《Nature Communications》：Adipocytic sclerostin loop3-LRP4 interaction required by sclerostin to impair whole-body lipid and glucose metabolism
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本刊推荐：为破解现有靶向硬化蛋白( sclerostin ) loop2的疗法在改善绝经后骨质疏松(POP)患者骨代谢的同时存在心血管风险这一难题，研究人员聚焦于硬化蛋白的第三个功能域(loop3)，系统揭示了其在介导全身脂质和葡萄糖代谢紊乱中的关键作用。研究发现，脂肪细胞中硬化蛋白loop3与LRP4受体的特异性结合是硬化蛋白发挥代谢负面效应的必要条件。通过基因和药理学手段特异性阻断该相互作用，可在不增加心血管风险的前提下，有效改善高脂饮食(HFD)诱导的小鼠代谢紊乱并促进骨形成。该研究为POP合并2型糖尿病(T2DM)的长期安全治疗提供了创新性策略。
在绝经后女性中，骨质疏松症(Postmenopausal Osteoporosis, POP)与2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM)常常如影随形，共同加剧患者的健康负担。骨骼，这一传统上被视为支撑身体的静态器官，近年来被发现是一个活跃的内分泌器官，通过分泌多种因子与身体其他组织进行“对话”，参与全身能量代谢的调控。其中，由骨细胞特异性分泌的硬化蛋白(Sclerostin, 由SOST基因编码)扮演着关键角色。已知硬化蛋白通过抑制Wnt/β-联蛋白(β-catenin)信号通路来负向调控骨形成，但越来越多的证据表明，它同样影响着全身的脂质和葡萄糖代谢。
临床上用于治疗骨质疏松的硬化蛋白抗体（如Romosozumab）主要靶向其第二个功能环（loop2），虽能有效促进骨形成，却被美国FDA和欧洲EMA警告可能存在心血管风险，这极大地限制了其在常伴有心血管基础疾病的POP合并T2DM患者中的广泛应用。因此，寻找一种既能促进骨形成、改善代谢，又无心血管后顾之忧的精准靶向策略，成为该领域亟待突破的瓶颈。既往研究表明，硬化蛋白的三个loop结构域功能各异：loop2主要负责抑制骨形成，而其心血管保护作用却独立于loop3；相反，loop3参与抑制骨形成，但与心血管风险无关。那么，一个关键的科学问题浮出水面：硬化蛋白的loop3是否参与其介导的全身代谢紊乱？如果答案是肯定的，靶向loop3是否能够“扬长避短”，在安全促进骨骼健康的同时，有效改善代谢异常？
近日，发表在《Nature Communications》上的一项研究为这一设想提供了有力的证据。由香港中文大学张宝亭教授团队领衔的合作研究，首次系统阐明了脂肪细胞中硬化蛋白loop3与其受体LRP4（低密度脂蛋白受体相关蛋白4）的相互作用是硬化蛋白损害全身脂质和葡萄糖代谢的必要条件。研究人员通过巧妙的基因工程小鼠模型和创新的药理干预工具（如loop3特异性适配体Apc001OA），证实了特异性阻断这一相互作用，能够在高脂饮食诱导的代谢紊乱模型中，有效改善糖耐量、胰岛素敏感性及脂质代谢，同时显著增强骨量、改善骨微结构和生物力学性能，且不会引起代偿性的Dickkopf-1 (DKK1)水平升高，避免了现有疗法长期应用可能出现的效力减退问题。该研究不仅深化了对骨骼-代谢器官间“对话”机制的理解，更为实现对POP合并T2DM这一复杂共病的长期、安全、协同治疗开辟了崭新的道路。
