題目：二甲雙胍通過調節(jié)FoxO1核胞漿穿梭改善HPRT1靶向嘌呤代謝并修復NR4A1介導的自噬治療絕經后骨質疏松癥

英文名：Metformin improves HPRT1-targeted purine metabolism and repairs NR4A1-mediated autophagic flux by modulating FoxO1 nucleocytoplasmic shuttling to treat postmenopausal osteoporosis

雜志：Cell Death & Disease

影響因子：8.1/Q1

發(fā)表時間：2024年11月

研究背景：骨質疏松癥是一種主要的退行性代謝性骨病，威脅著絕經后婦女的生命和健康。由于檢測方法和預防策略意識的局限性，骨質疏松癥治療的目的更多的是延緩進一步惡化，而不是從根本上糾正骨量。本研究旨在闡明絕經后骨質疏松癥的發(fā)病機制并優(yōu)化治療方案。

研究思路：實驗基于先前的發(fā)現，即氧化應激介導雌激素缺乏后骨代謝失衡。通過能量代謝靶向代謝組學，揭示了嘌呤代謝紊亂是誘導骨組織氧化損傷的主要機制，這通過使用來自人類數據庫的機器學習數據得到了驗證。黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶用于治療成骨細胞，構建嘌呤代謝紊亂模型。X/XO處理后成骨細胞活性和分化能力下降。轉錄組測序表明，自噬通量損傷與嘌呤代謝誘導的成骨細胞氧化應激有關。此外，進行血清代謝組學結合網絡藥理學，以確定二甲雙胍治療絕經后骨質疏松癥的藥理機制。HPRT1是從樞紐基因過濾的潛在靶標，FoxO1信號傳導是介導二甲雙胍在成骨細胞中作用的關鍵途徑。還揭示了SIRT3介導的脫乙酰化促進了FoxO1的核定位，從而增加了HPRT1的表達。HPRT1上調促進嘌呤合成代謝，阻止嘌呤分解代謝引起的ROS積累，以逆轉成骨細胞的氧化損傷。

研究結果：

1、骨能量代謝靶向代謝組學和機器學習

對假手術組和卵巢切除組樣本進行能量代謝靶向代謝組檢測（圖1A，B）。隨后進行重復相關分析（圖1C），最小偏二乘判別分析（OPLS-DA）（圖1D），篩選出31種有效差異豐富代謝物（圖1E-G），生成差異豐富代謝物的熱圖（圖1H）。如圖1I，J所示，嘌呤代謝在這兩組之間存在顯著差異。嘌呤相關代謝物在OVX組中積累。發(fā)現KKNN和SVM模型在預測骨質疏松方面表現出突出的性能，這從框圖中每個模型的平均AUC中可以明顯看出（圖1K，L），KKNN模型的驗證結果通過接收器工作特征（ROC）曲線分析進一步突出了其outstanding性，曲線下面積（AUC）值為0.875（圖1M）。這些結果表明嘌呤代謝相關基因對于區(qū)分絕經后骨質疏松癥患者和健康對照具有很高的診斷價值。

圖1

2、代謝組學和網絡藥理學的綜合分析

micro-CT結果表明二甲雙胍可以防止骨丟失并改善OVX小鼠的骨顯微結構（圖2A）。進行了血清代謝組學分析，以確定OVX組和二甲雙胍實驗組之間差異豐富的代謝物（圖2B，）。這兩組樣品之間的差異通過多模態(tài)PCA可視化（圖2C）。所有差異豐富的代謝物根據其內容在圖2D中列出。此外，進行了網絡藥理學分析，獲得了1871個骨質疏松相關靶點和47個二甲雙胍相關靶點（圖2E）。從分子功能（MF）、生物過程（BP）和細胞成分（CC）三個方面分析基因功能，并確定了前十大術語（圖2G）。GO分析后，根據MF分析共鑒定出5個功能組（圖2H-I）。KEGG網絡如圖2J所示。通過將網絡藥理學分析揭示了HPRT1和CANT1是上述樞紐基因，受影響的途徑是嘌呤代謝（圖2K）。

圖2

3、二甲雙胍減輕X/XO誘導的成骨細胞損傷

通過CCK-8和流式細胞儀測定（圖3A，B）確定具有足夠黃嘌呤濃度（100μmol）用于分解的黃嘌呤氧化酶的the best濃度（圖3A，B）。結果顯示，25mU/ml黃嘌呤氧化酶顯著降低了生存能力，同時增加了凋亡成骨細胞的百分比（圖3A，C）。因此，25mU/ml黃嘌呤氧化酶用于后續(xù)實驗。隨后探索了二甲雙胍在治療絕經后骨質疏松癥中的作用。實驗顯示，200mmol二甲雙胍顯著逆轉了X/XO治療引起的細胞生存能力和凋亡細胞百分比的下降（圖3D-F）。因此，200mmol二甲雙胍用于后續(xù)實驗。

圖3

4、二甲雙胍增加HPRT1表達以逆轉成骨細胞的氧化損傷

對股骨組織樣本進行免疫組織化學分析，以確認HPRT1在體內表達的變化（圖4A）。HPRT1的表達隨著二甲雙胍體外干預而增加（圖4B，C）。HPRT1表達抑制后凋亡細胞的百分比增加（圖4D，E）。二甲雙胍增加了相關蛋白的比例，這在HPRT1沉默后被逆轉（圖4B，C）。如圖4F所示，二甲雙胍在X/XO處理后恢復了成骨細胞的分化和礦化能力。沉默HPRT1表達逆轉了二甲雙胍的治療效果，結果表明，線粒體膜電位隨著X/XO處理而降低，ROS水平增加，二甲雙胍的治療效果通過沉默HPRT1而逆轉（圖4G，H，I）。細胞內鈣離子濃度也顯示了氧化損傷的程度（圖4J）。這些結果表明二甲雙胍上調HPRT1的表達，以改善成骨細胞中X/XO誘導的氧化應激損傷。

