《Journal of Biological Chemistry》：Geranylgeraniol promotes osteoblast differentiation and inhibits osteoclastogenesis through MAPK and nuclear receptor signaling
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：骨通过破骨细胞的分解代谢作用和成骨细胞的合成代谢作用协同调控。香叶基香叶醇（GGOH）是一种存在于植物油中的二萜醇，是甲羟戊酸途径的中间体。GGOH通过下调活化T细胞核因子胞浆1（NFATc1）的表达，抑制了由核因子κB受体活化因子配体（RANKL）诱导的抗
：骨通过破骨细胞的分解代谢作用和成骨细胞的合成代谢作用协同调控。香叶基香叶醇（GGOH）是一种存在于植物油中的二萜醇，是甲羟戊酸途径的中间体。GGOH通过下调活化T细胞核因子胞浆1（NFATc1）的表达，抑制了由核因子κB受体活化因子配体（RANKL）诱导的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）阳性多核破骨细胞的形成。在骨髓细胞中RANKL激活的丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）中，GGOH处理后c-Jun氨基末端激酶（JNK）的磷酸化被显著抑制。相反，GGOH刺激颅骨成骨细胞中的碱性磷酸酶（ALP）活性和矿化。GGOH增加了成骨细胞生物标志物（如I型胶原和ALP）以及成骨基因（如Msx2、Runx2和Smad）的表达。MAPK信号通路（JNK、p38、ERK）和NF-κB被GGOH增强。GGOH诱导的ALP表达被法尼醇X受体（FXR）拮抗剂抑制，而FXR激动剂则增加了成骨细胞中的ALP活性。相反，GGOH对破骨细胞中RANKL诱导的TRAP活性的抑制作用被肝X受体（LXR）和FXR拮抗剂减弱，而这些激动剂模拟了GGOH的作用。GGOH恢复了双膦酸盐抑制的成骨细胞分化。GGOH还在体外和体内对脂多糖（LPS）诱导的骨吸收显示出保护作用。此外，GGOH处理改善了卵巢切除小鼠的骨质流失。这些结果表明，GGOH是一种有效的促成骨和骨保护因子，至少通过核受体激活来促进成骨细胞分化并抑制破骨细胞分化。
研究背景、问题与目的
骨骼稳态由成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收之间的平衡维持。破骨细胞分化和骨吸收增加可导致骨质疏松症。目前的临床疗法存在一些副作用，因此，一种同时抑制破骨细胞以减少骨吸收、并刺激成骨细胞以促进骨形成的双靶点方法，对于治疗骨质流失疾病如骨质疏松症将构成更有效的治疗模式。成骨细胞和破骨细胞的分化分别受到复杂的信号网络和转录因子调控，其中核受体（NR）超家族转录因子起着关键作用。香叶基香叶醇（GGOH）是一种存在于植物油中的二萜醇，是甲羟戊酸途径的中间体，具有多种生物活性。本研究旨在探究GGOH对骨代谢的调控作用，特别是在成骨细胞和破骨细胞分化中的双重作用及其潜在分子机制，以评估其在炎症性骨质流失和骨质疏松症模型中的治疗潜力。
主要研究方法
研究人员利用小鼠骨髓来源的破骨细胞前体细胞和颅骨来源的成骨细胞前体细胞进行体外培养分化实验。通过TRAP（抗酒石酸酸性磷酸酶）活性/染色、ALP（碱性磷酸酶）活性/染色、Alizarin Red（茜素红）染色、钙吸收陷窝测定等方法评估细胞分化与功能。通过RT-qPCR（定量逆转录聚合酶链反应）和蛋白质印迹法分析基因和蛋白表达水平。通过蛋白质印迹法检测MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）和NF-κB等信号通路蛋白的磷酸化水平。通过核受体激动剂和拮抗剂进行药理学干预实验。通过颅骨成骨细胞与骨髓细胞的共培养体系研究细胞间相互作用。利用小鼠牙髓细胞验证GGOH的促成骨分化作用。建立小鼠体内LPS（脂多糖）诱导的颅骨骨吸收模型和卵巢切除（OVX）诱导的骨质疏松症模型，通过micro-CT（微计算机断层扫描）分析和组织染色评估GGOH的体内骨保护作用。统计学分析采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey's事后检验。
