济医附院孟纯阳：O-GlcNAc糖基化修饰揭示骨质疏松新机制

精准医学与蛋白组学关注国内外蛋白组学、蛋白修复组学应用领域的科研进展，普及蛋白组学在生命科学及基础医学研究中的应用，一起交流学习。如有侵权请联系后台删除

老年性骨质疏松症(senile osteoporosis，SOP)是一种与年龄增长密切相关的骨骼退行性疾病，被称为“寂静的杀手”，早期无症状，晚期高致残、高致死。其核心病理是成骨细胞减少和骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells， BMSCs）向成骨分化的能力下降。谷氨酰胺合成酶GLUL是谷氨酰胺生物合成中的关键酶。最新研究发现，GLUL可通过改变细胞代谢影响干细胞功能，并且GLUL缺乏是老年性骨质疏松症患者BMSCs的一个特征。但其在BMSC成骨分化及SOP中的具体机制未知。

近日，济宁医学院附属医院（临床医学院）脊柱外科孟纯阳教授团队（博士后张禄为第一作者）在Nature旗下子刊Cell Death & Differentiation（中科院一区TOP，影响因子15.4）上发表了最新研究成果“GLUL mediates FOXO3 O-GlcNAcylation to regulate the osteogenic differentiation of BMSCs and senile osteoporosis”。研究首次揭示了谷氨酰胺合成酶（GLUL）通过调控FOXO3的O-GlcNAc糖基化修复，改善骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化并缓解老年性骨质疏松症的全新分子机制。

研究针对GLUL在SOP中的机制空白，首先运用蛋白质组学和代谢组学分析，发现GLUL影响谷氨酰胺代谢导致整体O-GlcNAc修复水平下调。进一步运用4D O-GlcNAc糖基化修复组学分析鉴定到GLUL/O-GlcNAc 轴的关键底物：FOXO3。干预验证表明口服谷氨酰胺或抑制剂，或AAV-GLUL基因治疗均可逆转骨量丢失，为开发针对SOP的创新疗法提供了潜在干预靶点。景杰生物为该研究提供了蛋白质组学、O-GlcNAc糖基化修复组学分析及O-单糖基化定制抗体。

01 GLUL缺失导致BMSCs成骨分化障碍

研究发现，来自SOP患者的BMSCs中GLUL表达显著下调，而在正常的BMSCs成骨分化过程中，GLUL表达随骨骼发育过程逐渐增加。

研究人员观察到BMSCs特异性敲除Glul基因的乳鼠出现明显的颅骨和指骨发育异常，成年后其骨量显著减少。且基因敲除小鼠的BMSCs成骨分化能力以及成骨标志物（如RUNX2、SPP1）表达均显著降低，直接证实了GLUL缺失会导致BMSCs成骨分化障碍。

02 GLUL调控成骨分化机制探究

研究对成骨分化后的Glul敲除和野生型小鼠的BMSCs进行蛋白质组学和代谢组学分析，揭示了GLUL调控成骨分化机制。结果显示Glul敲除后，BMSCs的细胞内代谢特征显著改变，表现为谷氨酰胺表达下调，己糖胺合成途径关键酶UAP1蛋白（UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化酶1，催化合成UDP-GlcNAc）表达下调，抑制糖基化底物UDP-GlcNAc生成(O-GlcNAc糖基化修复唯一的糖基供体)，最终导致整体O-GlcNAc糖基化修复水平降低。

进一步4D O-GlcNAc糖基化修复组学分析鉴定到GLUL/O-GlcNAc轴的关键底物：FOXO3。机制上，GLUL通过竞争性结合E3泛素连接酶TRIM25的SPRY结构域，减少UAP1蛋白的泛素化降解，从而增加了糖基化底物UDP-GlcNAc的合成水平。以上过程进一步促进了转录因子FOXO3第296位丝氨酸（Ser296）的O-GlcNAc糖基化修复，增强了FOXO3的稳定性，进而减轻细胞内的氧化应激损伤并促进BMSCs向成骨细胞分化。

03 干预验证靶向GLUL-FOXO3 轴可改善老年骨质疏松

研究团队在SOP模型小鼠中进行了概念验证。老年小鼠口服OGA 抑制剂（Thiamet-G）或N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）补充8周，可恢复骨量，该效果依赖于GLUL-FOXO3轴。此外，注射Glul高表达腺病毒成功缓解了SOP模型小鼠的骨质流失现象，增加了骨形成。这一结果强有力地支持了靶向GLUL及其下游信号通路作为治疗老年性骨质疏松症的全新策略的可行性，为未来临床转化（如开发激活GLUL或模拟其下游效应的药物）带来了希望。

综上所述，该研究运用蛋白质组学和O-GlcNA糖基化修复组学技术首次揭示了GLUL在BMSCs中调控谱系分配和骨稳态中的核心调控作用。GLUL-FOXO3糖基化轴首次把“谷氨酰胺代谢”与“骨髓干细胞命运”直接挂钩，为老年骨质疏松提供一条可药物化的新通路。

景杰评述

在骨质疏松症的病理过程中，已报道多种新型翻译后修复（PTMs）参与调控成骨/破骨分化、骨代谢失衡及骨量丢失。该研究首次将谷氨酰胺连接酶 GLUL与FOXO3的O-GlcNAcylation直接关联。此外，除经典的磷酸化、泛素化外，近年研究聚焦于新型翻译后修复，如组蛋白巴豆酰化与SIRT7缺失相关，后者在老龄小鼠中导致成骨能力下降、骨量丢失。老龄骨髓微环境中乳酸水平升高，可能通过乳酰化修复抑制成骨分化。这些新型PTMs有望突破传统抗骨吸收/促骨形成药物的局限，为骨质疏松症的精准治疗提供全新视角。

景杰生物率先推出了基于质谱技术的完整N-糖肽和完整O-GalNAc分析服务。能同步获取糖基化位点及其对应的糖型完整信息，有效地重建糖链与糖基化位点之间的对应联系，为探索疾病发病机理、发掘生物标志物等糖基化修复研究领域提供更为强大的研究工具和技术支持。