研究背景

成年人的骨量由成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收共同维持。当这一平衡被打破，就会引发骨质疏松、骨折不愈合等疾病。近年来，骨细胞在骨重塑中的重要性日益凸显：它们能感知机械刺激和激素信号，通过分泌RANKL、OPG、Sclerostin等分子调控破骨细胞和成骨细胞的活性，还能分泌甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）促进骨形成。然而，成骨细胞向骨细胞分化的精确机制至今尚不明确。

由于骨细胞是成骨细胞的终末分化形态，在体内不再增殖，因此细胞周期调控因子在骨细胞中的作用长期被忽视。但实际上，细胞周期依赖性激酶（CDKs）不仅调控细胞分裂，还参与转录调控、发育和稳态维持。此前研究已表明CDK1对成骨细胞分化至关重要，其缺失会导致骨量减少。那么，CDK1在成骨细胞向骨细胞转变的过程中又扮演什么角色？研究团队利用IDG-SW3细胞模型和条件性基因敲除小鼠对此进行了深入探究。

文章概述

骨骼并非静态结构，而是处于持续的动态重塑之中。成骨细胞负责骨形成，破骨细胞负责骨吸收，两者的平衡决定了骨量的稳定。近年来，骨细胞作为骨重塑的核心调控者逐渐进入研究者视野，但成骨细胞如何分化为骨细胞，其机制仍不甚清楚。日本东京医科齿科大学的研究团队在Advanced Biology发表的最新研究揭示，细胞周期调控因子CDK1在成骨细胞向骨细胞分化过程中扮演关键角色，敲除CDK1会导致骨量丢失，而这一效应与骨细胞分泌的PTHrP减少密切相关。该发现不仅深化了我们对骨量调控机制的理解，也为骨质疏松症的治疗提供了新的思路。

主要结果

1. 抑制CDK1活性会阻碍IDG-SW3细胞的增殖和骨细胞分化

研究团队首先利用可模拟成骨细胞向骨细胞分化的小鼠细胞系IDG-SW3，检测了各种CDKs的表达水平。结果显示，CDK1在所有CDKs中表达最高，且随着分化进程其表达逐渐下降。采用siRNA敲低或CDK1抑制剂RO-3306处理后，细胞增殖受到抑制，同时成骨细胞标志物Alp和骨细胞标志物Phex的表达均显著下降，GFP阳性骨细胞数量也明显减少。然而，过表达CDK1虽能促进增殖，却不能促进分化（图1）。这表明CDK1是成骨细胞向骨细胞分化的必要条件，但并非充分条件。

图1. CDK1对IDG-SW3细胞增殖和分化的影响

2. 成骨细胞/骨细胞特异性Cdk1敲除导致小鼠股骨骨小梁丢失

为在体内验证CDK1的功能，研究团队利用Dmp1-Cre系统构建了Cdk1条件性敲除小鼠（Dmp1-Cdk1^KO）。由于Dmp1主要在成骨细胞晚期和骨细胞中表达，该模型可实现Cdk1在这些细胞中的特异性删除。Dmp1-Cdk1^KO小鼠外观和体重均正常，但μCT分析显示其股骨骨小梁体积显著下降，骨小梁厚度降低，骨小梁间距增大，而皮质骨厚度无明显变化（图2），提示CDK1缺失主要影响骨小梁而非皮质骨。

图2. Dmp1-Cdk1KO小鼠的构建与骨表型分析

3. Dmp1-Cdk1^KO小鼠表现为骨细胞减少和骨形成下降

除股骨外，研究团队还对小鼠椎骨进行了骨组织形态计量分析。结果显示Dmp1-Cdk1^KO小鼠的骨小梁体积同样显著降低。进一步分析发现，Dmp1-Cdk1^KO小鼠成骨细胞数量减少，而破骨细胞数量无明显变化；同时骨细胞数量和密度也显著下降。双钙黄绿素标记实验表明，Dmp1-Cdk1^KO小鼠的矿化沉积率和骨形成率均显著降低（图3），提示CDK1缺失可能通过抑制骨形成而非促进骨吸收导致骨量丢失。

图3. Dmp1-Cdk1^KO小鼠椎骨组织学及骨形成动态分析

4. CDK1通过调控PTHrP表达影响骨形成

血清学检测进一步证实，Dmp1-Cdk1^KO小鼠骨吸收标志物CTX-1无变化，而骨形成标志物P1NP显著降低，表明骨量丢失源于骨形成下降。由于既往研究显示骨细胞特异性敲除Pthlh基因的小鼠表现出与Dmp1-Cdk1^KO小鼠相似的骨小梁丢失表型，研究团队检测了骨髓中PTHrP浓度，发现其在Dmp1-Cdk1^KO小鼠中显著降低；体外实验也证实，Pthlh表达在成骨细胞向骨细胞分化过程中逐渐升高，而CDK1抑制剂可降低成熟骨细胞中Pthlh表达。鉴于甲状旁腺素（PTH）与PTHrP作用于同一受体且具有相似的促骨形成作用，研究团队尝试间歇性PTH给药，结果显示可部分恢复Dmp1-Cdk1^KO小鼠的骨小梁丢失（图4）。

图4. Dmp1-Cdk1^KO小鼠骨形成减少的机制及PTH的治疗效果

研究结论

本研究揭示了细胞周期调控因子CDK1在成骨细胞向骨细胞分化过程中的关键作用。CDK1表达随分化进程下调，但其活性对分化过程不可或缺；条件性敲除Cdk1导致骨细胞密度降低、PTHrP分泌减少，最终引发骨小梁丢失，而PTH治疗可部分逆转这一表型。有趣的是，CDK1作为经典的细胞周期驱动因子，通常与细胞增殖密切相关，而骨细胞恰恰是一种终末分化、不再增殖的细胞。本研究表明CDK1在这类已退出细胞周期的细胞中仍发挥重要功能，提示细胞周期相关蛋白可能存在超越增殖调控的更广泛生物学意义。

论文信息

Regulation of Osteoblast to Osteocyte Differentiation by Cyclin-Dependent Kinase-1

Tomoyuki Tanaka, Yuri Miyakoshi, Yutaka Kobayashi, Sun Xiaolong, Yu Daiyang, Hiroki Ochi, Shingo Sato, Tsuyoshi Kato, Toshitaka Yoshii, Atsushi Okawa, Philipp Kaldis, Hiroyuki Inose*

Advanced Biology

DOI:10.1002/adbi.202300136

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adbi.202300136

期刊介绍

Advanced Biology是Wiley出版社旗下Advanced 系列期刊之一。Advanced系列是Wiley倾力打造的自主旗舰品牌，涵盖了各学科领域的优秀期刊。作为Advanced系列的第一本生命科学类期刊，Advanced Biology （IF:2.6）创刊于2017年，旨在成为生命科学领域具有国际影响力的原创成果发表平台，涵盖从分子到整个生命体以及更高尺度的生命科学研究。期刊致力于报道重要新颖具有广泛生物学意义的基础及应用研究，包括但不限于以下领域：细胞与分子生物学、系统生物学、合成生物学、组织工程与再生医药、生物技术与生物工程、免疫学、微生物学、结构生物学、神经生物学、癌症研究、发育生物学、遗传学与表观遗传学、生态系统与进化生物学等。作为Hybrid期刊，Advanced Biology为作者提供Gold Open Access发表选项。