靶向IP6K2–RUNX2轴破坏成骨细胞-破骨细胞偶联以治疗骨质疏松症

主要作者与研究机构

本研究由南方科技大学医学院生物化学系、稳态医学研究所、深圳细胞微环境重点实验室及广东省代谢与健康高校重点实验室的曹惠玲（Huiling Cao）课题组完成。论文的共同第一作者为马桂醒（Guixing Ma）和陈勇（Yong Chen），其他作者包括程思源（Siyuan Cheng）、王芬（Fen Wang）、韩莹莹（Yingying Han）、陈立同（Litong Chen）、丁震（Zhen Ding）及李怡然（Yiran Li）。该研究发表于 *Nature Communications*，文章编号为17:8130（2026年），DOI为10.1038/s41467-026-75098-2。

研究背景

骨稳态的维持依赖于成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收之间的精密平衡。这一平衡的破坏会导致代谢性骨病，其中最具代表性的即骨质疏松症（osteoporosis，OP），其以骨量减少、骨骼完整性受损及骨折风险升高为主要特征。成骨细胞生成与破骨细胞生成是紧密偶联的过程，二者之间的分子串扰涉及多种传统上被认为仅属于某一细胞谱系的信号分子。例如，活化T细胞核因子胞浆1（NFATc1）虽被经典定义为破骨细胞分化的主调控因子，但在成骨细胞功能中也发挥重要作用；同样，激活转录因子4（ATF4）最初被鉴定为成骨细胞活性的关键转录因子，后来也被证实参与破骨细胞生成。这种调控因子的双重功能为骨质疏松症靶向治疗带来了巨大挑战——调控这些通路可能同时影响骨形成和骨吸收，使得安全且选择性的药物开发变得困难。

Runt相关转录因子2（RUNX2）是RUNX家族的关键成员，被广泛认为是成骨细胞分化的主调控因子。RUNX2全身敲除小鼠因成骨细胞分化失败而完全缺乏骨形成，导致围产期死亡。有趣的是，RUNX2−/−小鼠中破骨细胞分化也完全缺失，且人类RUNX2基因点突变与破骨细胞生成受损相关。然而，RUNX2在破骨细胞中的细胞内在作用此前研究甚少。这一知识空白可能源于RUNX2在成骨细胞生成与破骨细胞生成偶联中不可或缺的作用——在成骨细胞中，RUNX2调控多种对骨形成和骨吸收均至关重要的因子的表达，包括SP7（Osterix）、骨钙素（OCN）、硬化蛋白（SOST）、RANKL及骨保护素（OPG）。本研究旨在探究RUNX2在破骨细胞分化与功能中的作用，考察其是否直接调控破骨细胞生成，并探索通过选择性抑制RUNX2的促破骨细胞生成功能来规避其双重角色限制的治疗策略。

研究流程与实验设计

研究首先通过公共批量及单细胞转录组数据集分析了Runx2在组织与细胞类型中的表达谱。在人类组织中，Runx2在造血干细胞及其免疫细胞衍生物（包括单核细胞，即破骨细胞前体）中表达最高，而在富含成骨细胞谱系的骨组织中表达显著较低。人类单细胞转录组数据进一步显示，Runx2在成纤维细胞或间充质细胞中的表达约为单核细胞和树突状细胞的一半；小鼠单细胞数据集中，Runx2在骨髓驻留巨噬细胞中富集最为显著。这一发现提示Runx2在破骨细胞前体中存在此前未被重视的富集。

随后，研究通过定量实时PCR（RT-qPCR）、蛋白质印迹（WB）和免疫荧光（IF）染色证实，在重组人RANKL（rhRANKL）诱导的破骨细胞生成过程中，Runx2的mRNA和蛋白水平以及NFATc1、CTSK等关键破骨细胞分化标志物均显著上调。使用选择性RUNX2抑制剂CADD52245处理可显著抑制破骨细胞分化，表现为NFATc1和CTSK在转录和蛋白水平的表达降低。为明确RUNX2在破骨细胞分化中的细胞内在功能，研究构建了在破骨细胞前体中条件性敲除Runx2的小鼠模型（Lyz2-Cre; Runx2fl/fl，简称Runx2LKO），并以Cre阴性的Runx2fl/fl同窝小鼠作为对照。对3月龄小鼠股骨远端和第4腰椎进行微型计算机断层扫描（μCT）分析，结果显示Runx2LKO小鼠的骨量在雌雄两性中均显著高于对照组，三点弯曲试验表明Runx2缺失显著增强了长骨的力学性能。

在机制研究中，研究对Runx2LKO小鼠进行了抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色和血清I型胶原C端肽（CTX-1）ELISA检测，证实破骨细胞分化和骨吸收活性受损。体外破骨细胞生成实验显示Runx2LKO来源的原代骨髓单核细胞（BMMs）分化能力显著降低。通过shRNA敲低野生型BMMs中的Runx2，NFATc1和CTSK的表达在mRNA和蛋白水平均大幅下调，但不影响早期分化标志物CSF1R、增殖标志物Ki67/PCNA或凋亡标志物BAX的表达，表明Runx2缺乏主要损害晚期破骨细胞分化和骨吸收功能。通过Harmonizome、Gene Ontology（GO）与GTRD数据库的交叉分析，CTSK被鉴定为唯一在所有数据集中共享的Runx2靶基因。启动子分析在人、黑猩猩、大鼠和小鼠的CTSK转录起始位点上游约1 kb内发现了两个串联的Runx2结合基序。双荧光素酶报告实验证实，Runx2过表达可增加CTSK启动子活性，而结合基序突变则完全消除了Runx2的调控作用，证明CTSK是Runx2的直接转录靶标。

