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这篇综述聚焦于昼夜节律时钟基因 Bmal1 对骨与软骨代谢的调节作用。详细阐述了 Bmal1 在相关代谢过程中的信号通路机制、上游调控因子，以及多种 Bmal1 基因敲除小鼠模型，为骨 / 软骨疾病的防治提供新思路。
引言
为适应地球自转带来的环境变化，哺乳动物进化出约 24 小时周期的昼夜生物钟。生物钟由中央振荡器和外周振荡器构成，时钟基因是节律表达的分子基础，其中 Bmal1 是维持节律的核心基因，在中枢和外周组织均有表达 。
骨骼由骨和软骨组成，分别由成骨细胞和软骨细胞产生，其发育涉及膜内成骨和软骨内成骨过程。Bmal1 从间充质干细胞到终末分化的骨细胞和软骨细胞均有广泛表达，且骨和软骨代谢具有昼夜节律特征，Bmal1 对骨骼发育的多种关键因子有影响，敲除 Bmal1 会导致小鼠骨骼病理改变，因此探究其调节机制意义重大。
Bmal1 对骨 / 软骨代谢的影响
骨和软骨代谢是复杂的生物学过程，涉及骨形成与骨吸收的动态平衡以及多种细胞。正常情况下，二者平衡维持骨骼健康，但睡眠和昼夜节律紊乱可能破坏这种平衡，增加骨质流失风险。骨代谢具有时间依赖性，相关标志物呈现昼夜波动，同步的昼夜节律有助于健康软骨和骨结构的形成 。
近年来研究表明，Bmal1 在胚胎发育和膜内成骨中起关键作用。Bmal1 基因缺陷小鼠表现出低骨量表型，包括骨皮质和小梁骨微观结构受损、骨密度降低等；在软骨细胞中敲除 Bmal1 会损害细胞功能，增加软骨基质降解酶表达。然而，也有研究得出相反结论，这可能与实验动物年龄、体内外实验环境差异等因素有关 。
Bmal1 调节骨和软骨代谢的信号通路
- Wnt 信号通路：Wnt 信号通路参与多种生物学过程，经典 Wnt 通路通过 β-catenin 调控细胞增殖和命运。研究发现 Bmal1 参与 Wnt/β-catenin 通路激活，但二者相互作用机制在不同微环境中存在差异。在某些细胞中，Bmal1 过表达可促进细胞增殖，激活该通路；而在另一些情况下，Bmal1 缺失却能激活通路，可能与核转录因子等因素有关 。
- TGF-β/BMP 信号通路：TGF-β 超家族的 TGF-β/BMP 信号对诱导骨形成至关重要，通过 SMAD 依赖和非依赖途径转导信号。Bmal1 与该通路密切相关，可激活 TGF-β/BMP 通路，促进成骨分化，但对 Bmp 基因的调节作用在不同细胞和年龄模型中存在差异 。
- MAPK/ERK 信号通路：MAPK/ERK 信号通路可快速响应损伤刺激，调节细胞多种活动。该通路与 TGF-β 通路相互关联，且与 Bmal1 表达直接相关。在睡眠剥夺大鼠模型中，该通路激活会导致颞下颌关节损伤，而 Bmal1 过表达可抑制相关损伤 。
- NF-κB 信号通路：NF-κB 转录因子在免疫、炎症等过程中起关键作用。Bmal1 与 NF-κB 信号通路相互调节，在不同微环境中对骨 / 软骨代谢的调节机制有待进一步研究。在糖尿病环境下，Bmal1 可能通过抑制该通路来挽救骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨功能 。
- Hedgehog 信号通路：Hedgehog 通路在骨形成、修复和稳态中起重要作用。BMAL1 可直接结合到该通路相关基因启动子上，调节信号转导，影响下颌髁突软骨发育 。
- HIF-1α-VEGF 信号通路：软骨组织是无血管且缺氧的组织，HIF-1α-VEGF 信号通路对其发育至关重要。Bmal1 可与 HIF-1α 或 HIF2α 相互作用，调节该通路，影响软骨发育 。
Bmal1 在骨 / 软骨代谢方面的调控因素
- miRNAs：miRNAs 是外周时钟网络转录后调控的重要分子，多种 miRNAs 可直接靶向 Bmal1，影响其表达，进而调节骨 / 软骨代谢相关细胞的功能，在椎间盘疾病等模型中发挥作用 。
- 药物：褪黑素（melatonin）可调节 Bmal1 表达，维持骨微环境的节律稳态，改善绝经后骨质疏松；氟化物（fluoride）则会抑制 Bmal1 表达，影响软骨细胞活力和分化 。
- 分子：SIRT1 可通过调节 BMAL1 乙酰化水平影响昼夜节律；KDM6B 能激活 Bmal1 转录，促进 BMSCs 成骨分化；此外，应力刺激等也会影响 Bmal1 表达 。
- 激素：甲状旁腺激素（PTH）和去甲肾上腺素（NE）等激素参与调节时钟基因，Bmal1 是二者作用的共同靶点 。
- 生物材料：在组织工程领域，研发的生物材料可调节骨缺损区域的缺氧条件，影响 Bmal1 表达，促进骨再生 。
研究 Bmal1 在骨 / 软骨疾病中作用的小鼠模型
- Bmal1-/-小鼠：全局敲除 Bmal1 的小鼠表现出下颌髁突软骨生成和软骨内骨化减少、面部畸形、骨密度降低等与骨 / 软骨异常相关的表型 。
- 成骨细胞特异性 Bmal1 敲除小鼠：不同研究生成的此类小鼠模型结果存在差异，部分模型显示敲除 Bmal1 后成骨细胞数量增加、骨形成标志物表达上升；而另一些则表现出骨量减少的表型 。
- 破骨细胞特异性 Bmal1 敲除小鼠：该模型敲除 Bmal1 后破骨细胞分化下降，骨量增加，但也有研究未发现与对照组有显著差异，可能与 Cre 重组酶的非特异性表达有关 。
- 间充质细胞特异性 Bmal1 敲除小鼠：此类小鼠表现出低小梁骨量、关节结构破坏等表型，揭示 Bmal1 在调节间充质细胞维持骨 / 软骨稳态中的重要作用 。
- 软骨细胞特异性 Bmal1 敲除小鼠：该模型小鼠出现椎间盘退变、关节软骨进行性退化等表型，表明 BMAL1 对维持软骨稳态至关重要 。
- 其他：在其他器官中敲除 Bmal1 也会影响骨 / 软骨形成，如在骨骼肌、结肠上皮细胞和肠道组织中敲除 Bmal1，分别会导致骨和软骨变化、骨形成受损、骨吸收增加等 。
结论与展望
目前对 Bmal1 与骨 / 软骨代谢的关联在分子机制层面理解尚浅，不同研究结果存在差异，其与各信号通路的直接调控机制也不明确。未来需进一步研究 Bmal1 的靶基因，明确其生物学效应机制，寻找有效的 Bmal1 调节剂，为骨骼相关疾病的治疗和预防提供新策略 。
