《Genes & Diseases》：Epigenetics of bone formation and diseases: From mechanisms to therapies
骨骼稳态依赖于骨形成与骨吸收之间的平衡。基因组表观遗传机制——包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑——将生理和环境线索转化为谱系特异性的转录程序，这些程序指导成骨细胞分化并协调骨形成与破骨细胞活动。这些过程的破坏会导致遗传性骨骼畸形和代谢性骨疾病。本篇综述整合了来自人类遗传学、小鼠模型和细胞研究的证据，阐述了DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化以及非经典组蛋白修饰如何塑造成骨过程并驱动骨骼病理学。研究人员强调了内在因素（衰老、激素信号传导和代谢）和外在刺激（机械负荷和营养输入）如何通过表观遗传机制被编码，以调节成骨信号和骨形成程序。基于这些见解，研究人员随后总结了当前针对骨骼中表观遗传调控的临床前研究努力，涵盖了药理学和非药理学策略，并批判性地讨论了临床转化面临的关键挑战，包括全身毒性、情境依赖性效应和有限的组织特异性，以及骨靶向递送策略的原理。最后，研究人员概述了骨骼表观遗传学的未来方向，强调了整合且情境感知的调控框架、提高骨骼细胞异质性和表观基因组分析的分辨率、考虑表观遗传的时序和持久性，以及将三维基因组组织作为表观遗传调控的一个空间层进行整合。总之，本综述将表观遗传调控定位为骨骼生物学的统一框架，以及一条有前景但充满挑战的治疗创新途径。
**引言**
骨骼组织通过成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收的紧密协调程序得以形成和维持。在发育过程中，间充质祖细胞通过膜内成骨（例如，颅面骨）或软骨内成骨（例如，长骨）直接形成骨骼，其中软骨模板被建立，随后被骨骼替代，同时破骨细胞活动打开骨髓腔。这些步骤的缺陷会导致先天性骨骼疾病。在出生后生命中，骨重塑通过紧密偶联的循环维持骨量和微结构，在这些循环中，破骨细胞介导的吸收后，同一表面紧接着是成骨细胞介导的形成；该轴线的失衡是骨质疏松症（过度净吸收）和骨硬化症（吸收受损）的基础，这极大地增加了骨骼发病率和骨折风险。在这些过程中，成骨细胞主要起源于多能骨髓间充质干细胞（BMSC），它们的分化受关键转录因子如Runt相关转录因子2（RUNX2）和SRY-box转录因子9（SOX9）的时空特异性表达，以及经典信号通路包括WNT/β-catenin和骨形态发生蛋白（BMP）/Smad的激活所调控。
表观遗传调控是指不改变DNA序列而控制基因表达的有丝分裂可遗传机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA。图1总结了调控染色质状态和基因表达的主要基因组表观遗传机制。越来越多的证据表明，这些表观遗传机制在成骨细胞分化和骨形成中发挥着关键作用，并且越来越多的人类遗传学研究已将表观遗传调控因子与多种骨骼表型联系起来。
（此处省略图1描述）
本综述聚焦于DNA甲基化和组蛋白修饰在成骨细胞分化、骨形成和骨骼疾病中的作用和机制。通过阐明骨骼发育和稳态背后的表观遗传调控网络，研究人员旨在加深对骨骼病理学表观遗传调控的机制性见解，并揭示潜在的治疗靶点。虽然先前的综述总结了骨骼生物学中基因组表观遗传调控的重要方面，但在此，研究人员通过整合来自人类遗传学研究、遗传小鼠模型以及分子和细胞研究的最新证据来扩展该领域。特别是，2020年后基于人类遗传学和疾病的研究已开始因果性地将表观遗传调控因子与骨骼表型联系起来，突出了它们在协调成骨细胞谱系定型和骨骼稳态下的骨微环境程序中的作用。这种整合方法为理解DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化和其他染色质水平机制如何与经典信号通路相互作用以调节成骨细胞分化和骨形成，提供了一个更全面的框架。除了经典的表观遗传机制外，研究人员还系统地讨论了新兴的非经典组蛋白修饰——例如组蛋白乳酰化和其他新发现的染色质修饰——这些修饰最近被证明与成骨细胞分化和骨骼稳态有关，但在先前的综述中仍未得到充分体现。
除了对单个表观遗传调控因子进行编目，研究人员还强调了各种生理和病理线索——包括衰老、激素信号、营养输入和机械刺激——如何被表观遗传机制编码为基因表达程序，从而塑造成骨细胞分化和骨形成，以及表观遗传调控如何与经典成骨信号通路相互作用。研究人员进一步强调了骨骼疾病中表观遗传干预的新兴治疗意义和未来方向。同时，研究人员认识到该领域面临着重要挑战，包括骨骼组织中有限的因果证据、骨骼细胞表观基因组分析的技术限制，以及表观遗传疗法在特异性和递送方面的当前局限性，这些将在后续章节详细讨论。
本文不提供关于骨骼中非编码RNA（ncRNA）的全面概述，这是一个迅速扩展的兴趣领域，已在其他地方得到广泛综述。长链非编码RNA（lncRNA）可以与染色质结合蛋白和表观遗传修饰复合物物理结合，作为将染色质调控因子招募到特定基因组位点的分子桥梁；同时，微小RNA（miRNA）可能通过在后转录水平调节表观遗传调控因子的丰度或活性来发挥作用。在骨骼细胞中，非编码RNA同样通过这些机制与染色质修饰机制相互作用。例如，在成骨细胞分化过程中，特定的lncRNA已被报道与表观遗传调控因子相互作用并调节关键的成骨转录程序。相反，微小RNA可以通过直接靶向核心染色质修饰因子（包括zeste同源物增强子2（EZH2）或DNA甲基转移酶3A（DNMT3A））来重塑表观遗传景观，从而影响成骨程序和疾病表型。
**将表观遗传调控与骨骼疾病联系起来的人类遗传学**
表观遗传调控在骨骼疾病的发生和进展中起着至关重要的作用，并与多种人类骨骼表型密切相关。其致病影响可以通过两种主要模式来理解。一种源于表观遗传调控因子中的基因突变或多态性，这些直接扰乱骨骼发育程序并导致骨量改变或先天性骨骼综合征。另一种反映了由衰老、激素失调、机械卸载、炎症或代谢应激驱动的表观基因组的终生重塑——通过异常的DNA甲基化、组蛋白修饰失衡和相关变化。这些改变重新编程了关键基因的转录状态，破坏了骨骼稳态，并使骨微环境恶化，从而促进了骨骼疾病，包括骨质疏松症和骨关节炎。
