbossilici su OCN e l’OCN decarbossilato viene rilasciato in circolazione. I livelli circolanti di OCN decarbossilato dipendono quindi dal tasso di turnover osseo, noto anche come rimodellamento.

Originariamente pensato per funzionare esclusivamente nell’osso, una visione più espansiva dell’OCN decarbossilato come ormone endocrino si è evoluta, in gran parte attraverso il lavoro di Gerard Karsenty e colleghi e iniziando con la descrizione di un mouse OCN knockout 24 anni fa . Come ormone, OCN è stato proposto di agire su più organi e tessuti, tra cui pancreas, fegato, cellule adipose, muscoli, gonadi maschili e cervello per regolare funzioni che vanno dall’accumulo di massa ossea al peso corporeo, adiposità, glucosio e metabolismo energetico, fertilità maschile, sviluppo del cervello e cognizione . Questa idea-che l’OCN è un ormone endocrino con effetti pleiotropici-è ampiamente citata nei libri di testo e negli articoli di revisione e ha fornito la logica per numerosi studi sull’uomo sulla relazione tra OCN e diabete o obesità.

Ci sono state, tuttavia, diverse carenze apparenti nell’idea “OCN è un ormone endocrino”. Il numero di osteoblasti (e quindi i livelli circolanti di OCN decarbossilato) cambiano inesorabilmente per tutta la vita a seguito di cambiamenti fisiologici, adattativi o patologici dell’osso stesso che possono essere acuti o cronici, sistemici o localizzati e reversibili o irreversibili, senza cambiamenti nei bersagli extrascheletali putativi di OCN decarbossilato. 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. Allo stesso modo, i farmaci—approvati dopo ampi studi con migliaia di soggetti e successivamente utilizzati da milioni per il trattamento dell’osteoporosi—diminuiscono o aumentano drasticamente i livelli sierici di OCN senza alcun effetto sull’omeostasi del glucosio, sulla produzione di testosterone, sui muscoli o sul comportamento. Inoltre, il gene del topo che mira gli studi di GPRC6A, proposto per essere un ricevitore di OCN che modula la proliferazione pancreatica delle β-cellule, ha prodotto i risultati contrastanti riguardo al glucosio ed al metabolismo di energia . Una possibile spiegazione delle differenze tra i risultati nei topi e quelli negli esseri umani è che la genetica e la funzione OCN differiscono tra umani e topi; gli esseri umani hanno un singolo gene OCN, mentre nei topi ci sono due geni OCN adiacenti, Bglap e Bglap2. Tuttavia, i ratti hanno un singolo gene OCN e i ratti che trasportano una mutazione nulla OCN introdotta dalla modifica genica non presentano obesità, insulino-resistenza o intolleranza al glucosio . L’ordinamento di queste apparenti discrepanze è stato impegnativo poiché il mouse knockout di Karsenty non è stato ampiamente disponibile per gli studi di conferma.

L’attuale numero di PLOS Genetics presenta due studi di modelli indipendenti OCN mouse knockout. Nell’articolo di Moriishi e colleghi, gli autori hanno sostituito il DNA che codifica Bglap e Bglap2 con una cassetta neo nelle cellule staminali embrionali. Utilizzando questo modello, hanno studiato il ruolo di OCN sulla formazione ossea e mineralizzazione, così come il metabolismo del glucosio, la produzione di testosterone e la massa muscolare. Mostrano che, in contrasto con i risultati riportati da Karsenty e colleghi (che hanno utilizzato una strategia di targeting genico simile), l’OCN non ha alcun ruolo nella formazione ossea (o riassorbimento) e nella massa ossea nello stato estrogeno-sufficiente o estrogeno-carente. Invece, l’OCN è indispensabile per l’allineamento dei cristalliti biologici di apatite paralleli alle fibre di collagene (Fig 1). La perdita della funzione OCN non ha avuto alcun effetto sull’orientamento del collagene, che è rimasto normale. La resistenza ossea, tuttavia, è diminuita nei topi con deficit di OCN, indicando che l’allineamento dei cristalliti con le fibre di collagene è uno dei determinanti elusivi della qualità ossea che insieme alla massa ossea determina la capacità dell’osso di resistere alle fratture. Inoltre, lo studio dettagliato e riflessivo di Moriishi e colleghi mostra che l’OCN non ha alcun ruolo nella formazione ossea indotta dall’esercizio, nel metabolismo del glucosio, nel miglioramento del metabolismo del glucosio causato dall’esercizio, dalla sintesi del testosterone, dalla spermatogenesi o dalla massa muscolare.

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Fig 1. Un aggiornamento 2020 del ruolo biologico dell’osteocalcina.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008714.g001

Nell’articolo di Diegel e colleghi , gli autori hanno utilizzato l’editing genico mediato da CRISPR / Cas9 per eliminare la maggior parte delle regioni codificanti proteine Bglap e Bglap2. Riferiscono che i topi omozigoti modificati dal gene non hanno OCN circolante ma massa ossea normale, glicemia normale e fertilità maschile normale. Ulteriormente, RNA-seq dei campioni corticali dell’osso dai topi OCN-carenti mostrano le differenze minime dai topi di controllo non mutanti. I topi mutanti, tuttavia, mostrano una maggiore dimensione dei cristalli ossei e la maturazione dell’idrossiapatite, in linea con il suddetto rapporto di Moriishi e colleghi, precedenti prove di molti altri gruppi e il consenso generale che l’OCN svolge un ruolo nella mineralizzazione.

Cosa dobbiamo fare delle apparenti discrepanze tra gli articoli dell’attuale numero di PLOS Genetics, il lavoro sul rat knockout e il precedente lavoro di Karsenty e colleghi? Negli ultimi anni, l’irriproducibilità dei risultati della ricerca, in particolare da studi con modelli animali preclinici che potrebbero essere rilevanti per la biologia e le malattie umane , è diventata un’enorme preoccupazione per tutti gli stakeholder dell’impresa di ricerca, inclusa la comunità di ricerca ossea e minerale . Gli studi discussi in questa prospettiva sono un primo esempio del problema. Background genetico, geni modificatori e differenze nella genetica molecolare degli alleli knockout rimangono possibili spiegazioni per le discrepanze, ma né Moriishi e colleghi né Diegel e colleghi possono spiegare la sorprendente incongruenza tra i loro risultati e quelli del gruppo Karsenty. È importante sottolineare, tuttavia, che entrambi i gruppi affermano esplicitamente che gli animali che hanno costruito saranno donati ai centri di distribuzione e resi pubblici in modo che i loro risultati possano essere confermati ed estesi da altri ricercatori interessati. In effetti, l’importanza della condivisione delle risorse è uno dei messaggi da portare a casa più preziosi. Credo che la scienza sia inesorabilmente auto-correttiva, e il lavoro nell’attuale numero di PLOS Genetics rappresenta una correzione importante con implicazioni per il lavoro passato e futuro sulle connessioni, o la loro mancanza, tra l’osso e il resto del corpo.