American researchers conducted a whole-exome analysis of patients, as well as experiments on cell cultures and mice, and came to the conclusion that mutations in the melatonin receptor gene can cause idiopathic osteoporosis. A report on the work was published in the journal Science Translational Medicine.
Idiopathic osteoporosis is a rare form of the disease that develops at a relatively early age (usually before age 50) without apparent metabolic or endocrine causes. Its pathogenesis is largely unknown, but there are indications that it may vary. Many patients also have a family history, suggesting a possible genetic basis for the disease. However, studies of 123 young patients and 75 premenopausal women failed to detect potentially pathogenic genetic variants in most cases.
In a search for potential genetic factors in the development of idiopathic osteoporosis, Stavroula Kousteni of Columbia University in New York and colleagues performed whole-exome sequencing of the genomic DNA of 10 members of an Ashkenazi Jewish family, three of whom suffered from the disease. They found 86 single nucleotide variants, 16 of which were observed in all patients (a 59-year-old man and his sons, 28 and 24 years old), as well as in the man’s mother (83 years old), whose age of osteoporosis onset was unknown. Of these, 15 were nonsynonymous substitutions, and one was a splicing mutation (rs374152717) in the MTNR1A gene (MTNR1Ac.184+1G>T), encoding the melatonin MT1 receptor, which was present in only four of the listed family members. Because melatonin is known to be involved in regulating bone formation and resorption, the researchers focused on variants of the MTNR1A gene.
Analysis of available genetic databases showed that heterozygous rs374152717 is rare in the general population, but more common in Ashkenazi Jews, while homozygous does not occur at all. Additional analysis of data from a previous cohort of 75 patients revealed that three of them had another MTNR1A variant, rs28383653 (a missense mutation), which is slightly more common in both the general population and Ashkenazi Jews, and is rarely homozygous. According to the UK Biobank repository, osteoporosis (any) was observed eight times more often in carriers of rs374152717, and four times more often in carriers of rs28383653, than in people without these variants.
Подробный анализ клинической истории, лабораторных анализов и минеральной плотности костей семьи ашкеназов и когорты женщин с идиопатическим остеопорозом показал, что rs374152717 ассоциируется с низкой плотностью костной ткани, переломами преимущественно мелких и средних костей конечностей, гиперкальциурией и почечными камнями, а rs28383653 — с множественными переломами позвонков, ребер, костей таза и конечностей при нормальном уровне кальция в моче и отсутствии камней.
Анализ мышиных и человеческих остеобластов показал, что экспрессия MTNR1A в них повышается во время остеогенной дифференцировки; фармакологическая стимуляция этих рецепторов повышала, а блокада — снижала выработку маркеров остеогенеза. Выяснив это, авторы работы с помощью системы CRISPR-Cas9 создали мышей с мутацией, аналогичной rs374152717 (затронутый ей участок донора сплайсинга эволюционно консервативен у мыши и человека) и скрещивали их с обычными животными для получения гетерозигот. У таких мышей уже в молодости (возрасте трех месяцев) наблюдались такие нарушения костной минерализации как сниженные удельный объем костей, скорость их формирования, уровень аппозиции минералов и количество остеобластов в трабекулярной области при повышенных плотности остеокластов и экскреции кальция с мочой. Кроме того, у них была снижена экспрессия маркеров остеогенеза при дифференцировке остеобластов и повышена — маркеров p53-зависимой сенесценции (старения) этих клеток.
Эксперименты с человеческими клеточными культурами, гетерозиготными по rs28383653, показали, что в них возможны три варианта сплайсинга MTNR1A: нормальный, кодирующий полноценный рецептор (2,1 тысячи пар оснований), и два урезанных (около 800 и 700 пар оснований), содержащих преждевременные стоп-кодоны. Это приводило к нарушению регуляции активируемых мелатонином сигнальных путей, в частности связанных с потенциалзависимыми кальциевыми каналами и киназами MAPK (ERK1/2). Результатом этого становилась остановка клеточного цикла, приводящая к клеточному старению (но не апоптозу) и накоплению сенесцентных клеток.
Таким образом, дисфункциональные варианты гена мелатонинового рецептора могут приводить к сенесценции остеобластов и, как следствие, нарушению формирования костной ткани, что лежит в основе развития по меньшей мере некоторых форм идиопатического остеопороза. В частности, вариант rs374152717 связан со значительно повышенным риском этого заболевания в популяции евреев-ашкеназов, заключают авторы работы.
Нарушения формирования костной ткани встречаются в практике не только современных врачей, но и палепатологов. Так, российские ученые, которые провели анализ останков мужчины из могильника пазырыкской культуры, пришли к выводу, что он страдал диффузным идиопатическим скелетным гиперостозом и крайне тяжелым остеопорозом.