编码表观遗传调控因子的基因突变可直接引起骨骼发育异常，而某些表观遗传因子的基因多态性与骨量变异相关，如DNMT3A内的单核苷酸多态性rs6722613与股骨颈骨密度（BMD）降低有关，而CARM1中的rs12460421与股骨颈和腰椎BMD增加相关。人类遗传学证据进一步表明，表观遗传调控因子的缺陷会破坏骨骼发育所必需的转录程序。组蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）的单倍体不足导致短指精神发育迟滞综合征，其特征为E型短指、骨骺发育不良、发育迟缓和行为异常。EZH2中的杂合种系变异改变了多梳抑制复合物2（PRC2）介导的H3K27三甲基化，导致伴有骨骼过度生长和骨成熟提前的Weaver综合征。同样，DNMT3A中的种系功能缺失突变导致Tatton-Brown-Rahman综合征，一种过度生长综合征。相反，降低H3K4甲基化的赖氨酸甲基转移酶2D（KMT2D）功能缺失变异导致Kabuki综合征，表现为生长迟缓和骨骼发育不良。类似地，KAT6B中的杂合截短或错义突变是Say-Barber-Biesecker-Young-Simpson综合征（SBBYSS）和髌骨生殖器综合征（GPS）的基础，这些综合征与髌骨发育不全和手指畸形有关。
除了表观遗传调控因子本身的突变或多态性外，人类特定基因的异常表观遗传改变也与某些骨骼疾病有关。一般来说，表观遗传失调导致的成骨基因持续抑制会导致骨形成不足和骨质疏松症。临床研究表明，硬骨素（SOST）启动子内CpG岛甲基化的变化与骨质疏松症中的SOST表达相关。骨质疏松性骨折患者中SOST启动子的低甲基化导致SOST水平升高，WNT信号传导受抑制，以及骨形成受损。同样，在骨质疏松性骨组织中，RANKL启动子的低甲基化增加了其表达，而骨保护素（OPG）启动子的高甲基化降低了OPG表达，共同促进了过度的骨吸收。
基因组研究进一步揭示，许多BMD相关变异位于调控元件内，并通过表观遗传机制发挥作用。例如，骨质疏松易感性SNP rs188303909位于EN1附近的一个开放染色质区域；去甲基化的等位基因作为远距离增强子，增加EN1表达并调节下游成骨基因。同样，BDNF内的非编码SNP rs7124442与BMD变异相关，位于一个富含活性组蛋白标记H3K4me1和H3K27ac的调控区域，表明其调控增强子活性和骨骼表型。此外，一些同时影响骨质疏松症和肥胖风险的位点携带DNA甲基化调控变异，从而在骨骼和脂肪组织中发挥多效性效应。除了候选位点，结合临床表型的DNA甲基化分析和表观基因组关联研究（EWAS）进一步证明了异常的DNA甲基化会损害成骨和导致骨相关疾病。此外，表观遗传介导的炎症和基质降解基因（如基质金属蛋白酶13（MMP13）和白细胞介素-1B（IL1B））的激活会干扰关节稳态并加剧微环境恶化，这是骨关节炎发病的一个关键机制。
总之，人类遗传学证据确立了表观遗传失调是驱动人类骨骼疾病的一个因素；在接下来的章节中，研究人员综合了来自遗传小鼠模型和分子细胞研究的机制见解，以描述基因组表观遗传机制——特别是DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化和其他染色质修饰——如何控制成骨细胞分化和骨形成。
**成骨细胞分化和骨形成中的DNA甲基化**
**功能与机制**
DNA甲基化是一种表观遗传修饰，其中甲基基团（-CH3）共价添加到胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC），而不改变底层DNA序列。在动物中，CpG二核苷酸是DNA甲基化的主要靶标。在转录水平上，启动子和增强子甲基化状态的改变通常与基因表达的改变有关，启动子高甲基化通常与转录抑制相关。相比之下，大多数DNA甲基化发生在基因间区和转座因子内，主要作用是沉默转座子和维持基因组稳定性，尽管其更广泛的生物学意义仍未完全了解。DNA甲基化由DNA甲基转移酶（DNMT）催化：DNMT3A和DNMT3B介导从头甲基化，而DNMT1在复制过程中通过识别半甲基化胞嘧啶（在具有PHD和环指结构域的泛素样蛋白1（UHRF1）和其他因子的辅助下）来维持甲基化。相反，去甲基化由ten-eleven translocation（TET）双加氧酶家族介导，该家族氧化5mC并最终通过碱基切除修复和相关过程恢复胞嘧啶。
在成骨分化和骨形成过程中，DNMT和TET动态调节并塑造DNA甲基化组，以影响成骨细胞增殖、谱系定型和基质矿化。尽管一些体外研究报告称，使用DNA甲基化抑制剂处理可增强间充质干细胞的成骨分化，但体内DNMT的基因敲除并不一致地防止骨丢失。相反，软骨细胞或肢体间充质中Dnmt3b的条件性缺失会延迟软骨内成骨和骨折修复，并伴有异常的Notch信号。
针对DNMT1或DNMT3A的直接成骨细胞特异性遗传证据仍然有限。值得注意的是，DNMT1的作用似乎是情境依赖的。在颅神经嵴（cNCC）来源的间充质中，cNCC特异性的Dnmt1缺失会减少增殖并损害成骨和成软骨分化，破坏了cNCC来源的骨骼元件发育，并在腭板初始外生期间的一个狭窄时间窗口内导致口面裂。相反，几项体内和体外研究表明DNMT1可以抑制成骨：DNMT1在衰老的人类和鼠骨以及糖尿病骨质疏松模型中升高，其敲低或药物抑制可增强成骨细胞分化并改善骨参数。鉴于DNMT1通过UHRF1依赖性招募在维持甲基化和基因组稳定性中的经典功能，其净骨骼效应可能是组织特异性和阶段特异性的，并需要通过确切的成骨细胞靶向遗传学来解决。相比之下，目前关于DNMT3A在骨骼生物学中的证据主要来自破骨细胞和造血背景，而非直接的成骨细胞内在机制。破骨细胞特异性Dnmt3a缺失会抑制破骨细胞生成并增加骨量，而DNMT3A突变克隆性造血会加剧炎症性骨丢失——表明DNMT3A是通过骨免疫学机制调节骨重塑的调节因子。
与动态DNA甲基化的重要性一致，TET家族的功能缺失研究进一步强调了其在骨骼发育和骨稳态中的重要作用。最近的研究表明，Tet1/2的缺失会损害BMSC的稳态并减少骨量，而间充质祖细胞中Tet1/2/3的三重敲除会导致肢体缩短、矿化缺陷和骨量减少，同时Runx2等成骨位点的染色质可及性降低。这些发现表明，动态DNA甲基化对于骨骼发育和重塑是不可或缺的，DNMT和TET协同作用以调节成骨细胞和祖细胞功能。
为了破解读甲基化组如何转化为表型结果，机制性研究探索了成骨细胞中的下游调控回路。机制研究表明，TET介导的去甲基化直接激活成骨主调控因子如RUNX2和SP7/Osterix，从而促进成骨细胞分化、基质产生和矿化。DNA甲基化也调节成骨过程中的经典信号通路：WNT/β-catenin通路基因（例如，WNT10A、DVL）和BMP/Smad组分（例如，BMP2）的甲基化变化与通路激活和成骨结果相关。在谱系决定过程中，脂肪形成调控因子如过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARG）的启动子经历高甲基化，限制其表达，而成骨标志物SP7、RUNX2、骨钙素（OCN，也称为BGLAP）、碱性磷酸酶（ALP）、同源框A（HOXA）簇和远侧-less同源框5（DLX5）经历与其上调平行的逐步去甲基化。此外，升高的DNMT1、DNMT3A和DNMT3B表达诱导NFE2样BZIP转录因子2（Nfe2l2）启动子的高甲基化，损害骨中的氧化还原防御和骨骼稳态。此外，DNA甲基化在B细胞淋巴瘤2（BCL2）、Bcl-2相关X蛋白（BAX）和NOTCH1基因上调节成骨细胞凋亡和细胞存活。这些证据汇总成一个模型，其中转录因子、信号节点和谱系定义位点处的特定情境DNA甲基化动力学塑造了成骨细胞与脂肪细胞的命运选择以及成骨程序的执行。
