lncRNA具有促進骨形成和治療骨質疏松的能力

　　長非編碼RNA (IncRNA) 的生物學功能在近年來受到了廣泛的關注。作為生物體內數量最多的RNA類型，越來越多的IncRNA被發現可以影響細胞的功能、器官的發育以及多種疾病的發生發展。但是，作為功能復雜的基因轉錄本，目前對IncRNA在疾病中的功能和作用機制仍然缺乏了解【1】。

　　隨著我國老齡化的加速，50歲以上人群骨質疏松癥患病率高達19.2%。成骨細胞分化不足和成骨能力下降是骨質疏松發病的主要原因，但是成骨細胞分化的關鍵調節機制還有待被揭示。最近，在體外研究系統中，IncRNA被證明參與了成骨細胞的成熟和其前體細胞-間充質干細胞的成骨分化【2】。然而在體內，IncRNA是否能夠影響骨代謝，調節骨形成還不清楚。在眾多的候選IncRNA中能否發現在體內促進成骨的保守性lncRNA分子，進而能否將lncRNA作為骨質疏松癥干預的潛在靶點，是本領域亟待解決的重要問題。

　　2019年4月8日，來自北京航空航天大學的王曉剛/同濟大學的孫瑤、王佐林/暨南大學的張弓合作團隊在 Nature Metabolism 雜志以Article形式在線發表了題為The long noncoding RNA lnc-ob1 facilitates bone formation by upregulating Osterix in osteoblasts 的研究論文。據悉，該研究完全由我國學者獨立設計，全部研究工作在國內開展和完成。這也是Nature Metabolism雜志首次以中國學者為通訊單位發表的研究類論文。

　　該研究發現了一系列調控成骨細胞分化的保守性lncRNA分子，并重點分析和驗證了其中一個新的成骨細胞富集的lncRNA分子（命名為lnc-Ob1），lnc-Ob1能夠促進成骨細胞的分化，在小鼠體內顯著增強骨形成能力（下圖）。

　　lncRNA發現型研究中常常有兩大難點：(1) lncRNA在物種間的低保守性，即相同功能的lncRNA在物種間的序列保守性不高；(2) 許多lncRNA豐度很低，部分序列與已知其他基因高度相似，因此對測序實驗和算法精度的要求極高。

　　在最新的這項研究中，研究人員同時利用小鼠和人的BMSCs（bone marrow stem cells，骨髓干細胞）分化模型，利用鏈特異性建庫技術對分化前后的細胞進行轉錄本超高深度測序，獲得了600余G的原始數據，然后利用團隊自主研發的FANSe3算法進行分析，極高的精度和容錯性使得研究團隊可以充分利用每一點原始數據，精準定量豐度極低的lncRNA。研究團隊在人的BMSCs成骨分化過程中發現了2028個差異表達的lncRNA分子，而在小鼠的BMSCs成骨分化過程中發現了1436個差異表達的lncRNA分子。通過生物信息學分析，對這些差異表達的lncRNA基因在序列相似性、時序表達、基因組織等多方面進行了系統的評估，課題組鑒定到一個人和小鼠成骨細胞中都特異性上調的lncRNA分子（命名為lnc-Ob1/lnc-OB1）。進一步研究表明，在老年人成骨細胞中lnc-OB1的表達發生增齡性下調；去卵巢和老年小鼠成骨細胞中lnc-Ob1的表達也發生顯著下調。如上結果提示lnc-Ob1很可能與骨形成有密切關系，并且在骨質疏松發生發展過程中有重要的調控作用。

　　為分析lnc-Ob1在體內的功能，研究團隊構建了成骨細胞特異性lnc-Ob1敲入小鼠。通過系統的骨形態計量學和組織學分析，發現在體內lnc-Ob1能夠明顯促進骨形成并增加骨量。而成骨細胞靶向遞送lnc-Ob1 的ASO抑制物，能夠降低lnc-Ob1的表達使骨量減少。進一步體內實驗顯示，Inc-Ob1基因敲入小鼠體內的成骨細胞數目顯著增加，長骨和椎骨處的松皮質和皮質骨的骨量都顯著高于野生對照小鼠，具有很強地抵抗骨量丟失的能力。進而，研究團隊利用前期構建的成骨細胞靶向遞送系統【3】，實現了骨質疏松小鼠的Inc-Ob1靶向基因治療。結果表明，治療后的小鼠骨形成能力顯著增強，骨量顯著增加。值得注意的是，與PTH等常規骨質疏松治療藥物相比，lnc-Ob1基因治療實現了與常規藥物類似的治療效果。

　　進一步機制研究發現：Inc-Ob1通過抑制Osterix (關鍵的成骨調節轉錄因子)啟動子的H3K27me3甲基化，顯著上調Osterix在小鼠和人成骨細胞中的表達，從而促進成骨細胞成熟分化。在成骨細胞的細胞核內，Inc-Ob1能夠與Suz12結合，削弱了H3K27甲基化酶復合體在Osterix啟動子上的募集程度（下圖），從而增強Osterix的表達，促進成骨細胞分化和骨形成。

lnc -Ob1調控Osterix表達的機制示意圖

　　目前應用于的臨床唯一高效促進骨形成藥物-甲狀旁腺激素PTH，存在著兩年使用時限、骨折治療不敏感、潛在骨肉瘤風險等弊端。所以，骨形成藥物的開發“瓶頸”急需新的策略和機制來解決。該研究發現了一個成骨細胞特異性表達的長非編碼RNA（lnc-Ob1）能夠有效促進骨形成，實現成骨細胞靶向遞送Inc-Ob1可以有效抵抗卵巢切除引起的小鼠骨質疏松。這些發現揭示了lncRNA在骨形成中的重要作用，提示骨組織特異性IncRNA可能作為一種潛在的骨質疏松疾病治療新策略。

　　北京航空航天大學的王曉剛研究員、同濟大學口腔醫學院王佐林教授、孫瑤教授和暨南大學的張弓教授是本論文的共同通訊作者。孫瑤、蔡明詳、鐘嘉泳為本文的共同第一作者。據悉，近年來王曉剛和孫瑤教授課題組合作，在非編碼RNA調節硬組織發育及礦化領域發表了一系列原創性研究工作，重點關注硬組織疾病相關的非編碼RNA治療靶點及靶向治療技術研發。前期系列成果發表于Nature Medicine，Nature Communication，ACS Nano, Journal of Bone and Mineral Research，Journal of Dental Research等雜志。

　　參考文獻

　　[1]Yang L, Froberg J E, Lee J T. Long noncoding RNAs: fresh perspectives into the RNA world [J]. Trends in Biochemical Sciences, 2014, 39(1): 35-43.

　　[2] Zhuang, W.Z. et al. Upregulation of lncRNA MEG3 promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells from multiple myeloma patients by targeting BMP4 transcription. Stem Cells 33, 1985-1997 (2015).

　　[3] Sun, Y. et al. Osteoblast-targeting-peptide modified nanoparticle for siRNA/microRNA delivery. ACS Nano 10, 5759-5768 (2016).