Amerykańscy naukowcy przeprowadzili analizę całego eksomu pacjentów, a także eksperymenty na hodowlach komórkowych i myszach, i doszli do wniosku, że mutacje w genie receptora melatoniny mogą powodować idiopatyczną osteoporozę. Ich raport został opublikowany w czasopiśmie „Science Translational Medicine”.
Osteoporoza idiopatyczna to rzadka postać choroby, która rozwija się w stosunkowo młodym wieku (zwykle przed 50. rokiem życia) bez widocznych przyczyn metabolicznych lub endokrynologicznych. Jej patogeneza jest w dużej mierze nieznana, ale istnieją przesłanki wskazujące na jej zmienność. U wielu pacjentów występuje również wywiad rodzinny, co sugeruje możliwe podłoże genetyczne choroby. Jednak badania przeprowadzone na 123 młodych pacjentach i 75 kobietach przed menopauzą nie wykazały potencjalnie patogennych wariantów genetycznych w większości przypadków.
W poszukiwaniu potencjalnych czynników genetycznych w rozwoju osteoporozy idiopatycznej, Stavroula Kousteni z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku wraz ze współpracownikami przeprowadził sekwencjonowanie całego eksomu genomowego DNA 10 członków rodziny Żydów aszkenazyjskich, z których troje cierpiało na tę chorobę. Znaleziono 86 wariantów pojedynczego nukleotydu, z czego 16 zaobserwowano u wszystkich pacjentów (59-letniego mężczyzny i jego synów w wieku 28 i 24 lat), a także u matki mężczyzny (83 lata), której wiek zachorowania na osteoporozę był nieznany. Piętnaście z nich to substytucje niesynonimiczne, a jedna to mutacja splicingowa (rs374152717) w genie MTNR1A (MTNR1Ac.184+1G>T), który koduje receptor melatoniny MT1, obecny tylko u czterech członków rodziny. Ponieważ wiadomo, że melatonina bierze udział w regulacji tworzenia i resorpcji kości, naukowcy skupili się na wariantach genu MTNR1A.
Analiza dostępnych baz danych genetycznych wykazała, że heterozygotyczny rs374152717 jest rzadki w populacji ogólnej, ale częstszy wśród Żydów aszkenazyjskich, podczas gdy homozygotyczny rs374152717 nie występuje wcale. Dodatkowa analiza danych z poprzedniej kohorty 75 pacjentów wykazała, że trzech z nich było nosicielami innego wariantu MTNR1A, rs28383653 (mutacja typu missense), który jest nieco częstszy zarówno w populacji ogólnej, jak i wśród Żydów aszkenazyjskich i rzadko jest homozygotyczny. Według repozytorium UK Biobank, osteoporoza (dowolnego typu) była osiem razy częstsza u nosicieli rs374152717 i cztery razy częstsza u nosicieli rs28383653 niż u osób bez tych wariantów.
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.
