w ciągu ostatnich 24 lat społeczność badawcza ds. metabolizmu kości i minerałów (oraz Narodowe Instytuty Zdrowia i liczne inne krajowe i międzynarodowe agencje finansujące, które ją wspierają) poświęciła wiele intelektualnej energii i zasobów prowokacyjnym, czasami kontrowersyjnym pomysłom na temat osteokalcyny (OCN). OCN to 46-aminokwasowe białko, które jest wytwarzane i wydzielane prawie wyłącznie przez osteoblasty, terminalnie zróżnicowane komórki odpowiedzialne za syntezę i mineralizację macierzy kostnej podczas rozwoju szkieletu i jego okresowej regeneracji przez całe życie. Osteoblasty pochodzą z mezenchymalnych komórek progenitorowych i są komórkami krótkotrwałymi, które są stale zastępowane, w zależności od zapotrzebowania na tworzenie kości w określonym miejscu i czasie . OCN wydzielany przez osteoblasty zawiera trzy reszty kwasu γ-karboksyglutaminowego, które nadają wysokie powinowactwo do matrycy hydroksyapatytu kości. Jednakże, gdy kość jest resorbowana przez osteoklasty, Typ komórkowy wywodzący się z makrofagów, kwaśne pH w komorze resorpcji powoduje usunięcie grup karboksylowych na OCN i uwolnienie dekarboksylowanego OCN do krążenia. Krążące poziomy dekarboksylowanego OCN są zatem zależne od szybkości obrotu kostnego, znanego również jako remodeling.

początkowo uważano, że działa wyłącznie w kościach, bardziej ekspansywny widok dekarboksylowanego OCN jako hormonu endokrynnego ewoluował, głównie dzięki pracy Gerarda Karsenty ’ ego i współpracowników, a zaczynając od opisu myszy nokautującej OCN 24 lata temu . Jako hormon, OCN został zaproponowany do działania na wielu narządach końcowych i tkankach, w tym trzustce, wątrobie, komórkach tłuszczowych, mięśniach, męskich gonadach i mózgu w celu regulacji funkcji, począwszy od akumulacji masy kostnej do masy ciała, otyłości, metabolizmu glukozy i energii, męskiej płodności, rozwoju mózgu i poznania . Ten pomysł-że OCN jest hormonem endokrynologicznym o działaniu plejotropowym-jest szeroko cytowany w podręcznikach i artykułach przeglądowych i dostarczył uzasadnienia dla licznych badań na ludziach na temat związku między OCN a cukrzycą lub otyłością.

istnieje jednak kilka widocznych niedociągnięć w idei „OCN jest hormonem endokrynologicznym”. Liczba osteoblastów (a zatem krążące poziomy dekarboksylowanego OCN) nieuchronnie zmienia się przez całe życie w wyniku fizjologicznych, adaptacyjnych lub patologicznych zmian samej kości, które mogą być ostre lub przewlekłe, ogólnoustrojowe lub zlokalizowane i odwracalne lub nieodwracalne, bez zmian w domniemanych pozaskeletalowych celach dekarboksylowanego 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. Podobnie, leki-zatwierdzone po rozległych badaniach z tysiącami osób, a następnie używane przez miliony w leczeniu osteoporozy-dramatycznie zmniejszyć lub zwiększyć poziom OCN w surowicy bez wpływu na homeostazę glukozy, produkcję testosteronu, mięśnie lub zachowanie. Ponadto badania nad GPRC6A, genem myszy, proponowanym jako receptor OCN modulujący proliferację komórek β trzustki, dały sprzeczne wyniki w odniesieniu do metabolizmu glukozy i energii . Jednym z możliwych wyjaśnień różnic między wynikami u myszy i u ludzi jest to, że genetyka i funkcja OCN różnią się między ludźmi a myszami; ludzie mają jeden gen OCN, podczas gdy u myszy istnieją dwa sąsiednie geny OCN, Bglap i Bglap2. Jednak szczury mają pojedynczy gen OCN, a szczury posiadające mutację zerową OCN wprowadzoną przez edycję genów nie wykazują otyłości, insulinooporności ani nietolerancji glukozy . Sortowanie tych pozornych rozbieżności było trudne, ponieważ mysz karsenty knockout nie była powszechnie dostępna do badań potwierdzających.

