Histone demethylase KDM7A regulates bone homeostasis through balancing osteoblast and osteoclast differentiation

组蛋白去甲基化酶KDM7A通过平衡成骨细胞和破骨细胞分化来调节骨稳态

（Cell Death and Disease (2024) 15:136 ; https://doi.org/10.1038/s41419-024-06521-z）

骨骼稳态依赖骨形成与骨吸收的动态平衡，成骨细胞来源于骨髓间充质干细胞，破骨细胞来源于造血干细胞。成骨与脂肪细胞分化存在竞争关系，受多种转录因子和信号通路调控。组蛋白甲基化修饰在多种细胞过程中及基因表达调控中起关键作用，组蛋白赖氨酸去甲基化酶7 A（KDM7A）可双向调控间充质祖细胞向脂肪细胞和成骨细胞分化。先前研究提示KDM7A在间充质祖细胞向成骨和脂肪细胞分化中具有相反调节作用，但其体内功能尚不明确。

本研究旨在探究KDM7A在骨骼稳态中的生理作用，并阐明其作用机制。通过条件性策略，我们在小鼠体内特异性敲除表达osterix基因的成骨祖细胞中的KDM7A基因。利用micro-CT、骨组织学染色、ELISA检测骨量、骨形成及骨吸收指标。并在体外培养骨髓间充质干细胞（BMSCs）进行成骨和成脂分化实验。应用骨髓细胞诱导破骨细胞分化及共培养实验。采用RNA测序筛选关键靶基因，染色质免疫沉淀（ChIP）分析KDM7A对Fap和Rankl启动子组蛋白甲基化修饰的调控。并使用卵巢切除（OVX）骨质疏松模型评估Kdm7a缺失的保护作用。

实验结果显示：Kdm7a缺失促进骨量增加及骨形成增强，Kdm7a cKO小鼠骨小梁骨量、骨小梁数量及骨矿物含量显著增加，骨小梁间距减少。成骨细胞数量增加，ALP染色阳性细胞增多，血清骨形成标志物PINP水平升高，骨形成速率提升。骨髓脂肪细胞数量减少，TRAP阳性破骨细胞减少，血清骨吸收标志物CTX-1下降。Kdm7a缺失导致骨髓间充质干细胞分化失衡。体外成骨诱导中，Kdm7a缺失BMSCs表现出增强的成骨分化能力（ALP染色、成骨基因表达及蛋白水平升高）。在成脂诱导中，脂肪细胞分化受抑，油红O染色阳性减少，脂肪相关基因表达下降。Kdm7a缺失抑制破骨细胞形成。骨髓细胞诱导破骨细胞分化实验显示，Kdm7a缺失显著减少破骨细胞数量及破骨细胞特异基因表达。共培养实验表明，Kdm7a缺失BMSCs通过降低Rankl表达及Rankl/Opg比值，抑制破骨细胞分化。

机制研究：KDM7A调控Fap和Rankl基因表达的表观遗传机制。ChIP-qPCR显示KDM7A结合于Fap和Rankl启动子区域，去除抑制性组蛋白H3K9me2和H3K27me2甲基化标记，促进其转录。Kdm7a缺失导致Fap和Rankl表达下调，激活Wnt/β-连环蛋白信号通路，促进成骨分化并抑制脂肪分化。重组FAP蛋白部分逆转Kdm7a缺失引起的成骨分化异常。

Kdm7a缺失可防止卵巢切除诱导的骨质流失。在OVX模型中，Kdm7a cKO小鼠骨量显著高于对照组，骨形成细胞数量增加，骨髓脂肪细胞和破骨细胞数量减少。表明Kdm7a缺失具有保护骨质、抑制骨吸收的潜力。

本研究证实了KDM7A通过表观遗传调控成骨细胞与破骨细胞分化，在维持骨稳态中的重要作用。因此，抑制KDM7A可能有助于改善骨质疏松症。

编译：朱崇贵

天津医科大学总医院内分泌代谢科