în ultimii 24 de ani, comunitatea de cercetare a metabolismului osos și mineral (și Institutele Naționale de sănătate și numeroase alte agenții de finanțare naționale și internaționale care o susțin) au dedicat o mare cantitate de energie intelectuală și resurse unor idei provocatoare, uneori controversate, despre osteocalcin (OCN). OCN este o proteină de aminoacizi 46 care este produsă și secretată aproape exclusiv de osteoblaste, celule diferențiate terminal responsabile de sinteza și mineralizarea matricei osoase în timpul dezvoltării scheletului și regenerarea periodică a acestuia pe tot parcursul vieții. Osteoblastele provin din progenitori mezenchimali și sunt celule de scurtă durată care sunt înlocuite în mod constant, în funcție de cererea de formare osoasă într-o anumită locație și timp . OCN secretat de osteoblaste conține trei reziduuri de acid carboxiglutamic care conferă o afinitate ridicată matricei hidroxiapatite osoase. Cu toate acestea, atunci când osul este resorbit de osteoclaste, un tip de celulă derivat din macrofage, pH-ul acid din compartimentul de resorbție determină îndepărtarea grupărilor carboxil de pe OCN și OCN decarboxilat este eliberat în circulație. Nivelurile circulante ale OCN decarboxilat sunt, prin urmare, dependente de rata turnover-ului osos, cunoscută și sub numele de remodelare.

inițial gândit să funcționeze exclusiv în os, o viziune mai expansivă a OCN decarboxilat ca hormon endocrin a evoluat, în mare parte prin munca lui Gerard Karsenty și a colegilor și începând cu descrierea unui mouse knockout OCN acum 24 de ani . Ca hormon, OCN a fost propus să acționeze asupra mai multor organe și țesuturi finale, inclusiv pancreas, ficat, celule grase, mușchi, gonade masculine și creier pentru a regla funcții variind de la acumularea masei osoase la greutatea corporală, adipozitate, glucoză și metabolismul energetic, fertilitatea masculină, dezvoltarea creierului și cogniție . Această idee – că OCN este un hormon endocrin cu efecte pleiotropice-este citată pe scară largă în manuale și articole de revizuire și a oferit rațiunea pentru numeroase studii umane privind relația dintre OCN și diabet sau obezitate.

au existat, totuși, mai multe deficiențe aparente în ideea „OCN este un hormon endocrin”. Numărul de osteoblaste (și, prin urmare, nivelurile circulante ale OCN decarboxilat) se modifică inexorabil de-a lungul vieții ca urmare a modificărilor fiziologice, adaptive sau patologice ale osului însuși care pot fi acute sau cronice, sistemice sau localizate și reversibile sau ireversibile, fără modificări ale țintelor extrascheletice presupuse ale OCN decarboxilat. 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. În mod similar, medicamentele—aprobate după studii ample cu mii de subiecți și ulterior utilizate de milioane pentru tratamentul osteoporozei—scad dramatic sau cresc nivelurile serice de OCN fără niciun efect asupra homeostaziei glucozei, producției de testosteron, mușchilor sau comportamentului. În plus, studiile de direcționare a genei de șoarece a GPRC6A , propuse a fi un receptor OCN care modulează proliferarea celulelor pancreatice cu celule pancreatice, au dat rezultate contradictorii în ceea ce privește metabolismul glucozei și energiei . O posibilă explicație pentru diferențele dintre rezultatele la șoareci și cele la om este că genetica și funcția OCN diferă între oameni și șoareci; oamenii au o singură genă OCN, în timp ce la șoareci, există două gene OCN adiacente, Bglap și Bglap2. Cu toate acestea, șobolanii au o singură genă OCN, iar șobolanii care poartă o mutație OCN nulă introdusă prin editarea genelor nu prezintă obezitate, rezistență la insulină sau intoleranță la glucoză . Sortarea prin aceste discrepanțe aparente a fost dificilă, deoarece mouse-ul Karsenty knockout nu a fost disponibil pe scară largă pentru studii de confirmare.