w bieżącym numerze PLOS Genetics znajdują się dwa badania niezależnych modeli nokautu myszy OCN. W artykule Moriishi i współpracowników autorzy zastąpili DNA kodujące Bglap i Bglap2 kasetą neo w embrionalnych komórkach macierzystych. Wykorzystując ten model badali rolę OCN w tworzeniu i mineralizacji kości, a także metabolizmie glukozy, produkcji testosteronu i masie mięśniowej. Pokazują one, że w przeciwieństwie do wyników zgłoszonych przez Karsenty i współpracowników (którzy stosowali podobną strategię celowania w Gen), OCN nie odgrywa żadnej roli w tworzeniu kości (lub resorpcji) i masie kostnej w stanie wystarczającym lub niedoborem estrogenu. Zamiast tego OCN jest niezbędny do wyrównania biologicznych krystalitów apatytowych równolegle do włókien kolagenowych (Fig. Utrata funkcji OCN nie miała wpływu na Orientację kolagenu, która pozostała w normie. Wytrzymałość kości została jednak zmniejszona u myszy z niedoborem OCN, co wskazuje, że wyrównanie krystalitów z włóknami kolagenowymi jest jednym z nieuchwytnych czynników determinujących jakość kości, które wraz z masą kostną determinują zdolność kości do odporności na złamania. Ponadto szczegółowe i przemyślane badanie przeprowadzone przez Moriishi i współpracowników pokazuje, że OCN nie odgrywa żadnej roli w tworzeniu kości wywołanym wysiłkiem, metabolizmie glukozy, poprawie metabolizmu glukozy spowodowanej wysiłkiem fizycznym, syntezie testosteronu, spermatogenezie lub masie mięśniowej.

Pobierz:

• PowerPoint slide
• większy obraz
• oryginalny obraz

Rys. 1. Aktualizacja biologicznej roli osteokalcyny w 2020 r.

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

w artykule Diegla i współpracowników autorzy wykorzystali edycję genów za pośrednictwem CRISPR / Cas9 do usunięcia większości regionów kodujących białka Bglap i Bglap2. Raportują, że homozygotyczne myszy z modyfikacją genów nie mają krążącego OCN, ale normalną masę kostną, a także prawidłowy poziom glukozy we krwi i prawidłową płodność męską. Dodatkowo, RNA-seq próbek kości korowych myszy z niedoborem OCN wykazują minimalne różnice w porównaniu z innymi myszami kontrolnymi. Zmutowane myszy wykazują jednak zwiększoną wielkość kryształu kostnego i dojrzewanie hydroksyapatytu, zgodnie z wyżej wymienionym raportem Moriishi i współpracowników, wcześniejszymi dowodami wielu innych grup i ogólnym konsensusem, że OCN odgrywa rolę w mineralizacji.

Co mamy zrobić z pozornymi rozbieżnościami między artykułami w bieżącym numerze PLOS Genetics, pracami nad szczurzym nokautem , a poprzednimi pracami Karsentego i współpracowników? W ciągu ostatnich kilku lat niezrównana wiarygodność wyników badań, w szczególności z badań z przedklinicznymi modelami zwierzęcymi, które mogą być istotne dla ludzkiej biologii i chorób, stała się ogromnym problemem dla wszystkich zainteresowanych stron przedsiębiorstwa badawczego, w tym społeczności badawczej kości i minerałów . Badania omawiane w tej perspektywie są doskonałym przykładem problemu. Podłoże genetyczne, geny modyfikujące i różnice w genetyce molekularnej alleli nokautujących pozostają możliwym wyjaśnieniem rozbieżności, ale ani Moriishi i współpracownicy, ani Diegel i współpracownicy nie są w stanie wyjaśnić uderzającej niezgodności między ich odkryciami a odkryciami z grupy Karsenty. Co ważne, jednak obie grupy wyraźnie oświadczają, że zwierzęta, które skonstruowały, zostaną przekazane do centrów dystrybucyjnych i udostępnione publicznie, aby ich wyniki mogły zostać potwierdzone i rozszerzone przez innych zainteresowanych badaczy. Rzeczywiście, znaczenie udostępniania zasobów jest jednym z najcenniejszych Wiadomości do domu. Uważam, że nauka nieubłaganie samoreguluje się, a praca w bieżącym numerze PLOS Genetics stanowi ważną korektę z implikacjami dla przeszłych i przyszłych prac nad połączeniami lub ich brakiem między kością a resztą ciała.