刷新
暨南大学博士共一发Nature子刊，揭示Foxk1通过促进有氧糖酵解增强骨形成
Highlights
1. Foxk1在老年小鼠和骨质疏松症患者中表达下降，且在成骨细胞分化过程中表达上调
2. Foxk1通过靶向糖酵解酶基因的启动子区域，正向调节成骨细胞中的有氧糖酵解
近日，“Cell Death & Differentiation”（IF=13.7）上发表了一篇题为“Foxk1 promotes bone formation through inducing aerobic glycolysis”的文章。这篇文章主要研究了转录因子Foxk1在骨形成中的作用，特别是在调节成骨细胞代谢和功能方面。
研究背景介绍
Foxk1是一种转录因子，属于Fox蛋白家族的一员。它在多种生物学过程中发挥作用，包括细胞增殖、分化、代谢和肿瘤发生。
骨质疏松症是一种以骨量减少和骨微结构退化为特征的疾病，这导致骨折风险增加。随着全球人口老龄化，骨质疏松症的发病率不断上升，对公共健康构成重大负担。
成骨细胞是负责骨形成的主要细胞类型，它们通过合成细胞外基质和支持矿化过程来促进骨骼的生长和维护。成骨细胞的功能异常，如因衰老引起的功能障碍，会导致骨形成和骨吸收之间的失衡，从而引发骨质疏松症。
研究思路分析
研究技术路线图
01Foxk1在骨质疏松症和成骨细胞中的作用
①检查3个月大和12个月大小鼠的骨组织中Foxk1的表达模式。发现Foxk1在12个月大的小鼠中表达下降，伴随着成骨标志物Runx2和Osterix表达的减少。在骨质疏松症患者样本中也观察到Foxk1表达显著降低。
②体外实验中，通过诱导小鼠颅骨成骨细胞分化，发现成骨标志物的表达在分化过程中增加，而Foxk1的表达在成骨细胞分化的第3天显著增加，并在第7天保持高水平。表明，Foxk1与骨质疏松症和成骨过程相关。
③通过siRNA敲低了原代小鼠颅骨成骨细胞中的Foxk1。结果显示，敲减Foxk1后，Foxk1的mRNA和蛋白表达均降低。敲减Foxk1还减少了成骨标志基因Runx2、Osterix、Alp和骨钙蛋白（Ocn）的表达。此外，通过检测Edu掺入和细胞周期标志物Ki67的免疫荧光染色，发现敲减Foxk1后，小鼠颅骨原代成骨细胞的增殖显著减少。表明，Foxk1对于成骨细胞的分化和增殖是必需的。
02Foxk1在成骨细胞功能中的作用及其机制
①构建在成骨细胞前体中耗尽Foxk1的Osx-cre;Foxk1fl/fl小鼠。研究显示，雄性和雌性Osx-cre;Foxk1fl/fl小鼠在4周龄时体型和体重均小于对照组小鼠。分析发现Foxk1剔除导致骨量减少，骨体积（BV）、骨体积/组织体积比（BV/TV）和 trabecular number（Tb.N）降低，骨小梁面积和数量减少。
②使用Ocn-Cre在小鼠的成熟成骨细胞中剔除了Foxk1。结果显示，剔除Foxk1后，Ocn阳性细胞数量显著减少，表明Foxk1调节成熟成骨细胞的增殖。剔除Foxk1并未影响4周龄雄性和雌性小鼠的体型和体重。分析显示，Ocn-Cre;Foxk1fl/fl小鼠的骨量、BV、BV/TV和Tb.N显著降低，骨小梁面积和数量减少，骨形成活动降低。而在雄性小鼠中，破骨细胞数量和骨吸收在两组之间没有明显差异，但在雌性Ocn-cre;Foxk1fl/fl小鼠中这些指标有所减少。
③通过CUT&Tag分析评估了转录因子Foxk1的DNA结合特性。全局映射分析显示，Foxk1峰主要出现在转录起始位点附近。KEGG分析显示，Foxk1结合基因在糖酵解/糖异生信号通路中显著富集。实验结果显示，Foxk1敲低显著降低了原代小鼠颅骨成骨细胞的葡萄糖摄取，导致糖酵解显著减少，表现为细胞外酸化率（ECAR）的显著降低。敲低Foxk1的细胞在培养基中的乳酸浓度降低，与ECAR一致。
03Foxk1对老年小鼠骨量的影响及其通过糖酵解的作用机制
①研究发现在成骨细胞分化过程中，葡萄糖摄取、ECAR和乳酸释放均显著增加，表明糖酵解增强。通过2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）抑制糖酵解，成骨细胞标志基因的表达受到抑制，ALP和ARS染色显著减少，Edu掺入和Ki67的免疫荧光染色显示糖酵解抑制显著降低了成骨细胞的增殖。表明，Foxk1主要通过促进有氧糖酵解来增强成骨细胞的分化和增殖。
②构建了一个含有成骨前体细胞特异性启动子的腺相关病毒9（AAV9），在成骨前体细胞中过表达Foxk1。在老年小鼠中尾静脉同时注射AAV9-Foxk1和2DG，发现AAV9能有效感染前成骨细胞，提高了老年小鼠股骨中Foxk1的表达。
③MicroCT分析表明，糖酵解抑制阻断了Foxk1对骨量的促进作用，BV、BV/TV和Tb.N，以及对Tb.Sp的抑制作用。H&E染色揭示了AAV9-Foxk1处理的12个月大的小鼠中骨小梁面积和数量的增加，这可以通过2DG给药来阻止。生物力学测试表明，糖酵解抑制抑制了AAV9-Foxk1处理的12个月大的小鼠股骨生物力学性能的提高。
图1. 敲低Foxk1抑制成骨细胞分化和增殖
图2. 成骨细胞前体中Foxk1的缺失导致骨量和强度低
图3. 成熟成骨细胞中Foxk1的缺失导致骨量和强度低
图4. Foxk1在调节成骨细胞的需氧糖酵解中起关键作用
图5. Foxk1对成骨细胞分化和增殖的调节依赖于糖酵解
图6. Foxk1通过诱导糖酵解增加老年小鼠的骨量
图7. Foxk1在成骨和年龄相关性骨质流失中的模型
结论与讨论
本文研究表明，转录因子Foxk1通过促进有氧糖酵解来增强成骨细胞的分化和增殖。在老年小鼠模型中，Foxk1的过表达能够显著增加骨量和改善骨的机械强度，而这种效应可以通过抑制糖酵解来逆转。因此，Foxk1及其调控的代谢途径可能成为预防和治疗骨质疏松症的新靶点。
在未来，研究可以集中在确定Foxk1调控网络中其他关键分子的身份，以及它们如何共同影响成骨细胞的代谢重编程。此外，研究者也提出需要进一步研究Foxk1在不同骨质疏松症亚型中的作用，以及如何将这些基础研究成果转化为临床治疗策略。