**生理和环境线索的调节**
内部生理线索和环境因素动态调节骨中的DNA甲基化模式。衰老驱动BMSC中的表观遗传转变，其特征是全基因组低甲基化伴随谱系相关位点的局部高甲基化。值得注意的是，表观遗传改变已被认为是跨组织的衰老基本标志，并且类似的衰老相关表观基因组重塑在BMSC中日益明显。差异甲基化区域富集在控制成骨、细胞周期和DNA修复的基因中，与受损的再生能力和降低的成骨潜力一致。这些甲基化变化通常伴随着组蛋白修饰的失调，共同破坏染色质稳态，损害骨保护基因的表达，从而促成骨质疏松症的发生或进展。
激素信号也在骨甲基化组上留下印记。大量实验证据表明雌激素通过DNA甲基化调节骨密度。例如，雌激素缺乏与绝经后骨中雌激素相关位点（包括雌激素受体α（ERα）和SOST）的启动子高甲基化有关，并伴有基因表达改变和成骨及骨重塑程序紊乱。在全基因组水平上，对卵巢切除（OVX）小鼠进行的全基因组亚硫酸氢盐测序进一步表明，雌激素缺乏会重新配置骨甲基化组并驱动一致的转录组变化。在细胞水平上，骨细胞内的雌激素信号进一步说明了一种间接调节骨吸收的细胞内在表观遗传机制。具体来说，雌激素撤除与骨细胞中核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）–DNMT3A–核因子κB受体活化因子配体（RANKL）表观遗传轴的抑制有关，导致RANKL启动子甲基化降低、RANKL表达增加和破骨细胞活化增强。
在外部方面，营养输入和机械线索也调节骨中的DNA甲基化。维生素C作为一种必需的表观遗传调控因子，通过TET介导的DNA羟甲基化、组蛋白去甲基化和骨特异性基因处的染色质启动来协调成骨细胞生成，从而保护骨骼完整性。同样，母体维生素D状态通过塑造胎儿甲基化组对后代骨骼发育产生持久的表观遗传效应。在人类队列和MAVIDOS随机试验中，较高的母体25(OH)D水平或胆钙化醇补充降低了维甲酸X受体α（RXRA）启动子处的DNA甲基化，增强了维生素D受体-维甲酸X受体（VDR-RXR）信号传导，并增加了新生儿骨矿物质含量。在小鼠中，生命早期维生素D耗竭和随后的机械负荷协同地重新编程了Runx2、Rxra和Sp7位点的甲基化，将营养和生物力学线索与成骨基因激活联系起来。
**成骨细胞分化和骨形成中的组蛋白甲基化**
**功能与机制**
除了DNA甲基化之外，组蛋白修饰是转录程序的关键调控因子。核小体是染色质的基本单位，由大约146个碱基对的DNA缠绕在核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4的八聚体上组成。组蛋白的N末端尾部和球状结构域都经历翻译后修饰，深刻地影响染色质结构和基因表达。
组蛋白甲基化是组蛋白修饰的一种主要形式，由组蛋白甲基转移酶（HMT）和组蛋白去甲基化酶（HDM）催化。它主要发生在赖氨酸（K）和精氨酸（R）残基上，呈现单、二或三甲基化状态。在酶学水平上，赖氨酸甲基转移酶——通常称为KMT——可以广泛地分为含有SET结构域的酶和非SET酶端粒沉默破坏因子1样（DOT1L），后者独特地催化H3K79甲基化。相反，赖氨酸去甲基化酶（KDM）分为两大类：LSD家族的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖性胺氧化酶，以及需要Fe
2+和α-酮戊二酸（α-KG）作为辅因子的含Jumonji C（JmjC）结构域的双加氧酶。这些甲基标记随后被专门的“阅读器”蛋白和多蛋白复合物解释，这些蛋白招募调控因子或改变染色质构象以调节转录活性。
遗传和功能研究揭示了组蛋白甲基化在成骨细胞分化和骨形成中的重要作用。活性标记如H3R2me2、H3K4me1/2/3、H3K36me3和H4R3me2通常与转录激活相关，而抑制性标记包括H3K9me1/2/3、H3K27me2/3和H4K20me3与基因沉默相关。这些修饰在成骨过程中表现出时空特异性，并共同塑造谱系定型和分化。例如，由混合谱系白血病（MLL）-COMPASS复合物和PHD指蛋白20（PHF20）介导的RUNX2启动子处H3K4me3的富集，直接促进RUNX2转录和下游成骨程序。相反，由Polycomb复合物的EZH2沉积的H3K27me3在早期分化期间沉默成骨基因以维持干性。另一种KMT，H4K20甲基转移酶抑制因子variegation 4-20同源物2（SUV420H2），是成骨细胞成熟所必需的，其抑制导致H4K20me3减少、成骨标志物表达降低和矿化受损。H3K79甲基转移酶DOT1L在骨骼发育中也发挥作用；小鼠中Dot1l的缺失导致骨骼生长缺陷，突出了这种非经典甲基化标记的重要性。除了赖氨酸甲基化，由蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMT）催化的组蛋白精氨酸甲基化代表了成骨过程中的另一个重要表观遗传调控层。例如，Prmt1的缺失促进成骨细胞矿化，而Prmt5的缺失会减少小鼠MC3T3成骨细胞的钙沉积，并且抑制催化不对称精氨酸二甲基化的I型PRMT会增强成骨细胞基质矿化。
值得注意的是，EZH2的作用例证了组蛋白甲基化的情境依赖性效应。在成骨细胞中，EZH2通过沉默分化基因来维持成骨祖细胞增殖，而在后期阶段抑制它会增强矿化。然而，在胎儿颅骨中，EZH2是SP7表达和颅骨骨形成所暂时需要的。在软骨细胞中，EZH2的缺失会激活成骨转录但不会损害软骨发育。这些发现表明组蛋白甲基化的功能高度依赖于发育阶段、谱系和染色质情境。
组蛋白甲基化通过两种主要机制促成骨形成：i）促进成骨细胞的分化和成熟，ii）维持成骨细胞的增殖和存活。
在早期BMSC分化中，SETD2介导的H3K36me3调节谱系特化，而SETD2的缺失会减少成骨并促进脂肪形成。去甲基化酶LSD1影响早期成骨信号；其缺失会去抑制WNT7B和BMP2，从而增强成骨和骨量。在谱系定型之后，H3K4me3等活性标记以及H3K27me3等抑制性标记的去除促进RUNX2表达，而去甲基化酶UTX和JMJD3解除SP7启动子处的抑制。相反，H3K4去甲基化酶JARID1B在未分化的BMSC中占据RUNX2 P1启动子，通过去除H3K4me3来维持抑制。其移位是完全激活RUNX2和成骨细胞分化所必需的。此外，JmjC去甲基化酶NO66（RIOX1）与SP7相互作用，并从其靶基因上去除H3K4me3和H3K36me3标记，从而限制成骨转录；在间充质中条件性缺失NO66会促进骨形成。相比之下，H3K9甲基转移酶G9A通过沉默SP7的抑制剂TWIST间接增强成骨。其他成骨基因，包括ALP和骨桥蛋白（OPN），也通过WNT/β-catenin和BMP/Smad通路受到组蛋白甲基化的直接调控。
