Nature子刊：北航李春燕團隊發現骨質疏松的潛在治療新靶點

編輯丨王多魚

排版丨水成文

骨骼健康是全球公共衛生體系中不容忽視的重要議題，隨著人口老齡化的不斷加劇，以骨質疏松為代表的代謝性骨病受到廣泛關注。骨質疏松癥是一種由多種原因引發的全身性骨病，其主要特征為骨密度和骨質量下降、骨微結構退變，導致骨脆性增加，從而易引發骨折。

增強子作為一類非編碼調控元件，近年來受到廣泛關注。越來越多的研究證實，增強子在調控關鍵基因表達和決定細胞命運中發揮關鍵作用，其與很多疾病緊密相關，比如癌癥、血管疾病、心臟疾病、神經系統疾病以及骨質疏松癥等。高通量測序技術的快速發展，使得在全基因組范圍內篩選有活性的增強子和解析其分子調控機制成為可能。全基因組關聯分析（GWAS）已鑒定出數百個骨質疏松易感遺傳位點，其中絕大多數變異位點富集于增強子區域。然而，目前增強子在骨形成與骨質疏松中的作用分子機制尚未被充分解析。

近日，北京航空航天大學醫學科學與工程學院李春燕課題組在Nature Communications期刊發表了題為：Enhancer-mediated Etv4 activation stimulates osteogenic differentiation 的研究成果。

該研究通過整合 RNA-seq 和 ChIP-seq 等組學數據成功篩選出在成骨過程中起關鍵作用的增強子，運用 CRISPR-Cas9 和 CUT&Tag 等技術，結合 Hi-C 數據等，從“順式調控元件→反式調控因子→靶基因”的調控層面，通過體內和體外實驗驗證了成骨分化和骨形成過程中“enh11→ Stat3→ Etv4”這一關鍵調控軸，闡明了 enh11 介導的調控通路在成骨分化和骨形成中的分子機制，為骨質疏松癥提供了潛在治療靶點。

1、篩選參與骨形成的活性增強子

為篩選參與成骨分化和骨形成的特異性功能增強子，研究團隊從公共數據庫中獲取人和鼠未分化及成骨分化的間充質干細胞的轉錄組數據，并結合 FANTOM5 與 EnhancerAtlas 2.0 兩大權威增強子注釋數據庫，成功篩選出可能促進成骨細胞向分化的位于小鼠 11 號染色體上的一個增強子（命名為“enh11”）。同時分析了其物種保守同源基因，確保研究結果的跨物種適用性。

2、特異性敲除 enh11 抑制了成骨細胞系的分化

為探究 enh11 在成骨分化和骨形成過程中的生物學功能，研究團隊利用 CRISPR-Cas9 技術構建了 enh11 特異性敲除的成骨前體細胞系（MC3T3-E1 enh11-/-）。并通過 ALP 染色、茜素紅染色以及骨相關的標志物 mRNA 水平驗證，enh11 敲除可顯著抑制成骨細胞分化。

3、enh11 條件型敲除小鼠骨形成能力下降

為進一步驗證 enh11 在體內骨形成中的生物學功能，研究團隊利用 CRISPR-Cas9 技術構建 enh11 成骨細胞特異性敲除小鼠模型。對 2 月齡雌性小鼠進行體內功能實驗驗證，結合 Micro-CT、組織學染色以及對成骨分化相關基因的定量分析，結果顯示，enh11 成骨細胞特異性敲除會導致小鼠骨量下降和骨微結構破壞，從而證明了 enh11 是調控成骨細胞分化與骨形成的關鍵順式調控元件。上述結果在雌雄小鼠中均得到驗證。

4、靶基因Etv4參與成骨細胞的分化

為解析 enh11 介導的下游調控網絡，研究團隊對 enh11 敲除細胞及對照細胞進行轉錄組測序與差異表達基因分析，結合公共數據庫 Hi-C 數據分析發現，提示了 Etv4 是 enh11 的潛在靶基因。研究團隊還進行了熒光素酶報告基因實驗，并利用 siRNA 敲低 Etv4 對成骨分化表型進行觀測。結果表明，Etv4 是 enh11 的關鍵下游靶基因，參與調控成骨細胞的分化。

5、Etv4敲除小鼠骨形成能力下降

研究團隊通過對 2 月齡野生型（WT）與 Etv4 基因敲除（Etv4-KO）小鼠的表型分析，發現與 WT 小鼠相比，Etv4-KO 小鼠在體重、骨量及骨微結構相關參數上均存在顯著差異，表明 Etv4 基因敲除可明顯抑制小鼠體內骨形成。上述結果在雌雄小鼠中均得到驗證。

6、Stat3 與 enh11 結合調控Etv4的表達

研究團隊通過轉錄因子數據庫的整合分析，預測 Stat3 可結合于 enh11 區域及 Etv4 啟動子區域。在 MC3T3E1 細胞中利用 siRNA 敲低 Stat3，CUT&Tag 結果顯示，Stat3 的敲低使 Stat3 與 enh11 與 Etv4 啟動子區域的結合均降低，同時伴隨 Etv4 表達顯著下降。

為進一步驗證 enh11 對成骨細胞分化的調控依賴于與轉錄因子 Stat3 的結合，研究團隊從 JASPAR 數據庫獲取轉錄因子 Stat3 的結合基序（motif），運用 CRISPR-Cas9 技術特異性敲除 enh11 區域 Stat3 的結合序列。ALP 染色、茜素紅染色及成骨分化標志物檢測等結果顯示 enh11 區域 Stat3 結合位點的缺失可顯著抑制成骨細胞分化，從而證明 Stat3 與 enh11 的特異性結合是介導成骨細胞分化的關鍵。

總的來說，該研究表明，enh11 結合轉錄因子 Stat3，調控了靶基因 Etv4 的表達，從而影響了成骨分化與骨形成。

這項研究整合了轉錄組、表觀組、三維基因組及表型組等多組學數據，從“順式調控元件→反式調控因子→靶基因”的角度，系統揭示了“enh11→ Stat3→ Etv4”關鍵調控軸在成骨分化與骨形成中的關鍵作用，從分子機制到生理功能實現了完整的邏輯閉環，為骨質疏松等骨代謝疾病提供了全新的分子機制與潛在治療靶點。

北京航空航天大學醫學科學與工程學院李春燕副教授為論文通訊作者，博士研究生張俊有（已畢業，現就職于首都醫科大學附屬世紀壇醫院）、王棨臨（已畢業）、成卓玉和劉家欣為論文共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70796-3