ED-71在调节H3K18组蛋白乳酸化方面的潜在作用：抑制破骨细胞分化并缓解绝经后骨质疏松症

于吉|曹天宇|荣星|李莎莎|刘宏瑞|长谷川智子|李敏琪

山东大学齐鲁医学院口腔科学与医院骨代谢科，山东省口腔组织再生重点实验室，山东省牙科材料与口腔组织再生工程研究中心，山东省口腔疾病临床研究中心，济南，中国

摘要

绝经后骨质疏松症（PMOP）的主要特征是破骨细胞过度激活。本研究旨在探讨雌激素缺乏是否通过代谢和表观遗传机制调节破骨细胞的功能，并阐明新型活性维生素D类似物eldecalcitol（ED-71）的干预效果。利用卵巢切除（OVX）大鼠模型和体外实验，我们发现雌激素缺乏会增强破骨细胞中的糖酵解作用，导致乳酸积累和组蛋白H3K18乳酸化（H3K18la）水平升高，进而引发内质网（ER）功能障碍。ER功能障碍进一步促进储存操作钙通道（SOCE）的过度激活，最终导致破骨细胞分化增加和骨吸收加剧。本研究表明，在雌激素缺乏条件下，破骨细胞中存在“代谢-表观遗传-钙信号传导”轴的关联。此外，我们发现ED-71通过抑制糖酵解、降低H3K18la水平、减轻ER应激、抑制SOCE并恢复骨稳态，有效破坏了这一调控轴。我们的发现为PMOP的发病机制提供了新的见解，并确立了ED-71作为一种有前景的多靶点治疗剂。

引言

绝经后骨质疏松症（PMOP）是最常见的原发性骨质疏松症亚型，主要由雌激素缺乏引起，导致骨形成受损和骨吸收加速。其最严重的后果是脆性骨折，导致严重的发病率并带来巨大的社会经济负担。随着全球人口老龄化，PMOP的发病率显著增加[1]，这强调了深入理解其发病机制以促进有效治疗开发的必要性。

绝经后雌激素水平下降会引发全身性的炎症和氧化应激[2]。这些因素与激素变化共同作用，增强破骨细胞驱动的骨吸收[3]，导致骨量减少和骨微结构恶化。破骨细胞是负责骨吸收的多核巨细胞，在PMOP的发病机制中起着关键作用。已知雌激素缺乏会促进破骨细胞前体的增殖和分化，导致成熟破骨细胞数量显著增加[4]。除此之外，细胞内钙（Ca²⁺）稳态对破骨细胞至关重要[5]。作为普遍的第二信使，Ca²⁺的波动是分化的上游触发因素，而持续的Ca²⁺稳态对于维持吸收活性至关重要[6]。调节破骨细胞中Ca²⁺内流的主要机制是SOCE，该过程由STIM1/ORAI1轴介导[7]。当ER储存中的Ca²⁺耗尽时，ER膜上的STIM1传感器聚集并刺激质膜上的ORAI1通道激活，从而增加Ca²⁺内流。SOCE通路的激活对破骨细胞分化和骨吸收不可或缺[8]。ER是主要的细胞内Ca²⁺储存库。ER功能障碍由破坏蛋白质折叠的刺激触发，通常通过SOCE途径影响Ca²⁺的处理，最终影响细胞存活和功能[9]。这在胰腺β细胞中得到了体现，ER应激诱导的SOCE改变会促进细胞凋亡[10]，类似的机制也在成骨细胞中有所报道[11]。

