深圳先进院李翔团队在骨源性因子骨钙素调控中枢神经系统功能方面取得新进展
2021年10月，中国科学院深圳先进技术研究院，脑认知与脑疾病研究所李翔研究员领导的研究团队在骨源性因子骨钙素调控中枢神经系统功能方面取得新进展，发现骨钙素能够通过其新受体GPR37调控少突胶质细胞分化及髓鞘化。相关研究结果在国际期刊Science Advances（IF 14.1）发表题为“Osteocalcin attenuates oligodendrocyte differentiation and myelination via GPR37 signaling in the mouse brain” 的研究论文，本文第一作者是助理研究员钱政江博士，唯一通讯作者是李翔博士，中国科学院深圳先进技术研究院是第一研究单位。
本研究主要依托于中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所，与脑所王立平、路中华及厦门大学陈颖教授研究团队合作完成。
李翔课题组成员合影
李翔（通讯作者，右三），钱政江（第一作者，左三），刘春花（左一），杨靓（左二），杨海洋（右四），曲泽惠（右二），李洪超（右一）
长期以来，骨器官被认为只是具有支撑和保护作用的器官；然而，近二十年的研究表明，骨还可以作为一种内分泌器官，通过分泌各种不同的骨源性因子并作用于骨本身，以及骨以外的器官和中枢神经系统，对维持各项生理功能和机体的稳态具有非常重要的调控作用。骨钙素 (Osteocalcin，OCN)是骨器官分泌的具有重要调控功能的骨源性因子，是由成骨细胞分泌的一种由46-55个氨基酸组成的多肽，主要以两种形式存在：完全羧化（carboxylated）以及不完全羧化（undercarboxylated）OCN。前者主要作为结构成份沉积于骨基质，而后者则通过血液循环系统作用于骨以外的多个器官发挥调节功能。
大量研究表明，OCN可作用于胰腺，促进胰岛素生成以及b-胰岛细胞增殖，从而调节机体能量代谢；在雄性生殖系统中，OCN可通过对睾丸间质细胞（leydig cell）中睾酮合成酶的调节，促进精子细胞的存活；此外，OCN还可以作用于肌肉组织，促进糖和脂肪酸的吸收，对改善运动能力具有重要促进作用。最让人意外的发现是：OCN能够穿过血脑屏障（Blood brain barrier, BBB）并作用于神经元细胞，调节中枢神经系统认知记忆功能；然而神经系统中大量存在的胶质细胞是否同样受到OCN影响仍不清楚。此外，OCN在中枢神经系统中的受体不是十分明确。
基于上述存在的关键问题，李翔团队利用多种基因敲除动物模型，通过整合电镜分析、免疫染色、行为分析等多学科研究手段，致力于研究OCN对中枢神经系统新功能的研究以及新受体的鉴定。
图1. 骨钙素调节少突胶质细胞髓鞘的机制示意图。骨钙素通过血脑屏障（BBB）后作用于少突胶质细胞上GPR37受体，抑制转录因子Myrf的表达，进而调节髓鞘相关基因的表达。
“髓鞘随着人体的发育而逐渐成熟，髓鞘太厚或太薄都是发育不良的表现，容易导致运动障碍、姿势异常，感知、沟通及行为障碍、智力发育落后等各类疾病等疾病。当人体在进行直立、行走、坐下、跑步等人体行动时，在一定程度上会刺激骨头分泌骨钙素，进而影响髓鞘中少突胶质细胞的分化功能，对中枢神经系统产生一定的调控作用。”李翔表示。
为了知道骨钙素OCN是否对中枢神经系统胶质细胞具有调节作用，团队采用OCN基因敲除的小鼠进行研究，基于免疫染色发现：OCN敲除后小鼠中枢系统白质区域髓鞘相关marker基因表达增加，然后利用蛋白杂交进行验证；而通过电镜分析发现OCN基因敲除后髓鞘厚度增加，进一步确认了OCN对少突胶质细胞具有调控作用。
图2. 电镜分析野生型和骨钙素基因敲除鼠白纸区域（包括胼胝体、脊髓和小脑）中髓鞘变化。左四是代表性电镜图片，右一是g-ratio和轴突相关分析 。
接着，为探究OCN是通过对细胞增殖还是细胞分化的调节来影响少突胶质细胞的，利用原代少突胶质细胞培养以及OCN基因敲除动物，分析了OCN对少突胶质细胞增殖和分化的影响，结果发现：OCN对少突胶质细胞的增殖影响不大，但抑制了其分化的功能。
进一步，团队通过RNA测序分析了OCN基因敲除鼠与野生小鼠胼胝体区域RNA表达的差异，结果发现并确定GPR37可能是OCN的中枢受体；然后利用基于HEK293细胞的体外表达系统，结合多种细胞内信号检测系统，确认了OCN能够通过GPR37激活细胞内信号传导；由于GPR37在少突胶质细胞中高度表达，我们利用shRNA敲低，GPR37抗体抑制等方法确认了GPR37能够介导OCN对少突胶质细胞分化的调控。
最后，在活体研究中，我们利用GPR37基因敲除鼠以及野生型小鼠，进一步发现OCN能够抑制野生型小鼠少突胶质细胞髓鞘化的作用，但对GPR37敲除鼠无作用。行为学分析（包括热板和瞳孔对光反射）发现，OCN和GPR37基因敲除小鼠表现神经传导速度异常。
以上结果表明，OCN通过GPR37调节中枢神经系统少突胶质细胞分化和髓鞘化的作用，将为以OCN作为外周潜在靶点治疗中枢髓鞘病变提供了实验依据。
研究团队界定了骨钙素在中枢神经系统功能调节中的新受体。通过深入探究骨钙素在中枢神经系统中的内在调控机制，从寻找“ 外周—中枢”关键调控分子出发，为从调节骨功能及骨源性因子角度探索维持神经系统功能新措施提供了理论依据，也为相关神经系统疾病的临床干预新策略和新靶点提供了科学依据。
论文链接 ：
Z. Qian, H. Li, H. Yang, Q. Yang, Z. Lu, L. Wang, Y. Chen, X. Li, Osteocalcin attenuates oligodendrocyte differentiation and myelination via GPR37 signaling in the mouse brain. Sci. Adv. 7, eabi5811 (2021).
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi5811
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