为探究Runx2在成熟破骨细胞中的功能，研究利用Ctsk-Cre构建了在成熟破骨细胞中敲除Runx2的小鼠（Ctsk-Cre; Runx2fl/fl，简称Runx2CKO）。由于CTSK也在骨膜干细胞（PSCs）中表达，Runx2CKO小鼠表现出皮质骨厚度显著下降，同时骨小梁骨量增加。钙黄绿素双标记显示皮质骨形成率降低，PSCs的成骨分化能力受损。

为寻找能够选择性调控Runx2破骨细胞功能而不影响成骨细胞功能的靶点，研究对Runx2敲低后的BMMs进行了转录组分析，并与ChEMBL数据库中的药物靶点基因进行交叉比对，鉴定出IP6K2为候选基因。Runx2敲低导致IP6K2表达显著上调，而IP6K2敲低则降低Runx2和CTSK的蛋白水平及CTSK的mRNA表达，但不影响Runx2的mRNA水平。免疫荧光显示IP6K2与Runx2共定位，共免疫沉淀实验证实二者存在物理相互作用。AlphaFold结构建模预测IP6K2可能通过与Runx2相互作用增强其DNA结合能力。研究构建了破骨细胞前体中条件性敲除Ip6k2的小鼠（Lyz2-Cre; Ip6k2fl/fl，简称Ip6k2LKO），以及Runx2/Ip6k2双敲除小鼠。μCT分析显示单独敲除Runx2或Ip6k2或双敲除均可导致相当程度的骨量增加，无叠加效应，表明二者在同一线性信号通路中发挥作用。

为评估IP6K2的治疗潜力，研究采用了卵巢切除（OVX）诱导的骨质疏松模型和18月龄老年小鼠模型，并使用IP6K2抑制剂UNC7467进行药理学干预。老年小鼠每日腹腔注射UNC7467（5 mg/kg）持续6周后，骨小梁骨量增加约50%，破骨细胞活性显著降低，而成骨细胞活性未受影响。

主要研究结果

研究首先证明了Runx2在破骨细胞谱系细胞中高表达且对破骨细胞分化至关重要。Lyz2-Cre驱动的Runx2条件性敲除导致骨量系统性增加，破骨细胞分化和骨吸收功能受损，且在脂多糖（LPS）诱导的急性炎症性骨丢失模型中，Runx2LKO小鼠表现出显著减弱的骨丢失反应。机制上，Runx2通过直接结合CTSK启动子中保守的结合基序激活其转录，从而驱动破骨细胞分化。Ctsk-Cre驱动的Runx2敲除则揭示了Runx2在成熟破骨细胞和骨膜干细胞中的双重作用——破骨细胞功能受损的同时皮质骨形成也减少，表明Runx2通过同时调控成骨细胞和破骨细胞的分化来协调二者的偶联。

IP6K2被鉴定为与Runx2相互作用的蛋白，其表达在破骨细胞谱系中相对于成骨细胞谱系显著富集。IP6K2的功能完全依赖于Runx2——IP6K2敲低可被Runx2过表达完全挽救，而Runx2敲低则不能被IP6K2过表达恢复。双荧光素酶实验证实IP6K2以Runx2依赖的方式促进CTSK启动子活性。Ip6k2条件性敲除小鼠表现出与Runx2缺失相似的表型——骨小梁骨量增加、破骨细胞活性降低，但皮质骨厚度和成骨细胞功能不受影响。体内双敲除实验进一步证实二者无叠加效应。药理学抑制IP6K2在老年小鼠中同样有效，UNC7467处理增加骨量、抑制破骨细胞活性而不损害成骨细胞功能，且未观察到明显的肾毒性或全身毒性。

结论与研究意义

本研究证明了RUNX2和IP6K2在促进破骨细胞分化中的关键内在作用，并鉴定了IP6K2–RUNX2–CTSK信号轴作为骨质疏松症治疗的潜在靶点。RUNX2的双重角色——同时促进成骨细胞和破骨细胞分化——使其作为治疗靶点面临根本性挑战。而IP6K2作为RUNX2的相互作用蛋白，在破骨细胞中特异性增强RUNX2依赖的CTSK转录，其抑制可以选择性地抑制骨吸收而不影响骨形成。这一策略解耦了骨吸收与骨形成，为骨质疏松症提供了一种成骨细胞保留（osteoblast-sparing）的治疗思路。该研究不仅在基础层面拓展了对RUNX2在骨生物学中多层面功能的认识，解释了Runx2缺陷小鼠中破骨细胞生成受损的机制，也为跨越传统“不可成药”靶点的限制提供了范例——通过更深层次的机制解析，可以找到选择性干预的切入点。

研究亮点

本研究的核心亮点在于：首先，揭示了RUNX2作为转录因子直接调控CTSK转录的细胞内在机制，填补了RUNX2在破骨细胞中功能认识的重要空白；其次，通过转录组学与药物靶点数据库的交叉分析，鉴定出IP6K2作为RUNX2的谱系特异性调控因子，实现了对RUNX2双重功能的“解耦”；第三，通过构建多种条件性敲除和双敲除小鼠模型，在体内外系统验证了IP6K2–RUNX2–CTSK信号轴的线性关系及其治疗潜力；第四，药理学实验证实IP6K2抑制剂UNC7467在老年性骨质疏松模型中有效且安全，为临床转化提供了概念验证。此外，研究观察到IP6K2–RUNX2信号轴的功能存在性别差异——雄性小鼠的反应显著强于雌性，这一发现提示性激素可能参与调控该通路，为未来研究方向提供了重要线索。