RNA结合蛋白OTUD1通过决定间充质干细胞谱系定向维持骨骼稳态

《Cell Reports》：RNA-binding protein OTUD1 maintains skeletal homeostasis by determining mesenchymal stem cell lineage commitment

　　

间充质干细胞（MSC）通过成骨分化维持骨骼稳态。在衰老过程中，MSC发生向脂肪生成而非成骨的方向偏移，但其转录后机制仍不清楚。研究人员在此鉴定出含卵巢肿瘤结构域蛋白1（OTUD1）作为一种RNA结合蛋白（RBP），通过稳定成骨相关转录本调控MSC命运。OTUD1直接结合并稳定BMP2 mRNA，从而支持成骨分化。体内实验中，OTUD1缺失不影响早期骨骼发育，但在衰老过程中逐渐损害骨骼稳态，并在卵巢切除和糖皮质激素诱导的骨质疏松模型中加剧骨丢失。结构-功能分析揭示，OTUD1的N端固有无序区（IDR）介导RNA结合与成骨活性，而其去泛素化酶催化结构域并非必要。多组学分析表明，OTUD1协调参与胶原重塑和细胞外基质组织的转录本稳定性，从而维持MSC干性与活化。综上，这些发现界定了RNA稳定性控制与衰老及疾病中MSC谱系定向和骨骼稳态之间的联系。

研究背景与立项依据

骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨潜能随年龄增长而下降，是衰老相关性骨丢失、绝经后骨质疏松等骨骼疾病的细胞基础。既往研究多聚焦转录因子RUNX2、形态发生蛋白BMP2等转录层调控，对转录后mRNA稳定性如何维持BMSC成骨倾向知之甚少。含卵巢肿瘤结构域蛋白1（OTUD1）属OTU去泛素化酶（DUB）家族，已知参与免疫与炎症，其非催化功能在骨骼稳态中尚未被探索。研究人员据此提出假设：OTUD1可能作为RNA结合蛋白（RBP）以DUB非依赖方式调控成骨转录本稳定性，进而决定MSC谱系定向。

主要技术方法概览

研究人员构建Otud1^?/?小鼠（由南京大学南京生物医药研究所提供），分离年轻（2月龄）与年老（18月龄）小鼠BMSC及糖皮质激素诱导骨质疏松（GIOP）患者皮质骨骨细胞样本；综合应用RNA pull-down偶联质谱、UV交联RNA免疫沉淀偶联高通量测序（RIP-seq）、转录组测序（RNA-seq）、定量蛋白质组学、放线菌素D（ActD）mRNA衰减实验、体外成骨/成脂诱导、体内双能X线吸收测定（DXA）与显微CT（Micro-CT）表型分析，以及卵巢切除（OVX）和地塞米松诱导骨质疏松小鼠模型与BMSC过继移植救援实验；并合成OTUD1来源17肽经BMSC膜包裹递送。

研究结果

OTUD1 controls BMP2 mRNA stability in BMSCs

研究人员比较年轻与年老小鼠BMSC，发现Bmp2转录本下调且RNA稳定性下降；RNA pull-down-MS鉴定OTUD1直接结合Bmp2 mRNA，RIP-qPCR确认该结合；OTUD1在成骨诱导中上调、在GIOP患者骨细胞中升高、在年老BMSC中降低；Otud1^?/? BMSC成骨染色（ARS、ALP）减弱，Runx2、Ocn、Bmp2、OCN蛋白下降，成脂标记Pparg、Fabp4上升，表明OTUD1通过稳定BMP2 mRNA促进成骨。

OTUD1 is required for maintaining bone homeostasis during aging

2月龄Otud1^?/?小鼠骨骼发育指标与野生型无差异；至18月龄，缺失鼠无头骨架、股骨、胫骨BMD及股骨BV/TV、Tb.n、Tb.Th显著更低，骨髓腔出现空泡样结构、骨小梁稀疏、破骨细胞数增加，证明OTUD1缺失加速衰老性骨退化。

