DC-STAMP与OC-STAMP协同调控破骨细胞和异物巨细胞融合机制及其在骨代谢中的功能研究

《Journal of Bone and Mineral Metabolism》：DC-STAMP and OC-STAMP cooperatively regulate osteoclast and foreign body giant cell cell–cell fusion

本研究针对破骨细胞和异物巨细胞多核化融合机制不明确的问题，通过构建DC-STAMP/OC-STAMP双基因敲除（DKO）小鼠模型，采用共培养体系和骨形态计量学分析，首次揭示这两种跨膜蛋白在细胞融合中的协同作用机制。研究发现DKO细胞仍能与野生型细胞发生融合，但DC-STAMP KO与OC-STAMP KO细胞共培养无法恢复融合功能，表明二者以非典型配体-受体关系协同调控细胞融合。该成果为骨代谢疾病和异物反应提供了新的治疗靶点。

　　

在骨骼系统的动态平衡中，破骨细胞作为唯一具有骨吸收功能的多核巨细胞扮演着关键角色。这些特殊的细胞由单核的巨噬细胞系前体细胞融合而成，其多核化过程对发挥最大骨吸收活性至关重要。然而，长期以来科学家们对破骨细胞融合的具体分子机制知之甚少。类似地，当人体植入医疗设备或存在异物时，会形成另一种多核巨细胞——异物巨细胞（FBGC），它们通过相同的细胞融合机制形成，但调控这一过程的关键分子同样不明。

早在2005年，研究人员发现了树突状细胞特异性跨膜蛋白（DC-STAMP），并证实其基因敲除小鼠完全丧失破骨细胞融合能力。有趣的是，单核破骨细胞的分化标志物表达正常，表明DC-STAMP特异性调控融合而非分化过程。随后发现的破骨细胞刺激跨膜蛋白（OC-STAMP）敲除小鼠表现出完全相同的表型。这两个分子均为多次跨膜蛋白，结构与病毒融合蛋白相似，暗示它们可能通过类似机制介导细胞融合。然而，DC-STAMP与OC-STAMP之间是否存在配体-受体样的相互作用关系，以及它们如何协同调控破骨细胞和异物巨细胞的融合，成为领域内亟待解决的核心科学问题。

为了回答这些问题，研究团队在《Journal of Bone and Mineral Metabolism》上发表了最新研究成果。他们通过交叉育种获得DC-STAMP/OC-STAMP双敲除（DKO）小鼠，建立了四种不同的共培养体系：野生型（WT）与DC-STAMP KO细胞、WT与OC-STAMP KO细胞、WT与DKO细胞、以及DC-STAMP KO与OC-STAMP KO细胞的共培养。通过TRAP染色评估破骨细胞形成，May-Gruenwald Giemsa染色评估FBGC形成，并利用骨形态计量学分析小鼠骨骼表型。

研究主要采用基因工程小鼠模型构建、细胞共培养系统、TRAP/May-Gruenwald Giemsa染色、实时荧光定量PCR、骨形态计量学和免疫荧光染色等关键技术方法。实验使用从WT、DC-STAMP KO、OC-STAMP KO和DKO小鼠分离的破骨细胞/FBGC共同前体细胞，通过8周龄小鼠的DXA和骨形态计量学分析骨骼参数。

Establishment of DC-STAMP/OC-STAMP double knockout(DKO) mice

研究人员成功构建了DKO小鼠模型。在RANKL诱导下，WT细胞形成多核TRAP阳性破骨细胞，而DKO细胞与单敲除细胞一样，仅形成单核TRAP阳性细胞。即使增加RANKL浓度，DKO细胞的融合缺陷仍无法恢复。实时PCR显示DKO细胞中NFATc1和Ctsk等破骨细胞分化标志物表达正常，证实融合特异性缺陷。

骨形态计量学分析显示DKO小鼠骨量增加趋势，虽然统计学不显著，但骨形成参数MAR和BFR显著升高。

Formation of multi-nuclear foreign body giant cells is blocked in DKO mice

在FBGC诱导条件下，WT细胞形成多核FBGC，而DKO细胞完全丧失融合能力，表明DC-STAMP和OC-STAMP对FBGC融合同样必需。

Co-cultivation of DKO with WT cells induces cell-cell fusion in either osteoclasts or FBGCs

令人意外的是，WT与DKO细胞共培养能诱导多核细胞形成，免疫荧光证实EGFP阳性的DKO细胞参与融合。这一结果否定了简单的配体-受体互作模型。

FBGC实验获得一致结果，WT与DKO细胞共培养形成EGFP阳性多核FBGC。

DC-STAMP KO cells co-cultured with OC-STAMP KO cells do not undergo fusion in either osteoclast or FBGC culture conditions

最关键实验显示，DC-STAMP KO与OC-STAMP KO细胞共培养无法恢复融合，强烈支持二者需在同一细胞内协同作用的模型。

研究结论表明，DC-STAMP和OC-STAMP以协同非冗余方式调控破骨细胞和FBGC融合，这种协同作用需要二者在同一细胞内共同表达。DKO小鼠骨形成增加提示单核破骨细胞可能通过独特机制影响骨代谢平衡。讨论部分提出三种可能机制：DC-STAMP已知调控RhoA和FAK信号通路，二者可能共同调节融合相关信号；类似于病毒融合蛋白，二者可能形成异源多聚体介导膜融合；或作为离子通道调控融合所需的离子流动。该研究突破了传统配体-受体模型，为理解细胞融合机制提供了新范式，对骨质疏松、假体松动等疾病的治疗策略开发具有重要指导意义。