此外，几个JmjC家族去甲基化酶，如KDM2A、KDM2B和KDM4B，已被证明参与BMSC命运决定和成骨分化。在来自根尖乳头的人类干细胞中，KDM2A的耗竭以牺牲成骨为代价增强了成脂和成软骨分化，表明其在成骨谱系中的负调控作用。机制上，KDM2A与BCL-6共抑制因子（BCOR）形成抑制复合物，在如SOX2和NANOG等多能性基因启动子处去除活性H3K4me3标记，从而抑制干性基因表达并维持成骨潜力。类似地，KDM2B与BCOR复合，已被证明通过在其启动子处去除H3K4me3和H3K36me2标记来抑制激活蛋白-2α（AP-2α）表达，从而抑制成骨所需因子。相比之下，KDM4B和KDM6B作为成骨的正调控因子。两者都受BMP4/7-SMAD1/4信号转录诱导，并在谱系特异性位点促进染色质重构。KDM4B去甲基化抑制性H3K9me3和H3K36me3标记以激活DLX5和DLX6，而KDM6B从HOX基因启动子去除H3K27me3，使BMSC能够定向分化为成骨细胞谱系。
组蛋白甲基化还通过调节细胞周期和凋亡途径来维持成骨细胞群体。EZH2介导的H3K27me3沉默CDKN2A，从而维持成骨祖细胞的增殖能力。JMJD3在炎症条件下通过上调BCL2和抑制BIM来促进成骨细胞存活。这些发现强调了组蛋白甲基化如何保护成骨细胞的分化和维持成骨细胞库。
**生理和环境线索的调节**
内部和外部线索也会重塑骨中的组蛋白甲基化程序。骨骼衰老深刻地重塑了BMSC的组蛋白甲基化景观，建立了一个限制成骨基因表达并有利于衰老相关程序的抑制性染色质环境。全基因组分析揭示了骨骼衰老过程中BMSC中H3K27me3和H3K9me3的增加以及H3K4me3和H3K36me3等活性标记的减少，这是由于PRC2/EZH2和H3K9甲基转移酶活性升高以及KDM4B/KDM6B去甲基化酶活性下降所致。这些染色质变化沉默成骨调控因子，增强成脂和炎症转录程序，并加速髓内脂肪积累和骨丢失。与此模式一致，衰老BMSC中KDM4B的缺乏加剧了骨向脂肪的转变和骨骼恶化，将其确立为对抗与年龄相关抑制的关键促成骨保护机制。恢复去甲基化酶活性或代谢辅因子供应可以恢复染色质动态。针对组蛋白甲基化修饰因子的药理学干预可以部分逆转这些变化，减轻氧化应激，恢复成骨潜力，并减缓与年龄相关的骨丢失。
激素环境与组蛋白甲基化相互作用，重新校准成骨基因表达。雌激素信号通过ERα–KDM6B轴调节成骨染色质状态。在雌激素刺激下，ERα转录上调KDM6B，后者在BMP2和HOXC6等成骨启动子处去除抑制性H3K27me3标记，从而激活包括DLX5、SP7和ALP在内的关键因子并促进基质矿化。同时，ERα通过改变PPARG和CEBPA启动子处的组蛋白甲基化来限制成脂谱系定型——减少H3K4me3并增加H3K27me3——从而保留成骨潜力并维持骨-脂平衡。类似地，甲状旁腺激素（PTH）部分通过组蛋白甲基化重塑发挥其对骨骼的合成代谢作用。间歇性PTH处理通过PKA–β-catenin–CREB信号轴激活BMSC中KDM4B的表达，导致H3K9去甲基化酶KDM4B被招募到RUNX2启动子。KDM4B去除抑制性H3K9me3标记并促进β-catenin/Smad1介导的RUNX2转录激活，从而增强成骨分化和骨形成。KDM4B的缺失会消除这些合成代谢反应并削弱PTH诱导的髓内脂肪抑制，突显了组蛋白去甲基化在连接激素信号与成骨基因激活中的关键作用。
营养输入也调节骨中的组蛋白甲基化。一个有力的例子来自母体高脂饮食模型：慢性母体高脂饮食导致后代颅骨成骨细胞中成骨基因处的H3K27me3增加和H3K27ac减少，与谱系基因的抑制和成骨细胞生成受损相关。至于维生素，维生素C作为Fe(II)/2-氧戊二酸依赖性双加氧酶的辅因子，直接激活JmjC组蛋白去甲基化酶，在成骨位点重塑染色质。在成骨细胞谱系细胞中，抗坏血酸增强抑制性组蛋白标记如H3K27me3和H3K9me3的去甲基化，增加骨形成基因处的H3K4me3，从而加强RUNX2/SP7转录网络以促进矿化和骨形成。一致地，抗坏血酸和铁的缺乏抑制JmjC介导的组蛋白去甲基化，并导致人类骨骼BMSC中骨软骨潜力的丧失，而补充可恢复成骨程序。同时，1,25(OH)
2D
3已被证明通过维生素D受体（VDR）激活在其他细胞系统中诱导H3K27去甲基化酶KDM6B，表明潜在的VDR–KDM6B调控轴可能在成骨情境中类似地运作。
最后，机械线索进一步调节成骨过程中的组蛋白甲基化。在增加的机械应力或基质刚度下，KDM3B被激活以去除抑制性H3K9me2标记，从而上调成骨转录因子并促进脂肪干细胞分化为成骨细胞样谱系。相反，机械卸载会升高BMSC中的抑制性H3K9me3和H3K27me3。这种抑制部分由SETDB1介导的H3K9高甲基化驱动，导致RUNX2、SP7和其他成骨基因的抑制，并最终损害成骨细胞分化和骨形成。
**成骨细胞分化和骨形成中的组蛋白乙酰化**
**功能与机制**
组蛋白乙酰化是调节成骨分化的另一种主要表观遗传机制。这种修饰发生在核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4的赖氨酸残基的ε-氨基上，并由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）动态控制。HAT将乙酰基从乙酰辅酶A转移到赖氨酸残基，而HDAC催化其去除。乙酰化中和赖氨酸的正电荷，松弛核小体-DNA相互作用，并增加转录因子和RNA聚合酶的可及性，从而促进转录，而去乙酰化通常压实染色质并抑制基因表达。
在成骨分化过程中，升高的组蛋白乙酰化与成骨程序表达增加相关，并且HAT和HDAC活性之间的平衡对于谱系定型至关重要。体内遗传研究已开始阐明特定HAT和HDAC在成骨细胞分化中的作用。具有HAT活性的转录共激活因子，特别是p300、CREB结合蛋白（CBP）和p300/CBP相关因子（PCAF），在成骨细胞分化中发挥不可或缺的作用。这些HAT被招募到成骨基因的启动子或增强子，在那里它们乙酰化组蛋白和转录因子以驱动转录激活。例如，BMP-2信号增强p300介导的RUNX2乙酰化，稳定其转录活性并促进成骨。一致地，在成骨细胞中条件性敲除CBP或p300会显著减少骨量，强调了HAT在骨形成中的重要作用。相反，p300/CBP的药理学抑制会降低成骨基因表达和矿化，与这些遗传数据一致。
HDAC去除乙酰基并通常抑制转录。基于同源性，它们分为四类：I类、II类（IIa/IIb）、III类（sirtuins）和IV类。I、II和IV类是Zn
2+依赖性的，而III类需要NAD