Loss of OTUD1 accelerates hormone-induced osteoporosis under pathological conditions

在OVX模型与地塞米松模型中，Otud1^?/?小鼠较野生型骨丢失更重，Micro-CT显示骨小梁参数进一步恶化，说明OTUD1在激素应激下保护骨骼完整。

The N-terminal disordered region of OTUD1 is essential for its pro-osteogenic activity

催化死突变C320S保留Bmp2 RNA结合力；N端IDR中R2（aa 202-282）删除彻底消除RNA结合，R1删除无影响。OVX受体小鼠移植Otud1^?/? BMSC无法救援骨丢失，回补全长或C320S可救援，回补delR2不能；在年老BMSC中过表达全长（非delR2）恢复成骨，证明N端IDR的RNA结合而非DUB活性介导抗骨质疏松作用。

OTUD1 functions as an RBP that coordinates osteogenic mRNA stability

RIP-seq显示OTUD1偏好结合细胞外基质组织、胶原纤维组装相关mRNA（Bmp2、Runx2、Col1a1、Col1a2、Fbn1、Col4a1等），结合依赖于R2且不受C320S影响；motif富集得GAUAAGGU与GAUAAAUGC，位于靶基因3′ UTR；ActD衰减实验证实Otud1^?/?中Bmp2、Col1a1等衰减加速；外源BMP2可救援Otud1^?/?成骨缺陷。

OTUD1-derived RNA-binding peptide rescues osteogenic function in OTUD1-deficient BMSCs

HDOCK预测OTUD1内17aa肽（SIEAAPSSAAEPVIVSR）与RNA基序互作；合成肽经BMSC膜包裹后，在OTUD1缺陷BMSC中恢复Bmp2稳定性、成骨分化与相关基因表达，体内给药改善骨量，部分模拟全长OTUD1功能。

OTUD1 preferentially stabilizes osteogenesis-associated transcripts in BMSCs

成骨诱导3天RNA-seq显示Otud1^?/? BMSC有1335基因下调、417上调；下调者富集胶原代谢、细胞外基质组织、骨形态发生、BMP应答，上调者富集脂质代谢与脂肪酸合成；GSEA确认细胞外基质与胶原生物合成程序被抑制，表明OTUD1选择性稳定成骨转录本、防止向成脂偏移。

OTUD1 biases BMSCs toward a collagen-remodeling proteomic state

定量蛋白质组显示Otud1^?/? BMSC有1327蛋白下调、708上调；下调蛋白富集胶原形成、基质装配、骨骼发育，上调富集代谢与脂质程序；mRNA-蛋白重叠集合同样富集胶原生物合成与矿化，证明RNA稳定性调控忠实转化为胶原重塑蛋白组。

讨论与结论翻译

研究人员讨论指出，OTUD1以非经典、DUB非依赖方式通过N端IDR稳定成骨转录本网络维持骨骼稳态；IDR可能借助多价互作或相分离样RNP凝聚体保护RNA免于衰变，但本文未直接证明相分离。OTUD1在成骨中上调、成脂中不变，BMP2为关键但非唯一效应分子；靶标3′ UTR之GAUAA核心可能介导识别。Otud1^?/?小鼠破骨细胞增多提示骨形成下降与骨吸收增强偶联异常。17aa肽具转化潜力但需优化亲和力与药代。局限包括全局敲除难完全排除系统因素、IDR识别结构基础未明、BMP2外靶标贡献待定、肽类递送安全未评。

结论：研究人员确立OTUD1为BMSC成骨定向的关键转录后调控因子，其N端IDR作为序列特异性RNA结合模块，将mRNA稳定性结构需求与经典DUB活性解耦；该发现拓展了OTU家族功能谱，为年龄及激素相关性骨质疏松的遗传或肽类干预提供机制基础。论文发表于《Cell Reports》。