MYO9B基因缺陷小鼠骨骼特征和力学性质的部位特异性改变

《Journal of Biomechanics》：Site-Specific alterations in bone characteristics and mechanical properties in MYO9B-Deficient mice

该研究通过基因敲除技术，发现MYO9B缺失显著降低小鼠股骨体积、密度及机械性能，但对颌骨影响不显著。机制研究表明，MYO9B缺失通过干扰IGF-1R信号通路影响成骨细胞功能。

　　

作者名单： Momoko Karashima | Farah A. Al-Omari | Keiichiro Watanabe | Yong-Hoon Jeong | Zongyang Sun | Beth S. Lee | Do-Gyoon Kim

美国俄亥俄州立大学牙科学院正畸学系，哥伦布，OH 43210

摘要

Myosin IXB（MYO9B）是一种非传统的IX类肌球蛋白，在骨细胞中表达，可能在正常的骨骼生长中发挥作用，这可能是由于MYO9B与成骨细胞中的IGF-1信号通路相互作用。然而，MYO9B在决定颌骨特征方面的作用尚未得到研究。本研究的目的是探讨MYO9B基因敲除对幼鼠下颌骨和股骨特征的影响，并进一步了解MYO9B基因敲低对成骨细胞IGF-1信号通路的作用。研究人员构建了C57BL/6背景的MYO9B敲除小鼠。61只小鼠（30只雄性，31只雌性，12周龄）被分为野生型（WT）组（n=31）和敲除组（KO）组（n=30）。小鼠安乐死后，研究人员解剖其半下颌骨和半股骨，并使用微计算机断层扫描（microcomputed tomography）评估骨骼体积、组织矿物质密度（TMD）、几何结构以及生长板特征。随后，分别对半下颌骨和半股骨进行了非破坏性动态力学分析（DMA），包括非破坏性振荡压缩和弯曲试验。最终，对股骨施加静态弯曲直至断裂。与野生型组相比，MYO9B敲除组的小鼠股骨在长度（减少8.76%）、骨量（减少19.15%）、体积（减少19.12%）、几何结构（减少56.32%）和力学性能（减少41.59%）方面均表现出显著恶化。敲除组的生长板也异常变薄，骨分数较低，TMD值也较低。相比之下，MYO9B野生型组和敲除组之间的下颌骨特征没有显著差异。

引言

Myosin IXB（MYO9B）是一种在骨细胞中表达的非传统IX类肌球蛋白，在啮齿动物的正常骨骼生长中起着重要作用（McMichael等人，2017年）。小鼠全基因组MYO9B缺失会导致青春期生长受抑制，而MYO9B表达降低的成骨细胞对IGF-1的反应性也会减弱（McMichael等人，2017年）。尽管在人类中尚未观察到MYO9B基因的大规模缺失，但单核苷酸多态性与身高变化有关（Lango Allen等人，2010年）。其他多态性还与自身免疫性疾病（如乳糜泻和炎症性肠病）相关，这些疾病通常伴随着生长不良（Cooney和Jewell，2009年；Lango Allen等人，2010年；Monsuur等人，2005年；Neuman和Nanau，2012年；Nú?ez等人，2007年；Persengiev等人，2010年；Santiago等人，2008年；J. Zhang等人，2023年）。独特的是，MYO9B及其仅在神经元中表达的对应蛋白MYO9A含有RhoGAP结构域，该结构域能够抑制RhoA信号通路，从而使它们成为肌动蛋白细胞骨架的关键调节因子，进而影响细胞形态、运动性、附着和迁移（Hanley等人，2010年）。此外，由于MYO9B表达缺失导致的成骨细胞和骨细胞形态变化可能会影响机械感应引起的骨骼生长（Lee等人，2023年）。尽管在体外实验中观察到破骨细胞（osteoclasts）的活性发生了改变（McMichael、Scherer、Franklin和Lee，2014年），但MYO9B敲除小鼠的整体骨吸收过程似乎未受影响，表明其主要缺陷在于骨形成过程（McMichael等人，2017年）。这些骨细胞功能的改变会影响骨骼的建模，从而导致骨骼结构和成分的变化。当骨形成受到限制时，骨骼的结构和成分都会受到影响。这些变化的累积最终会影响骨骼的力学性能，而骨骼的力学性能对于日常活动（如承重和咀嚼）至关重要（Ames等人，2010年；Chen等人，2016年；Kim等人，2015年；Kim等人，2018年；Seeman，2003年）。