+。一般来说，HDAC的药理学抑制增强成骨转录，上调RUNX2和SP7，激活Hedgehog和WNT/β-catenin信号，并增加成骨基因表达。然而，这些效应是情境和位点特异性的：在一些人类BMSC中，HDAC抑制剂同时激活PPARG和Adiponectin等成脂基因，产生混合的成骨-成脂表型。此外，乙酰化的广泛升高也可能增加炎症介质，这可能对成骨有害。因此，HDAC抑制的净结果取决于细胞状态、剂量和基因组背景。除了这些成骨细胞内效应外，组蛋白乙酰化还通过成骨细胞介导的破骨细胞生成调节来影响骨重塑。HDAC抑制可以增加成骨细胞谱系细胞中RANKL的表达，同时降低OPG水平，从而将RANKL/OPG平衡转向促破骨细胞生成状态。由于乙酰化可能同时增强成骨分化和促进破骨细胞生成信号，应联系整体骨骼稳态来评估靶向乙酰化的治疗前景。
骨中的一些HDAC不仅通过其去乙酰化酶催化活性发挥作用，还通过它们在转录调控中的支架或适配器作用发挥作用。在肢体间充质祖细胞中，HDAC3的条件性缺失导致组蛋白乙酰化失调、SP7和其他成骨基因下调以及严重的骨骼缺陷——这些效应与通过HDAC3–核受体共抑制因子（NCoR）/视黄酸和甲状腺激素受体沉默介质（SMRT）共抑制复合物破坏其在增强子调控中的作用一致，而非单纯丧失去乙酰化酶功能。通常表现出弱内在催化活性的IIa类HDAC主要作为适配器：它们将SMRT–HDAC3复合物招募到转录因子结合的增强子以调节基因抑制。这些观察结果共同强调了在骨骼生物学中，HDAC可能通过酶促去乙酰化和非催化支架及适配器机制参与其中。
Sirtuins（SIRT）是NAD
+依赖性的III类组蛋白去乙酰化酶（HDAC）——在机制上不同于Zn
2+依赖性的I、II和IV类——它们作为蛋白去酰基酶，将细胞NAD
+/氧化还原状态与染色质和成骨转录联系起来。在成骨细胞和骨细胞谱系内，SIRT1直接通过启动子和增强子去乙酰化抑制骨细胞中的SOST——这种表观遗传开关降低硬骨素并释放WNT/β-catenin信号以促进骨形成。在成骨细胞谱系细胞中，SIRT6在RUNX2和SP7的启动子处去除H3K9ac，从而直接加强成骨细胞分化程序。SIRT1还通过AP-1位点占据作为MMP13的启动子结合抑制因子，缓和PTH的分解代谢反应。这些位点特异性染色质作用是SIRT在骨中的核心表观基因组输出。除了这些内在效应外，SIRT还通过成骨细胞介导的破骨细胞活性调节来影响骨骼重塑。例如，SIRT6调节如DKK1和OPG等偶联基因，而Sirt6的缺失会降低体内OPG，从而增加骨吸收。
相比之下，非组蛋白机制间接加强这些程序：SIRT1去乙酰化β-catenin和FOXO3a以利于成骨转录和氧化还原防御；SIRT3通过SOD2去乙酰化和线粒体自噬控制来维持线粒体健康；SIRT7去乙酰化SP7 K368以增强其反式激活。总之，SIRT1/3/6/7将NAD
+/氧化还原线索转化为组蛋白和非组蛋白靶标的位点特异性去乙酰化，加强成骨细胞程序同时塑造成骨细胞-破骨细胞偶联。
乙酰赖氨酸标记由bromodomain and extra-terminal（BET）家族“阅读器”解读，将乙酰化转化为转录输出。BRD4占据乙酰化的成骨增强子/启动子，与谱系转录因子合作，并且是充分诱导成骨基因程序和矿化所必需的。BET抑制会破坏这一读取步骤并抑制成骨基因表达，强调了乙酰化标记的沉积必须与适当的阅读器结合才能驱动骨形成。
**生理和环境线索的调节**
细胞外和环境因素进一步塑造骨中的组蛋白乙酰化，其中衰老、激素、代谢和机械线索动态重塑染色质乙酰化以协调成骨基因表达。衰老在间充质祖细胞和骨谱系细胞中施加染色质低乙酰化状态，这关闭成骨增强子和启动子并抑制成骨细胞定型和功能。在衰老BMSC中，全基因组H3和H4乙酰化下降，因为线粒体乙酰辅酶A由于柠檬酸载体（CiC）降解而无法到达细胞核；恢复胞质乙酰辅酶A可恢复组蛋白乙酰化并挽救成骨，建立了代谢-乙酰辅酶A-组蛋白乙酰化-成骨命运轴。在此过程中，衰老BMSC表现出H3K9ac降低和成骨HAT活性减弱，而GCN5/PCAF的缺失会降低成骨位点的H3K9ac并损害体外和体内的成骨细胞分化，而其充足性促进成骨。在组织水平上，成骨细胞或骨细胞特异性的HDAC3缺失会加速与年龄相关的皮质骨和小梁骨丢失并损害成骨细胞活性——支持衰老骨需要平衡的HAT-HDAC控制以保持染色质可及性和骨量。
此外，内分泌线索通过重新布线组蛋白乙酰化与成骨偶联。雌激素受体（ER）信号依赖p300/CBP共激活因子在特定位点乙酰化增强子或启动子。在成骨谱系情境中，p300被RUNX2招募到成骨启动子，增加H3/H4乙酰化和转录输出；在成骨细胞/骨细胞模型中，雌激素参与SOST下调，与SIRT1依赖性组蛋白去乙酰化介导的SOST抑制一致。对于PTH，PTH-PTH1R信号通过RUNX2招募p300以激活靶标，并参与骨细胞中的cAMP-SIK-IIa类HDAC通路以驱动HDAC4/5核转位，抑制SOST，从而解除WNT拮抗以促进骨形成。相反，糖皮质激素通过改变乙酰化写入器或读取器来抑制成骨。
机械和营养因素也通过组蛋白乙酰化对成骨产生深远的表观遗传影响。基底刚度和机械负荷可以改变核信号和组蛋白乙酰化。在TiO
2纳米管表面上，成骨祖细胞表现出GCN5表达和整体乙酰化增加，增强成骨基因表达。类似地，机械负荷通过粘着斑激酶（FAK）-HDAC5通路诱导HDAC5核转位，导致SOST抑制、WNT/β-catenin激活和骨形成。相反，不利的环境或营养暴露可以破坏乙酰化依赖性调节。
基于这些调控输入，重要的是要认识到系统代谢、生物力学和炎症汇聚于SIRT，重写骨基因处的染色质。高血糖或糖尿病消耗NAD
+，抑制SIRT1并抑制成骨程序；NMN补充NAD
+以恢复衰老骨髓中SIRT1驱动的成骨。在糖尿病骨质疏松症中，saRNA-tFNA纳米疗法上调SIRT1，去乙酰化p65以平息NF-κB，重编程巨噬细胞，并改善小梁结构——从而正常化控制成骨基因表达的骨免疫环境。局部SIRT1激动剂储库在骨质疏松性缺损中同时增强成骨和抑制破骨细胞生成，功能性平衡成骨细胞的RANKL/OPG输出。在骨细胞基因组中，氧传感和CK2-USP4-SIRT1稳定化汇聚于SOST位点的去乙酰化和WNT信号激活。机械负荷和衰老需要骨细胞SIRT3用于树突形成和负荷响应性；和厚朴酚增强这一轴。额外的修饰剂在SIRT上游起作用以重置染色质输出：褪黑素激活SIRT1以恢复OVX模型中的抗氧化能力和成骨；二甲双胍参与SIRT6以限制缺氧糖酵解和ROS，同时支持OPG介导的偶联；维生素D通过SIRT1-FOXO3a信号预防下颌骨丢失；能量缺乏或厌食症下调SIRT1；镉通过SIRT1-SOD2乙酰化回路驱动成骨细胞衰老。
