Science子刊：空军军医大学杨柳/罗卓荆/西湖大学郑厚峰发现减轻骨质流失的新策略

在哺乳动物细胞中，硫酸盐被转移到许多内源性底物的羟基或氨基上，如蛋白质、碳水化合物和细胞代谢产物。这种由磺基转移酶催化的生物反应称为硫酸化。据估计，所有分泌的人类蛋白质中有三分之一是硫酸化的。令人印象深刻的人类骨骼发育不良是由硫酸化相关调控基因突变引起的，包括溶质载体家族26成员A2（SLC26A2）。作为硫酸化途径中最上游的成分，SLC26A2作为膜硫酸盐转运蛋白发挥作用，吸收硫酸盐以维持硫酸盐供应，其缺乏通过剥夺骨骼细胞的细胞内硫酸盐库来消除下游硫酸化途径。到目前为止，人类SLC26A2基因的50多个突变与五种临床严重程度不同的遗传性骨骼疾病有关。硫酸化是一种广泛的生物分子修饰，迄今为止尚未完全探索。

2023年8月23日，第四军医大学杨柳、罗卓荆及西湖大学郑厚峰共同通讯在Science Translational Medicine 在线发表了题为“Targeting sulfation-dependent mechanoreciprocity between matrix and osteoblasts to mitigate bone loss”的研究论文，该研究揭示靶向基质和成骨细胞之间的硫酸化依赖性机械相互作用以减轻骨质流失。通过对多达426,824名基因型人类参与者的骨密度进行跨表型meta分析，以及对多个突变小鼠系的表型表征，该研究确定了硫酸盐转运蛋白SLC26A2缺乏在骨质疏松症中的致病作用。成骨细胞中SLC26A2的消融导致严重的骨质流失和未成熟骨细胞的积累，并引发特殊的细胞周基质（PCM）产生，其特征是过硫酸化和硬度降低。PCM的这些化学物理性质的改变破坏了成骨细胞中局灶性粘连的形成。

RNA测序和功能测定显示，粘着斑激酶（FAK）和含有Yes1相关转录调节因子（YAP）/WW结构域的转录调节因子1（TAZ）信号传导的机械原理抑制影响SLC26A2缺乏时成骨细胞的成熟。此外，Hippo激酶的药理学废除和强迫车轮运行通过促进YAP/TAZ活性来改善SLC26A2缺陷型骨质疏松症。对小鼠单细胞RNA测序数据的分析表明，在成骨细胞向骨细胞的过渡过程中，硫酸盐代谢、局灶粘附和YAP/TAZ活性之间存在协调。除了SLC26A2缺乏的环境外，在去卵巢小鼠和骨质疏松症患者的骨细胞中还观察到FAK和YAP/TAZ信号的改变，并且YAP/TAZ活性的药理学增强改善了去卵巢小鼠的骨质流失。总之，这些数据揭示了硫酸化在基质和成骨细胞之间的发育机械相互作用中的作用，这可以用来防止骨质流失。

硫酸化被认为是分泌型基质大分子的一种重要修饰，因为大多数碳水化合物和蛋白质磺基转移酶都存在于高尔基体中，例如硫酸软骨素-4-氧基硫基转移酶和酪氨酸蛋白磺基转移酶类。对SLC26A2缺陷型软骨发育不良的研究在基质生物学中首次发现了硫酸化。在软骨细胞中，SLC26A2的消融最终导致严重的软骨基质结果，其特征是软骨基质组装异常、蛋白聚糖过硫酸化和胶原分泌缺陷。在SLC26A2缺乏的成骨细胞中也观察到硫酸盐摄取受损，并且SLC26A2缺乏导致成熟骨中蛋白多糖硫酸化缺陷。

在Slc26a2中携带错义突变A386V的小鼠不仅表现出四肢缩短，而且还表现出明显的骨质疏松症，同样，携带较轻错义突变D673V的小鼠在成年晚期遭受骨质流失，而四肢长度没有改变。这些研究证明了SLC26A2缺陷的成骨细胞和软骨细胞共有的硫酸盐摄取缺陷的共同性质。此外，硫酸化蛋白多糖也存在于骨基质中，具有4-硫酸软骨素（C4S）、硫酸皮肤素和硫酸角蛋白链，优先定位于类骨、骨细胞的细胞表面和泪小管系统的壁。具体而言，在骨细胞和矿化骨基质之间的一层称为细胞周基质（PCM）的胶原原纤维中发现了含有C4S的蛋白聚糖。然而，在以软骨为中心的硫酸化相关骨骼疾病中，硫酸化在成骨细胞中的确切功能及其与骨量的临床相关性尚不清楚。

该研究发现YAP/TAZ信号传导不仅可以用于治疗Slc26a2突变体中的骨质流失，而且可以用于治疗OVX小鼠，并将XMU-XP-1表征为一种有前途的治疗方法。值得注意的是，基质过硫酸化和FAK和YAP/TAZ的串联抑制参与了雌激素缺乏性骨质流失，而SLC26A2的表达没有改变。一种可能的解释是，卵巢切除术可能影响SLC26A2活性的翻译后调节，从而导致硫酸不足，因为据报道，SLC26A2-介导的硫酸摄取受到PKC和PI3K等激酶的调节。特别是，已经在野生型真性腺小鼠中评估了XMU-XP-1的作用，并且研究者没有发现骨小梁微结构参数的实质性改变。

与此一致，据报道，用XMU-MP-1（1 mg/kg，与此研究中采用的剂量相同）治疗的野生型小鼠没有表现出任何癌症生长，尽管MST1/2的肝脏特异性缺失导致小鼠的肝脏立即明显过度生长。在本研究中，以1 mg/kg的剂量腹膜内注射XMU-MP-1足以增强小鼠肠道和肝脏修复，并改善Slc26a2缺陷和卵巢切除诱导的骨质流失。这两项独立的体内研究表明，XMU-XP-1对MST1/2的短暂药理学抑制在生理条件下具有良好的耐受性，这表明XMU-MP-1可以作为一种有效的治疗方法，以最小的毒副作用稳定YAP/TAZ。

SLC26A2缺乏破坏成骨细胞FA的形成和Hippo信号传导（图源自Science Translational Medicine ）

在此，研究者通过对人类骨密度（BMD）的跨表型荟萃分析和对小鼠骨骼中SLC26A2的基因消融，提供了将SLC26A2与骨质流失联系起来的遗传证据。通过评估SLC26A2缺乏症的细胞、基质和转录组学结果，研究者进一步阐明了骨质流失的致病机制。研究者证明，SLC26A2缺陷的成骨细胞产生具有降低硬度的过硫酸PCM，这损害了局灶性粘连（FA）的形成以及随后FA激酶（FAK）和Yes1相关转录调节因子（YAP）/WW结构域包含转录调节因子1（TAZ）信号的激活，导致终末分化受损。这一机制见解强调了硫酸化通过调节成骨细胞PCM的硬度对骨量的调节，并表明靶向硫酸化依赖性机械原理是治疗骨质流失的一种治疗策略。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/scitranslmed.adg3983