Amerykańscy naukowcy przeprowadzili pełną analizę eksomu pacjentów, a także eksperymenty na hodowlach komórkowych i myszach i doszli do wniosku, że mutacje w genie receptora melatoniny mogą powodować idiopatyczną osteoporozę. Raport z pracy został opublikowany w czasopiśmie Science Translational Medicine.
Osteoporoza idiopatyczna jest rzadką postacią choroby, która rozwija się w stosunkowo młodym wieku (zwykle do 50 roku życia) bez widocznych przyczyn metabolicznych lub endokrynologicznych. Jej patogeneza jest na ogół nieznana, ale istnieją przesłanki, że może się różnić. Ponadto wielu pacjentów ma historię rodzinną, co wskazuje na możliwą genetyczną naturę choroby. Jednocześnie w badaniach 123 młodych pacjentów i 75 kobiet przed menopauzą w większości przypadków nie udało się wykryć potencjalnie patogennych wariantów genetycznych.
W poszukiwaniu potencjalnych czynników genetycznych w rozwoju idiopatycznej osteoporozy, Stavroula Kousteni z Columbia University w Nowym Jorku i współpracownicy przeprowadzili sekwencjonowanie pełnego eksomu genomowego DNA 10 członków rodziny Żydów aszkenazyjskich, z których trzech cierpiało na tę chorobę. Znaleźli 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 tego mężczyzny (83 lata), której wiek w momencie wystąpienia osteoporozy nie był znany. 15 z nich to substytucje niesynonimiczne, a jedna to mutacja splicingowa (rs374152717) genu MTNR1A (MTNR1Ac.184+1G>T), kodującego receptor melatoniny MT1, który był obecny tylko u czterech wymienionych członków rodziny. Ponieważ wiadomo, że melatonina bierze udział w regulacji tworzenia i resorpcji tkanki kostnej, naukowcy skupili się na wariantach genu MTNR1A.
Analiza dostępnych baz danych genetycznych wykazała, że heterozygotyczny rs374152717 występuje rzadko w populacji ogólnej, ale częściej u Żydów aszkenazyjskich, podczas gdy homozygotyczny nie występuje wcale. Dodatkowa analiza danych poprzedniej kohorty 75 pacjentów ujawniła u trzech z nich drugi wariant MTNR1A — rs28383653 (mutacja zmiany sensu), który występuje nieco częściej w populacji ogólnej i u Żydów aszkenazyjskich i rzadko jest homozygotyczny. Według repozytorium UK Biobank nosiciele rs374152717 mają osteoporozę (jakiejkolwiek) osiem razy, a rs28383653 cztery razy częściej niż osoby 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.