骨源性骨钙素在骨骼-骨骼肌“对话”中对骨骼肌线粒体功能和成肌分化的作用及机制研究

Sarcopenia, an age-related disease, is characterized by age-related decline of skeletal muscle plus low muscle strength and/or physical performance. Despite the clinical significance of sarcopenia, the determined etiology and the standardized intervention programs are still lacking. Aging results in the progressive and parallel loss of bone (osteopenia) and skeletal muscle (sarcopenia). In the previous study, we proved that the skeletal muscle mass was closely related to the bone mineral density in healthy people. To identify new therapeutics to prevent the loss of muscle and bone with aging, it is critical to identify molecular and cellular interactions between these two tissues. Osteocalcin, one of the very few osteoblast-specific proteins, is newly confirmed of great importance for not only bone metabolism but also glucose and energy metabolism, and GPRC6A, as the biologically relevant receptor for Osteocalcin, is involved in muscle. In our preliminary experiment, Osteocalcin was confirmed to enhance mitochondrial respiratory function of muscle cells, and indicated as an important biological signal molecular in the bone-muscle“crosstalk”. Therefore, we further speculate that“osteogenic osteocalcin by binding to the GPRC6A receptor, affect skeletal muscle mitochondrial energy metabolism and regulate myogenic differentiation”. Our plans will prove the function and mechanism of osteogenic osteocalcin on skeletal muscle from the molecular, cellular and whole levels. This study will provide new research ideas and offer powerful experimental evidence for better treatment of sarcopenia.

肌少症是一种衰老相关的疾病，严重危害老年人健康。其病因未完全明确，目前仍缺乏有效治疗手段。课题组前期研究表明：健康人群的骨骼肌量与骨密度显著相关。骨骼和骨骼肌作为相邻的内分泌器官，二者的平衡发展和退化可能与骨骼-骨骼肌在细胞和分子水平的“对话”有关。新近的研究证实了成骨细胞分泌的骨钙素是一种调节能量代谢的重要激素，骨骼肌中有骨钙素受体GPRC6A表达。我们通过预实验发现，骨钙素能使小鼠成肌细胞线粒体呼吸功能增强，初步证实了骨源性骨钙素可能是参与骨骼-骨骼肌“对话”的重要生物信号分子。因此，我们进一步推测“骨源性骨钙素通过作用于GPRC6A受体，影响骨骼肌线粒体能量代谢并调控成肌分化”。我们拟从分子、细胞和整体不同层面探明骨源性骨钙素对骨骼肌线粒体功能和成肌分化的作用和相关机制，从而进一步阐明骨骼在肌少症发生发展中的潜在作用，为肌少症提供新的研究思路，也为临床防治肌少症提供前期实验研究基础。

骨骼肌减少症（Sarcopenia，肌少症）又称少肌症，是一种新的老年综合征，指增龄引起的骨骼肌质量下降，并伴有肌肉力量和/或肌肉功能下降。肌少症严重的威胁老年人的健康并带来沉重的社会经济负担。目前，肌少症的发病机制尚未完全明确，治疗主要是抗阻运动和营养补充，尚缺乏有效的药物治疗方案。由于我国人口老龄化速度远远超过世界老龄化速度，研究肌少症的发生发展机制和防治手段有利于维持老年人肌肉质量和肌力、提高生活质量和机体功能，有着巨大的社会意义和经济效益。.成骨细胞分泌的骨钙素（osteocalcin，OC）是一种非胶原骨蛋白，不仅可以维持骨矿化，又可以调节能量代谢，还可以对胰岛素、脂肪组织、雄激素等进行调节。未羧基化骨钙素（undercarboxylated osteocalcin, ucOC）是其活性形式。骨钙素是血糖代谢的重要激素，而骨骼肌是血糖代谢的重要器官，骨钙素在参与血糖调节的同时很可能直接或间接的影响骨骼肌的功能代谢。新近的一项动物实验结果表明，骨钙素基因缺失的老年小鼠骨骼肌量和肌力均较对照组明显减少。另有研究表明，神经肌肉间隙连接蛋白43（Cx43）缺失的小鼠表现为骨骼肌发育和功能的异常。而注射外源性ucOC后，小鼠的骨骼肌量与肌力均明显增强。提示ucOC很可能有维持小鼠骨骼肌量和肌力的作用。然而，骨钙素调控骨骼肌细胞的何种生理过程目前尚未完全明确。.GPRC6A是G蛋白偶联受体家族中的一员，目前被普遍认为是骨钙素的内源性受体，在胰腺、睾丸等器官中介导骨钙素的作用。GPRC6A在肌肉中也有丰富的表达，但尚无研究证实骨钙素在肌肉中是否通过GPRC6A起作用。.本研究揭示了外源性骨钙素与肌肉中GPRC6A受体的相互作用以及对小鼠成肌细胞增殖、分化等的影响。研究发现，外源性骨钙素与GPRC6A受体相互作用，通过顺序活动PI3K/Akt 和 P38 MAPK 信号通路，诱导C2C12成肌细胞增殖；此外，外源性骨钙素可通过活化GPRC6A-ERK 途径，增强C2C12成肌细胞分化。与年龄相关的肌少症与细胞增殖、分化、稳定性等分子机制的逐步退化相关。这一新的发现揭示了骨钙素在肌少症发生发展中的潜在作用，为肌少症提供新的研究思路，也为临床防治肌少症提供前期实验研究基础。