乳酸通过组蛋白乳酸化调节基因表达，从而促进ER功能障碍，这是一种连接细胞代谢和表观遗传调控的新兴翻译后修饰[12]。这种修饰利用乳酸（糖酵解的副产物）来修饰H3K18la，将高糖酵解状态转化为特定的转录程序。其核心特征在于它依赖于乳酸（细胞糖酵解的产物）作为修饰底物，从而能够直接将细胞代谢状态转化为基因转录调控。相比之下，经典的表观遗传调控机制主要是酶促修饰反应，不依赖于代谢底物，因此在调控触发条件、分子基础和信号关联方面存在显著差异。虽然组蛋白乳酸化在免疫学[13]和肿瘤学[14]中已成为关键调控因子，但其在骨代谢中的作用，特别是在破骨细胞生物学中的作用仍很大程度上未被探索。此外，雌激素及其受体的变化可以调节细胞代谢[15]。这种效应已在多种细胞类型中观察到，包括星形胶质细胞[16]和脂肪细胞[17]。糖酵解途径的改变通过增强关键酶（如Hexokinase 2（HK2）和Lactate Dehydrogenase A（LDHA）[18]的表达来调节细胞内乳酸的积累。这种代谢重编程与表观遗传调控的结合为理解PMOP中破骨细胞的异常激活提供了新的视角。

目前的PMOP治疗方法往往受到副作用或疗效不足的限制[19]，这突显了基于新发病机制的安全、更有效治疗策略的必要性。ED-71是一种化学修饰的维生素D类似物，其生物活性和组织选择性优于天然维生素D[20]。临床前研究表明，与骨化三醇相比，ED-71显著改善了骨量和微结构，并显著降低了高钙血症的风险[21]。值得注意的是，ED-71在对抗骨质疏松症方面具有双重作用，既能抑制破骨细胞骨吸收，又能适度促进成骨细胞骨形成[22]。这可能是通过选择性调节维生素D受体（VDR）通路实现的，该通路调控RANKL/OPG和Wnt/β-连环蛋白系统中的关键骨代谢基因[23]。有趣的是，新兴证据表明ED-71可以影响细胞代谢[24]，使其成为针对所提出的糖酵解-ER-SOCE轴的有希望的候选药物。

基于这些证据，我们假设在PMOP中，雌激素缺乏通过一种新的级联反应促进破骨细胞过度激活：它增强糖酵解通量，增加乳酸产生和组蛋白H3K18la修饰。这种升高的乳酸化反过来引发内质网功能障碍和SOCE通路的过度激活，最终加剧破骨细胞生成。我们进一步提出，ED-71通过靶向和破坏这一发病机制来缓解骨质疏松症。

章节片段

动物模型的建立

在本实验中，8周大的雌性Wistar大鼠被分为三组（n = 5）：对照组、OVX组和OVX + ED-71组。在1%戊巴比妥钠麻醉（成都华夏）下，进行背部切口，暴露卵巢和输卵管。结扎输卵管并切除卵巢以建立OVX模型。对照组仅暴露卵巢而不切除。OVX + ED-71组每天给予30 ng/kg的ED-71，持续8周。

ED-71增加OVX大鼠的骨量并减少破骨细胞数量

为了验证ED-71（化学结构见图1A）在OVX大鼠中的治疗效果，我们给OVX大鼠施用了ED-71。首先，血清钙检测显示ED-71提高了血清钙浓度（图1B）。HE染色检测表明，与对照组相比，OVX大鼠的骨组织相对比例显著减少，同时骨小梁结构更少、更薄且分布更分散。而ED-71的施用显著

讨论

PMOP主要是由雌激素水平急剧下降引起的骨代谢失衡驱动的[27]，这传统上被认为是骨形成和吸收平衡失调所致[28]。然而，超越这一传统观点，我们的研究表明，雌激素缺乏会引发破骨细胞内在代谢和表观遗传状态的深刻改变，为它们的过度激活提供了新的视角。早期研究已经证实

伦理声明

所有动物实验均获得了山东大学口腔科学与医院机构动物护理和使用委员会的批准（编号20250806）。

CRediT作者贡献声明

于吉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，数据管理，概念化。曹天宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，数据管理，概念化。荣星：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。李莎莎：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。刘宏瑞：项目管理，资金获取。长谷川智子：

资助

本研究部分得到了国家自然科学基金（编号82571064）和山东省泰山学者计划（编号tstp20221160）对李敏琪的支持；以及国家自然科学基金（编号82571091）、山东省“泰山青年学者”建设工程专项基金（编号tsqn202103177）和山东省自然科学基金（编号ZR202210210042）对刘宏瑞的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。