为开展此项研究，作者团队综合运用了多种关键技术方法。在临床关联分析方面，研究基于上海地区的社区回顾性队列（5年随访，纳入1007名基线无T2DM的参与者）和医院横断面研究（纳入65名绝经后女性），分析了血清硬化蛋白水平与T2DM发生发展的关联。在机制探索上，研究人员构建了多种基因修饰小鼠模型，包括全身硬化蛋白敲入(SOSTki)、loop3缺陷型敲入(Δloop3-SOSTki)、loop3点突变(SOSTloop3m)、全身Lrp4点突变(Lrp4m)及其与脂肪细胞特异性基因校正模型(Lrp4m/Ad-Lrp4)和硬化蛋白敲除(SOSTko)小鼠的复合模型。药理学干预则使用了研究团队自主研发的硬化蛋白loop3特异性拮抗剂，包括经过化学修饰以延长半衰期的适配体Apc001OA和基于蛋白相互作用界面设计的阻断肽LA5。体外细胞实验主要以3T3-L1前脂肪细胞为模型，通过慢病毒转染、基因敲除、报告基因检测（TOPFlash法）、蛋白质相互作用分析（Pull-down assay、生物层干涉技术BLI）、油红O染色、葡萄糖摄取测定等技术，深入探究了硬化蛋白loop3-LRP4相互作用的分子细节及其对脂肪细胞分化和功能的影响。此外，研究还采用了小鼠体内葡萄糖耐量试验(GTT)、胰岛素耐量试验(ITT)、血清生化指标检测、组织学分析（H&E染色）、实时定量PCR(qPCR)、显微CT(μCT)扫描及三点弯曲生物力学测试等经典方法，全面评估了代谢表型和骨骼质量的变化。
血清硬化蛋白水平与T2DM相关
研究人员首先通过临床研究发现，在新诊断的T2DM(ND-T2DM)患者以及POP合并T2DM的患者中，血清硬化蛋白水平均显著升高。在去卵巢(OVX)小鼠模型中，高脂饮食(HFD)喂养同样导致了血清硬化蛋白水平的上升，并且这些小鼠表现出体重、脂肪垫重量、血清游离脂肪酸(FFA)和空腹血糖(FBG)水平升高，以及糖耐量和胰岛素敏感性受损。这些结果提示血清硬化蛋白水平与脂质和葡萄糖代谢紊乱存在相关性。
Loop3基因缺失减轻硬化蛋白对全身脂糖代谢的损害作用
为了探究loop3的功能，研究团队构建了全身表达全长硬化蛋白的敲入小鼠(SOSTki)和loop3缺陷的硬化蛋白敲入小鼠(Δloop3-SOSTki)。与野生型(WT)小鼠相比，SOSTki小鼠表现出脂肪垫重量增加、血清FFA水平升高、脂肪细胞肥大、糖耐量和胰岛素敏感性受损。而引人注目的是，Δloop3-SOSTki小鼠的这些代谢异常表型得到了显著改善，其脂肪垫重量、血清FFA水平、脂肪细胞大小以及糖耐量和胰岛素敏感性均优于SOSTki小鼠。基因表达分析显示，Δloop3-SOSTki小鼠白色脂肪组织中脂质合成代谢（如Acaca, Srebp2, Lpl, Fasn）和分解代谢（如Acads, Cpt1a, Acadvl）相关基因的异常高表达，以及葡萄糖代谢相关基因（Glut4, IRS1）的表达上调均被逆转。这从遗传学角度证明，硬化蛋白的loop3在其损害全身脂质和葡萄糖代谢的过程中起着重要作用。
Loop3药理抑制减轻硬化蛋白对全身脂糖代谢的损害作用
接下来，研究团队使用loop3特异性的药理抑制剂——经过修饰的适配体Apc001OA对SOSTki小鼠进行干预。经过12周的治疗，Apc001OA处理组小鼠的脂肪垫重量减小，脂肪细胞体积变小，糖耐量和胰岛素敏感性得到改善，尽管血清FFA水平未见显著变化。同样，Apc001OA处理下调了白色脂肪组织中脂质代谢和葡萄糖代谢相关基因的异常表达。这些药理学结果与基因缺失实验相互印证，进一步确认了靶向loop3在改善硬化蛋白所致代谢紊乱方面的潜力。
Loop3基因突变改善HFD诱导的代谢紊乱及骨骼质量
为了在病理状态下验证loop3的作用，研究人员给loop3点突变小鼠(SOSTloop3m)和WT小鼠喂食HFD。结果显示，与SOSTWT+HFD组相比，SOSTloop3m+HFD组小鼠的脂肪垫重量和血清FFA水平更低，脂肪细胞更小，糖耐量和胰岛素敏感性更好。基因表达谱分析表明，loop3突变使脂肪组织的代谢状态向更健康的方向转变。尤为重要的是，在承受代谢压力的同时，SOSTloop3m+HFD组小鼠的骨量、骨微结构（如骨小梁体积分数Tb.BV/TV、数量Tb.N增加，分离度Tb.Sp降低）和骨生物力学性能（刚度、失效力、断裂能）均显著优于SOSTWT+HFD组，证明了靶向loop3对骨骼和代谢的双重益处。