**成骨细胞分化和骨形成中的其他组蛋白修饰**
**组蛋白乳酰化**
乳酰化是一种源于乳酸的赖氨酸修饰，将细胞代谢状态与染色质动态联系起来。它主要由转录共激活因子p300催化，p300除了其经典的乙酰转移酶活性外，还作为组蛋白乳酰转移酶发挥作用，而去乳酰化至少部分归因于I类组蛋白去乙酰化酶。组蛋白乳酰化的发现揭示了细胞内乳酸可以作为赖氨酸乳酰化的碳供体，通过代谢-表观遗传偶联机制刺激稳态和修复相关基因的转录。随后，研究确定了组蛋白乳酰化的非酶促途径，进一步扩展了乳酸驱动的染色质调控的机制框架。此外，由于乳酰化和乙酰化共享赖氨酸残基和部分重叠的酶促机制，这两种修饰可能在特定基因组位点竞争或共存，从而能够在生理和病理情境下将代谢线索动态整合到转录程序中。
在骨骼生物学中，乳酸不仅作为代谢副产物，而且作为调节成骨的调节信号代谢物发挥作用。最近的研究揭示，组蛋白乳酰化在BMSC的成骨细胞分化过程中被动态调节，并在包括骨质疏松症在内的骨骼疾病中受到干扰。在BMSC的成骨分化过程中，组蛋白乳酰化逐渐增加，并直接增强关键成骨基因的转录，而LDHA抑制或p300沉默会减少乳酰化并损害矿化。
新出现的证据支持将糖酵解与组蛋白乳酰化联系起来的细胞内在机制。成骨细胞谱系细胞在分化过程中表现出活跃的糖酵解代谢，增加的糖酵解通量可能提高细胞内乳酸可用性，从而作为代谢-表观遗传偶联机制促进组蛋白乳酰化。支持这一观点，在BMP2诱导的C2C12成骨模型中，增加的葡萄糖可用性伴随着细胞内和细胞外乳酸水平升高、组蛋白乳酰化增强和成骨细胞分化增强，而LDHA抑制减少了乳酸产生、组蛋白乳酰化和成骨标志物；这些效应部分被乳酸补充所挽救。然而，这种细胞内在途径在多大程度上促成体内组蛋白乳酰化仍有待完全确定。
除了这种内在机制，新出现的证据强调了由微环境介导的互补旁分泌途径。在骨质疏松条件下，内皮糖酵解和血清乳酸水平降低会减少BMSC中的组蛋白乳酰化并抑制成骨基因程序。具体来说，内皮细胞来源的乳酸促进BMSC中的组蛋白H3K18乳酰化，直接激活成骨基因。内皮丙酮酸激酶M2（PKM2）的缺失和随后的乳酸缺乏损害了这种乳酰化并减弱了成骨细胞分化，而乳酸补充或运动可恢复H3K18la和骨量。一致地，增加的H3K18乳酰化增强了成骨转录因子包括RUNX2、SP7和JUNB的转录活性，从而促进矿化和骨骼稳态。在细胞和动物模型中，增加的H3K18乳酰化增强了成骨潜力并减轻了骨丢失，而p300的抑制或乳酸可用性的降低会减少乳酰化并损害成骨功能。
新出现的证据表明，组蛋白乳酰化并非孤立作用，而是在共享的赖氨酸残基上与经典组蛋白酰化标记相互作用。H3K18是一个修饰热点，可以以情境依赖性方式被替代性地乙酰化或乳酰化。虽然在骨骼细胞中H3K18乳酰化和H3K18乙酰化之间竞争的直接影响证据仍然有限，但在非骨骼系统中的研究表明，增加的H3K18la常常伴随着H3K18ac的减少，与此位点的相互排斥或竞争关系一致。鉴于这两种修饰都由共享的写入器如p300催化，并且对细胞代谢状态敏感，因此富含乳酸的骨微环境可能将H3K18处的平衡从乙酰化转向乳酰化。这种潜在的酰化-乳酰化转换可能代表了将骨代谢与控制成骨或骨免疫反应的转录程序联系起来的另一层表观遗传调控，这一假说值得在骨驻留细胞类型中进行直接研究。
总之，这些发现确立了组蛋白乳酰化作为骨骼稳态中细胞能量代谢与表观遗传调控之间的直接分子联系，并且可能与其他经典组蛋白酰化发生串扰。组蛋白乳酰化依赖于确定的酶调控因子和代谢通量，提示该途径可能代表某些骨疾病中一个潜在的药物调控节点。然而，系统的骨骼特异性研究仍然有限，并且区分组蛋白乳酰化与非组蛋白乳酰化以及不依赖于染色质修饰的乳酸介导的信号通路是至关重要的。
**其他修饰**
**组蛋白泛素化**：由E3连接酶RNF20/RNF40介导的组蛋白H2B在赖氨酸120处的单泛素化（H2Bub1）对于早期谱系决定和转录延伸至关重要。成骨细胞中RNF40的条件性缺失会阻断祖细胞分化，而靶向衰老骨中H2Bub1相关通路可部分恢复成骨功能并逆转与衰老相关的缺陷。这些结果突出了H2Bub1在骨骼发育和维护中的重要性。
**组蛋白巴豆酰化**：组蛋白巴豆酰化已成为一种代谢偶联的染色质修饰，在非骨骼系统中具有重要的调控功能。然而，组蛋白巴豆酰化在成骨谱系中的直接影响证据仍然非常有限。在骨骼领域，当前的证据主要来自牙周膜干细胞中整体蛋白质巴豆酰化的研究，其中巴豆酰化在成骨诱导期间增加，并与PI3K-Akt激活、成骨基因上调和矿化增强相关。这些发现表明巴豆酰化与成骨分化功能相关，但组蛋白巴豆酰化本身是否在骨谱系定型和修复中发挥因果作用仍有待在位点特异性、遗传和体内模型中建立。
目前，尽管越来越多的非经典组蛋白修饰已被证明参与成骨细胞分化的调控，并可能与某些骨骼疾病的发病机制相关，但当前的证据体系仍不均衡。除组蛋白乳酰化外，大多数其他修饰主要由相关性或情境特异性观察支持。然而，这些新兴修饰突出了连接代谢、染色质状态和成骨信号的先前未被重视的调控节点。阐明它们的因果作用、调控层级、细胞类型特异性功能和治疗相关性将需要在骨骼系统中系统整合遗传模型、染色质水平分析和体内验证。
**不同表观遗传机制与关键成骨信号通路之间的串扰**
**成骨细胞分化中不同表观遗传机制之间的串扰**
基因组表观遗传机制，包括DNA甲基化和组蛋白修饰，并非独立运作，而是协同作用以调节成骨分化。这种协调的相互作用塑造了染色质景观，并确保成骨相关基因表达的精确时空控制。
DNA甲基化和组蛋白修饰之间的协同作用尤为明显。在功能水平上，DNA去甲基化和组蛋白乙酰化之间的合作已被证明。DNA甲基化抑制剂和HDAC抑制剂的联合处理协同增强成骨基因表达，同时抑制成脂程序。在染色质水平上，HDAC抑制剂诱导强烈的H3K9乙酰化，并与RUNX2启动子的低甲基化相关，共同促进脂肪细胞向成骨细胞的转分化。
组蛋白修饰之间的动态转换同样至关重要。在成骨发生开始时，抑制性标记在谱系特异性位点被擦除并被激活的乙酰化标记取代。例如，在未分化的BMSC中，ZBTB16位点被H3K27me3沉默。成骨诱导后，JMJD3的招募去除该标记，而乙酰化增加，导致强PLZF上调。PLZF随后促进H3K27ac向成骨增强子的扩散，激活下游程序。相反，母体高脂饮食会减少后代小鼠RUNX2和SP7启动子处的H3K27ac并增加H3K27me3，损害骨骼发育。在如多发性骨髓瘤等病理情境中，RUNX2启动子通过H3K9ac和H3K4me3减少以及H3K27me3增加而被表观遗传沉默。此外，抑制性染色质状态的病理稳定化可由招募表观遗传沉默机制的转录抑制因子介导。例如，在多发性骨髓瘤相关的骨病中，GFI1作为位点特异性表观遗传支架，将EZH2和HDAC1招募到RUNX2启动子，从而将成骨基因锁定在抑制性染色质构型中。
**成骨细胞分化中遗传调控、表观遗传调控与关键信号通路之间的串扰**
在成骨分化过程中，各种表观遗传机制调节成骨、成脂和炎症基因的时空表达，从而微调转录因子活性和细胞命运决定。作为成骨细胞谱系定型的核心调控因子，RUNX2和SP7受到多层表观遗传机制的影响。在未分化阶段，抑制性修饰确保它们的沉默；成骨诱导后，这些沉默标记被及时擦除并被活性标记取代，解除成骨主调控因子的转录抑制并启动成骨程序。
