骨质疏松中内质网应激和线粒体功能障碍相关生物标志物的探寻及潜在药物筛选

为探究内质网应激（ERS）和线粒体功能障碍（MD）在骨质疏松（OP）中的机制，研究人员筛选相关生物标志物和潜在药物，助力 OP 诊疗。

　　骨质疏松（Osteoporosis，OP）是一种常见的代谢性骨病，主要发生在绝经后女性和老年男性群体中。它就像一个 “沉默的杀手”，悄无声息地侵蚀着人们的骨骼健康。正常情况下，我们的骨骼处于不断更新的动态平衡中，破骨细胞负责 “拆除” 老化或受损的骨质，而成骨细胞则积极 “建造” 新的骨质。但在骨质疏松患者体内，这种平衡被打破，骨质流失速度远超生成速度，导致骨密度降低、骨骼结构变得脆弱，骨折风险大幅增加。

目前，骨质疏松的临床诊断主要依赖双能 X 线吸收法（DXA）来检测骨密度，但它对早期骨量流失并不敏感，很多患者在早期没有明显症状，往往等到骨折发生才发现患病，延误了治疗时机。在治疗方面，现有的药物如双膦酸盐、特立帕肽和罗莫佐单抗等虽有一定疗效，但都存在局限性和不良反应，给患者带来了困扰。

与此同时，科研人员发现内质网应激（Endoplasmic reticulum stress，ERS）和线粒体功能障碍（Mitochondrial dysfunction，MD）与骨代谢紊乱密切相关。内质网是细胞内蛋白质合成和折叠的重要场所，当未折叠或错误折叠的蛋白质积累时，就会引发内质网应激；而线粒体作为细胞的 “能量工厂”，其功能障碍会影响细胞的能量供应和代谢平衡。已有研究表明，ERS 会调节成骨细胞的活力、成骨分化以及破骨细胞的功能，MD 则会打破骨形成和骨吸收的平衡，促进骨质疏松的发展。然而，ERS 和 MD 相关基因在骨质疏松中的具体作用机制却尚未完全明确。

为了深入探究这一谜题，哈尔滨医科大学附属第一医院骨科以及哈尔滨医科大学生物信息科学与技术学院的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Hereditas》杂志上，为骨质疏松的诊疗开辟了新的方向。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，从公共数据库（如 Gene Expression Omnibus 数据库，GEO）获取骨质疏松相关的基因表达数据，同时从 Genecard 数据库获取 ERS 和 MD 相关基因信息。然后，借助生物信息学分析筛选差异表达基因（Differentially expressed genes，DEGs），通过加权基因共表达网络分析（Weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）筛选关键模块基因，利用机器学习算法进一步筛选关键基因。此外，还采用分子对接技术筛选潜在药物，并通过构建卵巢切除（Ovariectomy，OVX）小鼠模型和定量实时聚合酶链反应（Quantitative real-time PCR，qRT-PCR）验证关键基因的表达。

研究结果如下：

1. 差异表达基因筛选及功能富集分析：研究人员对 GSE35959 数据集进行分析，筛选出 744 个差异表达基因，其中包括 309 个高表达基因和 435 个低表达基因。通过与 ERS 和 MD 相关基因取交集，得到 122 个 ERS 和 MD 相关的差异表达基因（ERS&MDRDEGs）。这些基因主要富集在脂质代谢、钙离子运输、骨化、成骨细胞分化等生物学过程，以及雌激素信号通路等关键信号通路，表明它们在骨代谢中发挥着重要作用。
2. 关键基因筛选及功能分析：运用 WGCNA 筛选出与 ERS、MD 和 OP 高度相关的黄色模块，该模块包含 1536 个基因。通过对黄色模块基因和 ERS&MDRDEGs 取交集得到 16 个候选基因，再经 LASSO、SVM - RFE 和 RF 三种机器学习算法筛选，最终确定了 5 个关键基因，分别为 AAAS、ESR1、SLC12A2、TAF15 和 VAMP2。对这 5 个关键基因进行基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis，GSEA）发现，它们主要参与有丝分裂、染色体分离和细胞翻译等分子功能，以及真核生物翻译起始、延伸和核糖体调控等信号通路。
3. 免疫浸润分析：利用 ssGSEA 和 Cibersort 算法进行免疫浸润分析，结果显示骨质疏松患者与对照组相比，单核细胞和巨噬细胞的浸润丰度更高。进一步分析发现，关键基因与免疫细胞之间存在复杂的相关性，如 TAF15 与效应记忆 CD4 T 细胞正相关，与活化树突状细胞负相关；SLC12A2 与 T 细胞 γδ 正相关，与 T 细胞 CD4 记忆静止细胞负相关等，表明免疫细胞在骨质疏松的发生发展中起着重要作用。
4. mRNA - miRNAs、TFs - mRNAs 网络构建及潜在药物筛选：构建 mRNA - miRNAs 和 TFs - mRNAs 网络发现，has - miR - 625 - 5p 和 has - miR - 296 - 3p 分别与 ESR1、VAMP2 和 TAF15 相互作用，CTCF 和 EP300 分别与 SLC12A2、TAF15 和 VAMP2 相互作用。通过 DGIdb 数据库筛选潜在药物，并经分子对接验证，发现布美他尼（bumetanide）与 SLC12A2、依拉司亭（elacestrant）与 ESR1 具有稳定的结合。
5. 关键基因表达验证：通过构建 OVX 小鼠骨质疏松模型，利用 qRT-PCR 验证关键基因的表达，结果显示 AAAS、ESR1 和 VAMP2 在骨质疏松小鼠中的表达高于对照组，而 SLC12A2 和 TAF15 的表达低于对照组，与芯片数据分析结果基本一致。

在研究结论与讨论部分，研究人员成功鉴定出 5 个与骨质疏松中 ERS 和 MD 相关的关键基因（AAAS、ESR1、SLC12A2、TAF15 和 VAMP2），以及 2 种潜在的小分子药物（布美他尼和依拉司亭）。这些发现为深入理解骨质疏松的病理生理学机制提供了新的视角，为开发新型治疗策略奠定了基础。然而，研究也存在一定局限性，如数据集去除批次效应可能导致信息丢失，训练集样本数量较少可能引发过拟合等问题。未来需要更丰富多样、更大样本量的数据集以及更先进的算法来进一步验证关键基因的稳定性和适应性，同时还需要更多基础实验和临床研究来验证关键基因和潜在药物的生物学效应。但无论如何，这项研究成果为骨质疏松的研究和治疗带来了新的希望，有望在未来改善骨质疏松患者的诊疗现状，为患者带来福音。