研究背景
老年性骨质疏松症的特征是衰老过程中出现骨质疏松性骨质流失。在老年小鼠的骨骼中，骨质减少症与自噬活性降低有关，自噬活性降低，自噬抑制增强。研究表明，自噬调节破骨细胞、成骨细胞和软骨细胞分化。尽管自噬途径中的主要调节因子已在骨代谢调节中进行了研究，但这些因素是否以及如何在 间充质干细胞（MSCs）命运决定和衰老过程中的骨质疏松性骨丢失中发挥作用仍然未知。近年来，越来越多的自噬相关项目得到国基金资助，这篇文章也为我们申请项目思路提供启发。
OPTN是一种自噬受体，在选择性自噬中起核心作用，在压力条件下降解细胞器和聚集体。OPTN通过调节NF-κB和干扰素信号负调节破骨细胞分化。但仍缺乏证据表明选择性自噬是否具有降解靶蛋白的特异性。MSCs具有自我更新和分化成成骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞的能力，在骨稳态中起关键作用。自噬可以调节间充质干细胞的衰老。然而，MSCs衰老的潜在分子机制需要精确阐明。
因此，作者想要探究衰老过程中，自噬与OPTN是否以及如何决定MSCs命运并在骨质疏松性骨丢失中发挥作用。
研究成果
今天要给大家介绍的是中南大学湘雅医学院谢辉教授团队发表在《Autophagy》（IF：13.391）杂志上的一篇题为“Autophagy receptor OPTN (optineurin) regulates mesenchymal stem cell fate and bone-fat balance during aging by clearing FABP3”的研究论文。该文首次鉴定出自噬受体蛋白OPTN选择性降解的底物FABP3（脂肪酸结合蛋白3），并发现OPTN通过调节FABP3来调控骨脂平衡。揭示了老年性骨质疏松症发病新机制，为其防治提供了新思路与新靶点。
原文连接：
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15548627.2020.1839286?journalCode=kaup20
研究过程与结果
Part.01
1.OPTN缺陷小鼠表现出增加的骨丢失和MSC的衰老
对不同年龄小鼠进行WB发现，自噬相关基因和蛋白在老年鼠中表达降低，证明自噬活性下降。表明OPTN敲除小鼠和老年小鼠在骨代谢和自噬活性方面具有相同表征（图2）。作者发现OPTN-/-小鼠的MSCs的衰老程度高于OPTN+/+小鼠；OPTN-/-小鼠的MSCs的增殖能力受损并衰老。一些自噬相关基因在mRNA和蛋白水平表达量较低，说明MSCs衰老与自噬活性降低存在关联（图3）。
图 2. OPTN缺陷小鼠表现出与老年小鼠相似的骨质流失增加和自噬受损
图 3. 自噬缺陷可能是骨骼衰老期间MSC衰老的原因
Part.02
2. 骨骼老化过程中OPTN调节MSC的命运
作者发现OPTN-/-小鼠的MSCs成骨相关基因mRNA表达水平远低于对照组，成脂相关基因mRNA表达水平远高于对照组。作者将OPTN-/-MSC和OPTN+/+MSC移植到OPTN-/-小鼠内发现，无论是静脉注射还是骨髓内注射对照小鼠的MSCs，都可以挽救OPTN-/-小鼠的骨丢失，并恢复骨骼代谢能力及骨强度。表明：骨骼衰老过程中OPTN调节MSC的命运。
图 4. OPTN 控制 MSCs 的成骨和成脂分化
Part.03
3. 自噬过程中OPTN功能导致MSC衰老
作者观察到与 OPTN+/+MSCs 相比，OPTN–/– MSCs 中的 ROS 积累更多，并且OPTN–/– MSCs 中 ROS 的积累受到 OPTN慢病毒感染的抑制。同时，OPTN 慢病毒感染的OPTN–/– MSCs的SA-GLB和γH2AX水平降低，增殖能力增强。体外分化实验及三种染色结果显示，WT OPTN感染的OPTN–/– MSCs骨形成增强和脂肪形成减少（图5）。
图 5. 诱导OPTN 而不是 OPTNK193R 恢复了 OPTN–/– MSCs 的成骨分化
通过静脉注射携带OPTN和OPTNK193R 的慢病毒在 OPTN–/–小鼠中过表达WT和突变 OPTN。OPTN的过表达将 OPTN–/–小鼠从低骨量和强度表型中拯救出来。HE、BGLAP以及钙黄绿素染色结果显示，成骨细胞数量上升，脂肪细胞数量减少，MAR和BFR增加。qRT-PCR结果显示，股骨中自噬和成骨相关基因的mRNA的水平增强，衰老和脂肪生成相关基因下调（图6）。这表明体内过表达OPTN能够挽救骨质流失。
图 6. 诱导 OPTN而不是 OPTNK193R 可减轻OPTN–/– 小鼠的骨质流失
Part.04
4. FABP3由OPTN依赖性自噬途径调节
OPTN-/- 小鼠中 FABP3 的积累表明 OPTN 可能是 FABP3 的调节剂。免疫共沉淀证明OPTN可通过自噬特异性调节FABP3水平。
通过蛋白质印迹测定，FABP3 siRNA1 和 siRNA2 可以完全敲低 FABP3 表达。转染 FABP3 siRNAs 的OPTN-/- MSCs 在成骨诱导下表现出增强的成骨作用，在成脂诱导下表现出减少的脂肪生成。体内实验表明，FABP3干扰组骨量和骨强度明显提高，成骨细胞明显增加，脂肪细胞减少（图7）。
图 7. FABP3 是 OPTN 的下游调节剂
Part.05
5. 静脉注射FABP3 siRNA或OPTN可减轻老年小鼠的骨丢失
将 OPTN cDNA 或 FABP3 siRNA1 静脉内引入老年小鼠（16 个月大）。治疗后两个月，通过蛋白质印迹证实了老年小鼠股骨中 OPTN 的过度表达和 FABP3 的敲低。骨代谢的表征也有明显恢复。总之，研究结果表明，OPTN 通过调节 FABP3 在衰老过程中调节 MSCs 的命运和骨脂肪平衡（图8）。
转自：“学术查”微信公众号
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