利用基因敲除小鼠研究mTORC1在破骨细胞伪足小体装配中的功能及其机制

Reorganization of the podosome into the sealing zone is crucial for osteoclasts (OCLs) to resorb bone, but the underlying mechanisms are unclear. Here, we show that tuberous sclerosis complex 1 (TSC1) functions centrally in OCLs to promote podosome organization and bone resorption through mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) and the small GTPases Rac1/Cdc42. During osteoclastogenesis, enhanced expression of TSC1 downregulates mTORC1 activity. TSC1 deletion in OCLs reduced podosome belt formation in vitro and sealing zone formation in vivo, leading to bone resorption deficiency and osteopetrosis. Mechanistically, TSC1 promoted podosome superstructure assembly by releasing mTORC1-dependent negative feedback inhibition of Rac1/Cdc42. Rapamycin (Rap) and active Rac1/Cdc42 restore podosome organization and bone resorption and alleviate osteopetrotic phenotypes in mutant mice. Our findings reveal an essential role of TSC1 signaling in the regulation of bone resorption. Targeting TSC1 represents a novel strategy to inhibit bone resorption and prevent bone loss-related diseases.

破骨细胞是一类来源于单核巨噬细胞系的多核细胞，其黏附于骨基质上形成特殊的细胞骨架结构，称为封闭带。破骨细胞的骨吸收依赖于由致密伪足小体形成的完整封闭带，并分泌盐酸和多种蛋白酶到吸收腔隙中降解骨基质。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一种保守的丝/苏氨酸蛋白质激酶，在机体各种生理过程与疾病发生中有重要作用，也包括骨代谢调节，然而对破骨细胞的影响则知之甚少。为了更深入研究mTORC1活性对破骨细胞分化和功能的影响，我们构建了破骨细胞特异敲除小鼠，结果发现mTORC1的过度活化增加了破骨细胞数量，却明显抑制其活性，并导致小鼠中度骨硬化。进一步研究发现mTORC1的过度活化可能主要影响破骨细胞伪足小体的装配及封闭带的形成。本项目将进一步探讨破骨细胞mTORC1活性对伪足小体结构的调节及可能的分子机制，这将为骨丢失相关疾病的临床防治提供新的理论基础，以及新的治疗方式和靶点。

破骨细胞是一类来源于单核巨噬细胞系的多核细胞，其骨吸收活动是多种骨丢失疾病如骨质疏松、关节炎、肿瘤骨转移等的重要原因。目前绝大多数研究集中在靶向破骨细胞分化过程来实现抑制骨丢失的目的，而对破骨细胞基本骨吸收结构、骨吸收功能实现的研究甚少且机制不清。成熟破骨细胞黏附于骨基质上形成的特殊细胞骨架结构被称为封闭带，由致密伪足小体形成的完整封闭带为破骨细胞分泌的多种酶类创造封闭的酸性环境，是破骨细胞执行骨吸收能力的结构基础。雷帕霉素靶标蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）是一种保守的丝/苏氨酸蛋白质激酶，在机体各种生理过程与疾病发生中有重要作用，也包括骨代谢调节，然而对破骨细胞的影响则知之甚少。我们前期研究发现，成熟破骨细胞mTORC1活性极低，而激活成熟破骨细胞的mTORC1活性会严重影响破骨细胞封闭带的形成，并导致小鼠发生骨硬化。我们通过检测和分析小鼠骨组织表型、体内体外水平的成熟破骨细胞骨吸收结构，发现TSC1基因缺失导致的mTORC1过度激活能通过干预伪足小体的组装使封闭带形成异常，导致破骨细胞无法正常执行骨吸收功能。Rac-1/Cdc42是调控破骨细胞伪足小体排列组装的重要GTP酶，在本研究中，我们进一步发现和明确，TSC1/mTORC1是破骨细胞伪足小体组装和骨吸收结构形成的关键，并部分通过Rac1/Cdc42介导。在成熟破骨细胞的形成中，TSC1表达增加，mTORC1活性下调是破骨细胞Rac1/Cdc42激活、伪足小体组装所必需的，并部分通过mTORC1依赖的负反馈途径调节Akt磷酸化和GEF/GAP来实现。由此，本项目发现和明确了TSC-mTORC1信号在调控破骨细胞骨吸收结构和功能的重要作用及分子机制，提出靶向TSC1是抑制破骨细胞骨吸收功能、防治骨丢失相关疾病的潜在有效策略。