圖4

5、SIRT3介導的FoxO1脫乙?；龠M其核定位以調節(jié)HPRT1表達

OVX和二甲雙胍治療組的FoxO1水平低于假手術組（圖5a）。在細胞水平，添加As184來抑制FoxO1表達，HPRT1蛋白水平下降（圖5B，C）。Sirt3基因沉默逆轉了這些影響，并降低了相應HPRT1蛋白的水平（圖5D-G）。二甲雙胍處理增加了FoxO1蛋白定位于核的比例，但Sirt3沉默逆轉了這種影響（圖5H）。與野生型細胞相比，K245R轉染細胞中FoxO1的核定位增加，相應地，HPRT1蛋白水平升高（圖5I，J，L）。K245R組顯示更多的FoxO1蛋白核定位，而K245Q組顯示相反（圖5K）。這些發(fā)現表明SIRT3對FoxO1的調控是通過位點-245的乙酰化實現的。

圖5

6、轉錄組數據表明，自噬與X/XO誘導的氧化損傷有關

與對照組相比，X/XO組共鑒定出2028個上調基因和2184個下調基因（圖6A和S1D）。GO分析表明，DEG富集在“利用自噬機制的加工”、“自噬”、“溶酶體膜”、“溶酶體”、“溶解液泡”和“自噬體”（圖6B，C）中。KEGG分析還顯示了溶酶體和自噬相關通路的富集（圖6D-F）。此外，將這些參數的變化與二甲雙胍治療后觀察到的變化進行了比較。結果顯示二甲雙胍治療后248個上調基因和301個下調基因（圖6G）。GO分析還揭示了二甲雙胍可以調節(jié)嘌呤核糖核苷和氧化還原輔酶代謝（圖6H，I）。KEGG分析揭示富集在FoxO信號通路和自噬相關通路中的基因與上述發(fā)現一致（圖6J，K）。為了鑒定X/XO和二甲雙胍都參與自噬調控的因素，構建了DEGs的維恩圖（圖6L）,根據基因的差異對其進行排序，并選出前15個基因進行進一步篩選。

圖6

7、自噬通量受損介導X/XO誘導的成骨細胞氧化損傷

使用透射電鏡驗證自噬和溶酶體的變化,二甲雙胍大大增加了自溶酶體的數量，減少了自噬體的數量（圖7A）。兩種自噬標志物的表達在OVX組比假手術組更大，但在二甲雙胍實驗組更低，這與轉錄組分析的結果一致（圖7B）。然后，使用Western blotting檢測p62和LC3BII/I的蛋白質表達水平，這表明在X/XO處理后有所增加（圖7C，D）。此外，檢測了成骨細胞活性對CQ處理的響應。結果顯示，二甲雙胍對細胞凋亡和分化的治療作用被CQ逆轉（圖7E，F，G）。與二甲雙胍治療相比，CQ添加增加了細胞內ROS水平，降低了X/XO環(huán)境中的線粒體膜電位（圖7H，I）。細胞內鈣濃度的增加也表明響應CQ治療的氧化損傷程度增加（圖7J）。此外，成骨細胞被mRFP-GFP-LC3腺病毒感染，以準確觀察和評估自噬的變化。X/XO組的結果表明黃點（自噬體）比例增加，紅點（自溶酶體）比例減少，這表明自噬通量被阻斷。二甲雙胍減弱了斑點比例的變化，但在CQ治療后逆轉（圖7K，L）。這些結果表明自噬通量受損對于X/XO誘導的成骨細胞氧化損傷至關重要。

圖7

8、二甲雙胍通過恢復Nr4a1介導的自噬通量來改善X/XO誘導的氧化損傷

為了確定Nr4a1在調節(jié)自噬中的作用，首先進行免疫組織化學分析以確定骨組織中的Nr4a1含量（圖8A）。隨后通過添加Nr4a1-siRNA生成Nr4a1沉默的細胞以進一步驗證。Western blotting顯示（圖8B，C）。如圖8D，E所示，通過沉默Nr4a1基因，黃點（自噬體）與紅點（自溶酶體）比例的變化被逆轉。Western blotting結果表明，Nr4a1蛋白的表達水平隨著X/XO處理而降低，HPRT1沉默后二甲雙胍的治療效果被逆轉（圖8F）。最后，構建HPRT1-overexpressing和Nr4a1沉默的細胞，以評估HPRT1是否可以通過Nr4a1進一步調節(jié)自噬通量。與X/XO組相比，HPRT1-overexpressing組LC3BII/I和p62的表達降低，Nr4a1基因的沉默逆轉了這些影響（圖8G，H）。自噬通量測試結果顯示，HPRT1過表達后黃點（自噬體）比例下降，紅點（自溶酶體）比例增加，這種影響通過沉默Nr4a1基因而逆轉（圖8I，J）。

圖8

總結：本文采用“代謝組學＋轉錄組+機器學習＋網絡藥理學+細胞自噬”深度挖疾病機制的神級思路，想不發(fā)一區(qū)都難！文章方法易復現，傲星生物不僅具有豐富的分析經驗、還提供完善的下游驗證、機制研究服務，一對一專屬服務為您排憂解難，助您輕松應對畢業(yè)和晉升！