GLUL通过调控FOXO3 O-糖基化修饰影响骨髓间充质干细胞成骨分化及老年性骨质疏松的机制研究

本研究针对老年性骨质疏松(SOP)中骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化异常的关键问题，揭示了谷氨酰胺合成酶(GLUL)通过竞争性结合TRIM25的SPRY结构域，减少UAP1的泛素化降解，促进UDP-GlcNAc合成，进而调控FOXO3 Ser296位点O-糖基化修饰(O-GlcNAcylation)的分子机制。该发现为理解SOP发病机制提供了新视角，并为靶向GLUL-HBP-FOXO3轴的治疗策略奠定了理论基础。

　　

随着全球老龄化加剧，老年性骨质疏松(SOP)已成为严峻的公共卫生问题。这种以骨量减少、微结构破坏为特征的疾病，常导致老年人骨折风险显著增加。尽管已知骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化障碍是SOP的重要诱因，但其深层分子机制仍不清楚。济宁医学院附属医院的研究团队在《Cell Death & Differentiation》发表的研究，揭示了谷氨酰胺合成酶(GLUL)通过调控蛋白质O-糖基化修饰影响BMSCs命运决定的新机制，为SOP治疗提供了潜在靶点。

研究人员运用条件性基因敲除小鼠模型、蛋白质组学/代谢组学分析、表面等离子共振(SPR)技术、活细胞成像等综合方法，结合临床样本验证，系统阐明了GLUL在骨代谢中的非经典功能。特别值得注意的是，研究团队从SOP患者和衰老加速模型小鼠(SAMP6)中获取BMSCs进行功能验证，确保了研究结论的临床相关性。

GLUL在BMSCs成骨分化及SOP进程中的作用

通过数据库分析和实验验证，发现GLUL在BMSCs成骨分化过程中表达上调，但在SOP患者BMSCs中显著下调。衰老小鼠模型也显示GLUL表达随年龄增长而降低，提示GLUL可能与年龄相关的骨形成障碍密切相关。

间充质干细胞特异性Glul敲除导致骨形成异常

构建Prx1-Cre介导的BMSCs特异性Glul敲除小鼠(Glul^Prx1)，发现敲除小鼠出现颅骨和指骨发育迟缓、骨量减少等表型。体外实验证实，即使补充谷氨酰胺，Glul敲除仍会显著抑制BMSCs的ALP活性和矿化能力，表明GLUL的功能独立于其催化活性。

GLUL调控HBP代谢影响UDP-GlcNAc生成

代谢组学分析揭示Glul敲除导致UDP-GlcNAc水平下降，而中间产物积累。进一步研究发现GLUL通过稳定UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化酶1(UAP1)表达来调控HBP通路终产物合成，补充UAP1可部分挽救Glul敲除导致的成骨分化障碍。

GLUL与TRIM25竞争性结合调控UAP1泛素化

分子对接和SPR实验证实GLUL与E3泛素连接酶TRIM25存在直接相互作用。机制研究表明，GLUL通过竞争性结合TRIM25的SPRY结构域，减少TRIM25介导的UAP1 Lys48泛素化降解，从而维持UDP-GlcNAc合成能力。

GLUL调控FOXO3 Ser296 O-糖基化促进成骨分化

4D DIA O-GlcNAc修饰组学鉴定出FOXO3 Ser296为关键修饰位点。该修饰能显著延长FOXO3半衰期，降低细胞内ROS水平。值得注意的是，SOP患者BMSCs中FOXO3-S297(人源同源位点)O-糖基化水平明显降低，提示这一调控通路在临床样本中同样存在异常。

GLUL补充治疗缓解SOP模型骨丢失

通过腺病毒载体在老年Prx1-Cre小鼠中过表达Glul，可显著改善骨微结构、增加骨形成率。这为GLUL作为SOP治疗靶点提供了临床前证据。

该研究首次阐明了GLUL通过"竞争性结合TRIM25-稳定UAP1-促进UDP-GlcNAc合成-增强FOXO3 O-糖基化"的全新信号轴，揭示了蛋白质翻译后修饰调控BMSCs命运决定的新机制。特别值得注意的是，研究发现GLUL对骨代谢的调控独立于其谷氨酰胺合成酶活性，这为开发特异性靶向药物提供了重要依据。研究不仅深化了对SOP发病机制的理解，更为开发基于O-GlcNAc修饰调控的骨质疏松治疗策略奠定了理论基础。未来针对GLUL-HBP-FOXO3轴的深入研究，可能为老年性骨代谢疾病带来突破性治疗手段。