更重要的是，表观遗传程序与经典信号通路交织在一起，共同确保成骨网络的正常运行。该网络的正常功能依赖于表观遗传修饰协调关键基因转录和通路激活，这对于启动和加强成骨分化至关重要。在此过程中，成骨信号的启动可能部分源于表观遗传修饰的改变，而这些通路内的表观遗传变化也显著增强了由关键分子如BMP2诱导的成骨效应。此外，一些通路直接与染色质调控偶联，通过表观遗传修饰激活成骨程序。例如，Hippo信号通路可能与FAK-HDAC5-SOST机械敏感轴汇聚以下调SOST，从而共同解除对WNT/β-catenin的抑制并增强成骨主调控因子的转录。
此外，细胞代谢与遗传和表观遗传决定因素结合以调节通路活性。α-KG、NAD
+和乳酸等代谢物作为表观遗传酶的辅因子，将能量状态与染色质重塑直接联系起来。例如，α-KG促进抑制性标记的去除。在NAD
+依赖性的sirtuins将能量状态与去乙酰化偶联。乳酸驱动的组蛋白乳酰化通过增加H3K18乳酰化作为代谢-表观遗传桥梁。通过这种偶联，遗传易感性、表观遗传可塑性和信号通路活性被整合到一个统一的调控框架中，决定成骨细胞命运、骨形成和骨骼稳态。
总的来说，关键成骨转录因子如RUNX2和SP7，以及下游基因如ALP、OCN、OPN和COL1A1，位于多个表观遗传调控轴的交叉点。它们的表达由DNA甲基化和组蛋白修饰的信号，以及WNT/β-catenin、BMP/Smad、Hedgehog和Hippo通路的信号串扰共同塑造。作为整合桥梁，这些表观遗传相互作用将各种生理和病理线索——包括衰老、代谢状态、激素信号、机械输入和炎症应激——与成骨分化联系起来。通过这样做，它们确保了成骨程序的精确时空激活，并定义了多个可被靶向以纠正骨骼稳态病理性失衡的调控节点。
**针对骨骼疾病的潜在基于表观遗传的治疗策略：机遇与挑战**
表观遗传修饰的可塑性为开发骨骼疾病的新疗法提供了机会。同时，几种表观遗传药物已在肿瘤学和血液学中获得监管批准，为靶向表观基因组提供了临床概念验证。这些成功先例强调了表观遗传调节的治疗潜力，并为在骨骼和骨科疾病中探索类似策略提供了强有力的理论基础。鉴于此令人鼓舞的背景，以下部分总结了当前骨代谢和骨骼疾病中表观遗传调节的研究进展，突出了关键分子靶点、剩余的转化挑战和未来方向。
直接靶向DNA甲基化和组蛋白修饰酶的小分子和分子方法已在多种临床前环境中显示出调节成骨程序的巨大潜力。DNA甲基化抑制剂、EZH2抑制剂和HDAC抑制剂已被报道在基于细胞的分化系统和再生情境中去抑制成骨转录网络，并伴随RUNX2、ALP和OCN表达增加以及基质矿化增强。重要的是，最近的研究强调，可以通过针对疾病或衰老信息靶向染色质调控因子来进一步完善表观遗传疗法。例如，组蛋白去甲基化酶抑制剂可被用于在相关疾病环境中限制病理性过度骨化。EZH2的药理学抑制不仅解除成骨基因的抑制，还通过恢复FoxO1介导的抗氧化程序减轻衰老BMSC中的氧化应激，从而恢复衰老相关骨丢失模型中的成骨能力。除了识别新的表观遗传靶点外，最近的进展越来越多地集中在如何精炼靶向和应用表观遗传调控以增强成骨效果。在此背景下，出现了一系列策略层面的创新以提高特异性、效力和转化潜力。这些包括上调染色质调控因子、纳米颗粒介导的DNMT1 siRNA递送以及HDAC抑制剂对BMSC的表观遗传预处理以在移植前增强其再生潜力。
除了直接的药理学干预，一系列非药理学策略可以通过以情境和系统水平的方式重塑表观遗传景观来调节成骨结果。这些方法不直接靶向表观遗传酶，而是改变随后被表观遗传机制编码为控制骨形成的基因表达程序的生理或病理输入。例如，体育锻炼已被证明可重塑骨相关基因的DNA甲基化模式，并使骨微环境和骨量得到改善。同样，电针已被报道通过表观遗传调节刺激成骨。同时，纳米尺度生物材料可以通过细胞骨架-表观遗传信号影响成骨分化，突出细胞外环境的物理特性如何转化为染色质水平的调控；此类表观遗传活性生物材料可能代表骨植入物的未来范式。
同时，表观遗传调控作为连接细胞代谢与成骨的关键界面。关键代谢物作为表观遗传酶的辅因子或底物，从而将细胞能量状态与染色质重塑和成骨基因表达偶联。通过这种代谢-表观遗传轴，营养状态、与衰老相关的代谢转变和应激反应可以汇聚于表观基因组，影响成骨细胞分化和骨形成。
总之，这些观察结果强调了表观遗传机制作为一个整合中心，将各种生理和病理线索编码为与经典成骨信号相互作用的转录程序。重要的是，这一框架也激发了超越直接表观遗传酶抑制的治疗机会，例如代谢物引导的干预和机械感知靶向策略，以在疾病相关环境中重建成骨染色质状态。然而，体内验证和临床转化仍然有限，不仅因为大多数证据来自体外或小动物研究，而且因为连接特定代谢或机械线索与明确染色质修饰、细胞类型限制的基因网络和持久骨骼结果的精确、情境依赖性分子机制仍未完全解决。
然而，尽管积累的实验证据支持表观遗传调控是骨骼稳态和疾病进展的关键驱动因素，但目前尚无表观遗传药物被批准用于临床治疗退行性或代谢性骨疾病。迄今为止，骨骼领域的大多数表观遗传干预仍局限于临床前或早期转化阶段，证据主要来自体外系统或动物模型，而非受控的人类临床试验。这一监管差距突出了骨骼表观遗传学中机制见解与临床实施之间的根本性脱节。
目前批准的许多表观遗传药物在临床前和临床研究中已观察到显著的全身毒性，包括血液学毒性、感染相关不良事件、代谢紊乱以及生殖发育影响。这些安全性问题可能限制其长期用于非恶性骨骼疾病。
除了安全性考虑，另一个基本挑战源于表观遗传调控本身的内在复杂性和全局性。与传统的通路抑制剂不同，表观遗传酶通常作用于广泛的染色质区域，并调控跨多个谱系的大基因网络。因此，对单个表观遗传调控因子的药理学扰动很少将其效应局限于成骨基因，而是在不同的细胞程序中传播，增加了在非骨骼组织中产生情境依赖性和脱靶结果的风险。例如，尽管某些HDAC抑制剂可以在受控实验环境中增强成骨基因表达和促进成骨细胞分化，但临床和流行病学研究将长期、全身性的HDAC抑制剂暴露与骨密度降低和骨折风险升高联系起来。此外，对LSD1的抑制可以升高成骨基因表达和增加骨量，但过度抑制可能破坏其维持的表观遗传平衡和分化轨迹，需要精细调节剂量和时间控制。
因此，为了将表观遗传调节转化为安全且持久的骨骼疾病疗法，实现骨限制性、细胞类型感知的递送以最小化全身脱靶暴露成为一个核心要求。当前的骨靶向递送策略可以大致分为矿物质亲和性方法和细胞特异性方法。矿物质靶向系统已相对成熟，能够实现优先在骨骼和骨髓生态位中积累。相比之下，细胞类型特异性靶向提供了更高的生物学精度和表观遗传通路功能微调的潜力，但在技术上仍具有挑战性。
用于骨限制性表观遗传干预的递送平台包括脂质纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、无机或杂化纳米材料以及仿生载体如外泌体。这些系统能够封装小分子药物、核酸，并在选定的情况下封装表观遗传活性化合物，从而改善药代动力学、局部生物利用度和治疗效果。在表观遗传模式中，小RNA的递送是目前最先进的。最近，概念验证研究已将骨靶向递送扩展到表观遗传药物本身。
