Amerykańscy naukowcy przeprowadzili analizę całego eksomu pacjentów oraz eksperymenty na hodowlach komórkowych i myszach i doszli do wniosku, że mutacje w genie receptora melatoniny mogą być przyczyną idiopatycznej osteoporozy. Sprawozdanie z badań opublikowano w czasopiśmie Science Translational Medicine.
Osteoporoza idiopatyczna to rzadka postać choroby, która rozwija się w stosunkowo młodym wieku (zazwyczaj przed 50. rokiem życia) bez widocznych przyczyn metabolicznych lub endokrynologicznych. Patogeneza tego schorzenia jest w dużej mierze nieznana, istnieją jednak dowody na to, że może być zmienna. U wielu pacjentów występują również przypadki rodzinne, które wskazują na możliwe podłoże genetyczne choroby. Jednakże w badaniach przeprowadzonych z udziałem 123 młodych pacjentów i 75 kobiet przed menopauzą, w większości przypadków nie wykryto potencjalnie patogennych wariantów genetycznych.
W poszukiwaniu potencjalnych czynników genetycznych sprzyjających rozwojowi osteoporozy idiopatycznej Stavroula Kousteni z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku wraz ze współpracownikami przeprowadziła 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 stwierdzono u wszystkich pacjentów (59-letniego mężczyzny i jego synów w wieku 28 i 24 lat), a także u matki mężczyzny (83 lata), u której nie wiadomo, w jakim wieku wystąpiła osteoporoza. 15 z nich to substytucje niesynonimiczne, a jedna była mutacją splicingową (rs374152717) genu MTNR1A (MTNR1Ac.184+1G>T), kodującego receptor melatoniny MT1, występującą tylko u czterech z wymienionych 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 heterozygotyczna gen rs374152717 jest rzadka w populacji ogólnej, ale częstsza u Żydów aszkenazyjskich, natomiast homozygotyczna gen rs374152717 nie występuje wcale. Dodatkowa analiza danych z poprzedniej kohorty 75 pacjentów ujawniła u trzech z nich kolejny wariant MTNR1A – rs28383653 (mutacja zmiany sensu), który jest nieco powszechniejszy zarówno w populacji ogólnej, jak i wśród Żydów aszkenazyjskich, a czasami jest homozygotyczny. Według danych UK Biobank, nosiciele rs374152717 chorowali na osteoporozę (jakąkolwiek) osiem razy częściej, a nosiciele 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.