初步分析显示，MYO9B敲除小鼠在4周和12周龄时，其小梁骨和皮质骨均有所减少，同时骨形成速率降低，机械稳定性也下降（Kim等人，2018年；McMichael等人，2017年）。然而，关于MYO9B在决定颌骨特征方面作用的研究仍然有限。许多临床和临床前研究表明，颌骨中的骨髓干细胞（BMSCs）比肢体骨骼中的骨髓干细胞具有更高的矿化能力（Aghaloo等人，2010年；Akintoye等人，2006年；Huang等人，2020年；Liu等人，2022年；Yufei等人，2023年）。这些部位特异性的骨特征可能使颌骨能够适应循环性的高冲击咀嚼负荷，这与肢体骨骼对承重力的反应不同。此外，虽然IGF-1对青春期肢体骨骼生长的影响已得到充分研究，但其对正常下颌骨生长的影响尚不明确。一方面，异常高的血清IGF-1水平会导致下颌骨生长，如垂体肿瘤引起的巨人症和肢端肥大症中所见（Hannah-Shmouni、Trivellin和Stratakis，2016年）；另一方面，外源性IGF-1治疗可以促进下颌骨和髁突的生长（Iikubo等人，2012年；Joshi等人，2014年）。另一方面，在青春期，下颌骨生长与血清IGF-1水平之间的相关性不高，表明下颌骨在正常发育过程中可能对IGF-1信号的敏感性较低（Fang等人，2023年；Tripathi等人，2019年）。我们假设MYO9B的缺失会因颌骨和肢体骨骼对IGF-1信号通路的敏感性不同而对其产生不同的影响。因此，本研究的目的是探讨MYO9B基因敲除对幼鼠下颌骨和股骨特征的影响，并进一步了解MYO9B基因敲低对成骨细胞IGF-1信号通路的作用。

研究结果

敲除组股骨的BV、TV、BV_CB、TMC、BMD、股骨长度、Ct.Th、I_min、K*、K、F_max、BV/TV_TB、Tb.N、Tb.SP、BV/TV_GP、GP表面积、Th.mean和TMD_GP等参数均显著低于野生型组（p<0.05）。然而，敲除组的tan δ值较高（p=0.03）（见图4）。

对于下颌骨，WT组和KO组之间没有参数显示出显著差异（p>0.09）。不过，敲除组的Whole bone Low₅、alveolar bone Low_5AB和tan δ值略高。

讨论

当前的研究结果表明，MYO9B基因敲除通过减少骨体积（BV）来改变股骨结构，同时保持其成分不变，但TMD分布未受影响。敲除组股骨体积的减小是由于骨量参数（包括股骨长度、BMD、TMC和Tb.N）的减少所致。在骨质疏松症中，由于骨重塑增加，TMD会随骨量减少而降低，这会刺激破骨细胞活动，从而促进骨组织的吸收和成骨细胞的活性。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT 4.0 mini工具来检查语法并优化文本清晰度。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

作者贡献声明

Momoko Karashima： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验设计、数据整理。 Farah A. Al-Omari： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验设计、数据整理。 Keiichiro Watanabe： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验设计、数据整理。 Yong-Hoon Jeong： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了美国正畸医师协会基金会（American Association of Orthodontists Foundation Award, DGK）、Dorothy M. Davis心脏和肺研究所（Dorothy M. Davis Heart and Lung Research Institute）以及俄亥俄州立大学Ross心脏医院TriFit挑战研究试点奖（Ohio State Ross Heart Hospital TriFit Challenge Research Pilot Award, BL）的支持。