Loop3药理抑制改善HFD诱导的代谢紊乱及骨骼质量
在HFD诱导的野生型C57BL/6J小鼠中，使用Apc001OA进行干预，同样观察到了代谢状况的改善，包括体重和脂肪垫重量减轻、脂肪细胞变小、糖耐量和胰岛素敏感性提高。值得注意的是，作为阳性对照的一线降糖药司美格鲁肽(Semaglutide)虽然改善了代谢参数，但却对骨骼产生了负面影响，表现为骨小梁数量减少、分离度增加。而Apc001OA治疗则在改善代谢的同时，显著增强了骨量，改善了骨微结构和力学性能。这一对比突显了靶向硬化蛋白loop3在协同改善代谢和骨骼健康方面的独特优势。
脂肪细胞硬化蛋白loop3-LRP4相互作用是硬化蛋白损害脂糖代谢所必需的（体外机制）
机制探索是本研究的核心。研究人员发现，硬化蛋白及其loop3肽段均能与LRP4受体直接结合，而loop2则不能。Apc001可以阻断这种结合。通过构建一系列LRP4截短体和点突变体，他们最终将相互作用界面精确定位在LRP4的第5个LA结构域(LA5)上的关键氨基酸残基（Y200, G201, Y208, H209, C210）。在3T3-L1前脂肪细胞中，当这些关键位点发生突变（LRP4-m47）或使用阻断肽LA5干预后，硬化蛋白通过LRP4抑制Wnt信号的能力被削弱。更重要的是，在脂肪生成诱导过程中，硬化蛋白促进脂滴形成、上调脂质代谢相关基因表达、增强基础及胰岛素刺激下的葡萄糖摄取的作用，均在LRP4突变或LA5存在的情况下被显著抑制。这些体外实验从遗传和药理两个层面证明，脂肪细胞中硬化蛋白loop3与LRP4的相互作用是硬化蛋白干扰脂肪细胞代谢功能所必需的。
脂肪细胞硬化蛋白loop3-LRP4相互作用是硬化蛋白损害全身脂糖代谢所必需的（体内验证）
为了在体验证上述机制，研究设计了更为复杂的动物实验。首先，他们构建了全身Lrp4点突变小鼠(Lrp4m)以及仅在脂肪细胞中将突变型Lrp4纠正回野生型的小鼠(Lrp4m/Ad-Lrp4)。结果发现，Lrp4m小鼠表现出改善的全身脂糖代谢，而这种改善效应在Lrp4m/Ad-Lrp4小鼠中被显著削弱，说明脂肪细胞中LRP4的功能状态直接调控全身代谢。其次，在硬化蛋白敲除(SOSTko)背景的小鼠中，通过腺相关病毒(AAV)过表达硬化蛋白，能使其重现代谢紊乱表型；然而，在Lrp4m/SOSTko复合突变小鼠中，外源性硬化蛋白的过表达则无法诱发类似的代谢损害，表明Lrp4突变阻断了硬化蛋白的负面代谢效应。最后，在SOSTki小鼠中施用阻断肽LA5，同样有效改善了其脂质和葡萄糖代谢状况。这些在体实验证据强有力地说明，特异性阻断脂肪细胞上的硬化蛋白loop3-LRP4相互作用，足以抵抗硬化蛋白对全身代谢的损害作用。
综上所述，本研究首次揭示硬化蛋白通过其loop3结构域与脂肪细胞表面的LRP4受体结合，进而干扰全身脂质和葡萄糖代谢平衡。通过基因工程或特异性抑制剂（如Apc001OA, LA5）阻断这一相互作用，能够在动物模型中有效逆转高脂饮食诱导的代谢紊乱，并同步促进骨形成、改善骨骼质量。该研究的重大意义在于：其一，它深刻揭示了骨骼分泌的硬化蛋白作为骨-代谢轴关键信使的新功能和作用机制；其二，它将硬化蛋白的不同功能精确映射到其特定的结构域（loop3负责代谢负面影响，且与心血管风险无关），为药物研发提供了精准的靶点；其三，它验证了靶向脂肪细胞硬化蛋白loop3-LRP4相互作用这一创新策略的有效性和协同益处，为解决POP合并T2DM这一临床难题提供了兼具骨骼益效、代谢改善作用和心血管安全性的潜在长期治疗方案，具有重要的转化医学价值。尽管研究在模型选择和技术层面存在些许局限，但其坚实的实验数据和清晰的逻辑链条，无疑为未来针对代谢性骨病的精准治疗开辟了充满希望的新方向。