numărul actual al geneticii PLOS prezintă două studii ale modelelor independente OCN mouse knockout. În articolul lui Moriishi și colegii săi, autorii au înlocuit ADN-ul care codifică BGLAP și Bglap2 cu o casetă neo în celulele stem embrionare. Folosind acest model, au investigat rolul OCN asupra formării și mineralizării osoase, precum și metabolismul glucozei, producția de testosteron și masa musculară. Acestea arată că, spre deosebire de rezultatele raportate de Karsenty și colegii săi (care au folosit o strategie similară de direcționare a genelor), OCN nu joacă niciun rol în formarea osoasă (sau resorbția) și masa osoasă în starea suficientă de estrogen sau deficit de estrogen. În schimb, OCN este indispensabil pentru alinierea cristalitelor apatite biologice paralele cu fibrele de colagen (Fig.1). Pierderea funcției OCN nu a avut niciun efect asupra orientării colagenului, care a rămas normală. Cu toate acestea, rezistența osoasă a fost scăzută la șoarecii cu deficit de OCN, indicând faptul că alinierea cristalitelor cu fibrele de colagen este unul dintre factorii determinanți evazivi ai calității osoase care, împreună cu masa osoasă, determină capacitatea osului de a rezista fracturilor. În plus, studiul detaliat și atent realizat de Moriishi și colegii săi arată că OCN nu joacă niciun rol în formarea osoasă indusă de exerciții fizice, metabolismul glucozei, îmbunătățirea metabolismului glucozei cauzată de exerciții fizice, sinteza testosteronului, spermatogeneza sau masa musculară.

descărcare:

• diapozitiv PowerPoint
• imagine mai mare
• imagine originală

Fig 1. O actualizare din 2020 a rolului biologic al osteocalcinei.

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

în articolul lui Diegel și al colegilor , autorii au folosit editarea genei mediată de CRISPR / Cas9 pentru a șterge majoritatea regiunilor de codificare a proteinelor bglap și Bglap2. Ei raportează că șoarecii editați de gene homozigote nu au OCN circulant, ci masă osoasă normală, precum și glucoză normală din sânge și fertilitate masculină normală. În plus, ARN-seq a probelor de os cortical de la șoarecii cu deficit de OCN prezintă diferențe minime față de șoarecii de control nonmutanți. Șoarecii mutanți prezintă, totuși, o dimensiune crescută a cristalului osos și maturarea hidroxiapatitei, în concordanță cu raportul menționat mai sus al lui Moriishi și al colegilor, dovezi anterioare ale multor alte grupuri și consensul general că OCN joacă un rol în mineralizare.

ce trebuie să facem din discrepanțele aparente dintre articolele din numărul actual al PLoS Genetics, lucrarea privind eliminarea șobolanilor și corpul anterior de lucru al lui Karsenty și al colegilor? În ultimii ani, ireproductibilitatea rezultatelor cercetării, în special din studiile cu modele animale preclinice care ar putea fi relevante pentru Biologia și bolile umane , a devenit o preocupare enormă pentru toate părțile interesate ale întreprinderii de cercetare, inclusiv comunitatea de cercetare osoasă și minerală . Studiile discutate în această perspectivă sunt un prim exemplu al problemei. Fundalul Genetic, genele modificatoare și diferențele în genetica moleculară a alelelor knockout rămân explicații posibile pentru discrepanțe, dar nici Moriishi și colegii, nici Diegel și colegii nu pot explica incongruența izbitoare dintre descoperirile lor și cele din grupul Karsenty. Cu toate acestea, ambele grupuri afirmă în mod explicit că animalele pe care le-au construit vor fi donate centrelor de distribuție și puse la dispoziția publicului, astfel încât descoperirile lor să poată fi confirmate și extinse de alți anchetatori interesați. Într-adevăr, importanța partajării resurselor este unul dintre cele mai valoroase mesaje de acasă. Cred că știința se autocorectează inexorabil, iar lucrarea din numărul actual al geneticii PLOS reprezintă o corecție importantă cu implicații pentru munca trecută și viitoare asupra conexiunilor sau lipsei acestora între os și restul corpului.