尽管取得了这些进展，但仍存在几个关键挑战。首先，对骨组织复杂理化环境中药物释放动力学的定量控制仍然了解不足。其次，除了小RNA和有限数量的表观遗传药物，对其他表观遗传调控因子和通路的系统探索仍然很少。最后，实现时空精度是转化表观遗传调节为临床可行骨骼疗法的尚未满足的主要需求。
总之，当前证据将表观遗传调控定位为一个关键的整合层，将衰老、代谢状态、机械线索和微环境信号编码为成骨转录程序。虽然表观遗传酶的靶向已在临床前模型中显示出强大的成骨效果，但骨骼疾病中的临床转化仍受到全身毒性、有限的组织特异性和情境依赖性结果的制约。这些挑战表明，未来的进展不仅需要继续识别与骨骼生物学相关的表观遗传调控因子，还需要将其与骨靶向递送系统和情境感知的调节策略战略性地整合。在此背景下，值得注意的是，当前骨质疏松症的治疗方案通常采用间歇性或周期性给药方案，这与肿瘤学试验中常用的持续给药方案形成对比。这种差异提出了一个可能性，即间歇性表观遗传调节可以减轻全身毒性，同时保留骨骼情境中的治疗效果。尽管这一概念仍有待系统测试，优化给药方案和治疗周期可能代表增强表观遗传疗法对骨疾病转化潜力的重要途径。
**结论与展望**
总之，表观遗传机制在骨骼生物学中整合环境线索（如机械负荷和代谢信号）方面起着核心作用。它们与骨骼疾病有因果联系，表观遗传调控因子的改变直接影响骨形成和骨吸收。尽管表观遗传调控作为骨骼疾病的治疗靶点具有巨大潜力，但其复杂性和组织特异性给临床应用带来了重大挑战。
表观遗传调控已成为成骨细胞分化、骨骼发育和骨稳态的一个基本调控层。在这篇综述中，研究人员整合了来自人类遗传学研究、动物模型和细胞系统的证据，以证明基因组表观遗传机制——包括DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化和非经典组蛋白修饰——在生理和病理情境下协调成骨基因程序和维持骨骼完整性方面是不可或缺的。
人类遗传学证据通过两种互补模式为表观遗传调控参与骨骼疾病提供了有力支持。一方面，编码表观遗传调控因子的基因中的种系突变或多态性直接扰乱发育基因程序，并与先天性骨骼异常和骨量变异有因果关系。另一方面，来自人体组织、疾病相关样本和人群研究的积累证据表明，持续的表观基因组重塑与成骨基因表达受损、骨骼稳态破坏以及对常见骨骼疾病（如骨质疏松症和骨关节炎）的易感性增加有关。
在机制上，成骨结果不是由孤立的表观遗传标记调控，而是由多种表观遗传修饰之间的协调串扰调控。这种相互作用作为一个整合的调控中心，将各种生理和病理输入编码为控制成骨细胞分化和骨重塑的转录程序。这种精细调控的表观遗传平衡的破坏，无论是通过表观遗传写入器、擦除器或读取器的异常活性，都会导致成骨受损和骨骼疾病的发展。
这种概念理解揭示了基于表观遗传的骨骼疾病疗法的多种转化机会。表观遗传药物在肿瘤学和血液学中的成功临床应用为人类药理学表观基因组调节提供了强有力的概念验证，激发了对骨骼疾病类似策略的探索。一致地，一系列药理学和非药理学干预措施已在临床前模型中显示出有希望的成骨效果。
然而，针对骨骼疾病的表观遗传疗法尚未进入临床试验或获得监管批准。一个主要障碍是目前批准的表观遗传药物的安全性问题，这些药物是为恶性肿瘤开发的，并与显著的血液学、代谢和生殖毒性相关，使其不适合长期治疗非恶性骨疾病。
除了毒性之外，一个基本的转化挑战源于表观遗传调控的内在复杂性。这种复杂性体现在三个相互关联的特征上。首先，表观遗传调控是高度特异性的，因为给定表观遗传调控因子的功能结果取决于其靶向的基因组位点及其运作的染色质情境。其次，表观遗传调控是模块化的，因为写入器、擦除器和读取器在多蛋白复合物和部分冗余或非等价的模块内运作，导致对相同染色质修饰的情境依赖性解释。第三，表观遗传调控本质上是动态的，染色质状态和调控输出随着发育阶段以及环境生理线索的变化而变化。因此，对单个表观遗传调控因子的扰动可能产生不同甚至相反的结果，具体取决于细胞状态、时间和染色质情境，从而使靶点选择、剂量策略和治疗窗口复杂化。
这些内在属性强调了骨限制性和细胞类型感知递送策略的必要性。尽管矿物质亲和性和配体介导的递送平台已在骨骼生物学中成功开发，但它们在表观遗传药物中的适应需要进一步优化，以实现与表观遗传特异性和动态兼容的精确空间、时间和剂量控制。
总之，这些考虑表明，未来在骨骼疾病表观遗传治疗方面的进展将依赖于生物学理解、治疗设计和骨靶向递送方面的协调进展，从而在体内实现成骨染色质状态的安全持久重编程。在此背景下，几个优先方向值得特别关注：
i）骨骼发育和稳态中表观遗传调控的整合与情境感知框架。未来的进展需要一种整合的思维方式，将表观遗传调控视为一个受染色质标记、读取蛋白和上游生物学状态之间协调串扰塑造的情境依赖性调控框架。
ii）克服骨骼细胞异质性和表观基因组分辨率带来的技术和分析限制。推动骨骼发育和稳态中表观遗传研究的一个主要障碍在于与骨组织和骨驻留细胞群体相关的内在技术限制。首先，骨骼组织表现出显著的细胞异质性。其次，某些骨骼细胞类型难以分离。第三，表观基因组分析技术通常比转录组方法需要更高的输入和测序深度。应对这些限制需要整合单细胞和低输入表观基因组技术、改进的基质包埋细胞分离策略以及空间分辨的染色质分析方法。
iii）骨骼病理生理学中的因果性与继发性表观遗传改变以及表观遗传记忆。骨骼表观遗传学中的一个关键解释性挑战是区分因果驱动因素与继发性染色质变化。这种区别与表观遗传记忆的概念相交。整合来自谱系特异性遗传扰动模型的证据与对稳定与可塑性染色质状态的理解，为解释骨骼表观遗传调控及其转化意义提供了一个时间框架。
iv）成骨调控中的空间基因组组织和染色质拓扑。除了局部染色质修饰外，三维（3D）基因组组织代表了另一个塑造谱系特异性基因表达的调控层。在骨骼系统中，新兴研究表明成骨谱系定型伴随着染色质环的广泛重组，而BMD相关遗传变异经常通过成骨细胞中的长程、细胞类型特异性染色质相互作用发挥作用。将染色质构象分析与表观基因组和转录组分析相结合，对于确定增强子-启动子拓扑如何协调骨形成和重塑中情境依赖性基因调控至关重要。
总之，本综述综合了遗传、实验和机制证据，确立了表观遗传调控作为精确调控骨骼发育、成骨细胞分化和骨稳态的关键调控层。表观遗传机制被证明与广泛的骨骼疾病有因果关系，并作为整合中心，将生理和病理线索转化为谱系和阶段特异性的转录程序。虽然表观基因组的可塑性为治疗干预提供了引人注目的机会，但表观遗传调控的内在情境依赖性和复杂性，以及与全身毒性、靶向递送以及骨骼细胞分离和表观基因组分析的技术限制相关的挑战，继续制约着临床转化。总之，这些见解将表观遗传调控定位为理解骨骼生物学的统一框架，以及一条有前景但要求很高的未来治疗创新途径。