研究结果
1. 不同异戊烯醇对破骨细胞和成骨细胞分化的影响
研究表明，在几种异戊烯醇（香叶醇、法尼醇、GGOH）和甲萘醌-4（MK-4）中，GGOH（含4个异戊烯单元）在抑制RANKL（核因子κB受体活化因子配体）诱导的骨髓细胞TRAP活性的同时，显著增强颅骨成骨细胞的ALP活性，其双重效应最为突出。
2. GGOH抑制RANKL刺激的破骨细胞分化
GGOH以剂量依赖性方式抑制RANKL诱导的TRAP阳性多核破骨细胞形成、TRAP活性及骨吸收陷窝形成，且无细胞毒性。GGOH下调了RANKL诱导的破骨细胞关键转录因子c-Fos和Nfatc1及其下游基因Ctsk（组织蛋白酶K）和Dcstamp的mRNA和蛋白表达，并降低了Tnfrsf11a/Rank（RANKL受体）的表达和c-Src蛋白水平。
3. GGOH刺激成骨细胞分化
GGOH增强颅骨成骨细胞的ALP活性和矿化（钙沉积），但不影响细胞增殖。GGOH增加了成骨细胞转录因子Msx2、Smad1、Runx2以及生物标志物Col1a1（I型胶原α1）和Alpl（ALP）的mRNA表达，并增加了Runx2、I型胶原、磷酸化Smad1和总Smad1的蛋白水平。在颅骨成骨细胞与骨髓细胞的共培养中，GGOH同样抑制了1α,25(OH)2D3诱导的破骨细胞形成，并增加了ALP阳性细胞数量。GGOH还能促进小鼠牙髓细胞的成骨分化和矿化。此外，GGOH抑制了颅骨细胞在成骨培养基中形成油红O染色脂滴的成脂分化，并下调了Pparg（过氧化物酶体增殖物激活受体γ）的表达。
4. GGOH在破骨细胞中抑制JNK激活但在成骨细胞中不抑制
在破骨细胞分化过程中，GGOH特异性抑制了RANKL诱导的JNK磷酸化，但增强了ERK和NF-κB信号。相反，在成骨细胞分化中，GGOH增强了MAPKs（ERK、JNK、p38）、AKT和NF-κB通路的激活。
5. GGOH通过FXR和LXR抑制破骨细胞生成并增强成骨细胞生成
FXR拮抗剂（guggulsterone）显著减弱了GGOH对成骨细胞ALP活性的促进作用，而FXR激动剂（GW4064）能模拟GGOH的作用，增强ALP活性。LXR和FXR的拮抗剂可逆转GGOH对RANKL诱导的破骨细胞TRAP活性的抑制，而LXR激动剂（GW3965）和FXR激动剂（GW4064）均能模拟GGOH，抑制破骨细胞分化。此外，香叶基香叶基转移酶1抑制剂（GGTI-298）也部分抑制了GGOH对成骨细胞分化的促进作用。
6. GGOH预防双膦酸盐诱导的成骨细胞分化抑制
双膦酸盐类药物唑来膦酸（ZA）抑制了颅骨成骨细胞的ALP活性，而GGOH处理可恢复被ZA抑制的成骨细胞ALP活性。
7. GGOH在体外和体内抑制LPS诱导的破骨细胞形成和骨吸收
在成骨细胞与骨髓细胞的共培养体系中，GGOH完全抑制了LPS诱导的多核破骨细胞形成。在小鼠体内LPS诱导的颅骨骨吸收模型中，GGOH共处理显著减少了LPS诱导的TRAP阳性骨吸收陷窝数量，并通过micro-CT分析改善了LPS导致的骨量/组织体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨连接性（Euler数）下降，以及骨表面积/骨体积（BS/BV）和骨小梁分离度（Tb.Sp）的增加。
8. GGOH在骨质疏松模型小鼠中防止骨质流失
在卵巢切除（OVX）小鼠模型中，GGOH治疗改善了OVX导致的股骨远端骨小梁结构破坏。micro-CT分析显示，GGOH处理改善了OVX引起的BV/TV、骨表面积/组织体积（BS/TV）、骨小梁数量（Tb.N）和Tb.Th降低，以及BS/BV和Tb.Sp升高。
讨论总结与研究结论
讨论总结：本研究揭示了GGOH在骨代谢中的双重功能：抑制破骨细胞生成和促进成骨细胞分化。其分子机制可能涉及对JNK信号通路的差异性调控（在破骨细胞中抑制，在成骨细胞中增强）以及通过FXR和LXR等核受体的激活。GGOH还通过抑制成脂分化，可能有助于在间充质干细胞池中导向成骨分化。在病理模型中的应用表明，GGOH能够逆转双膦酸盐对成骨细胞的抑制，抵抗LPS诱导的炎症性骨吸收，并改善卵巢切除引起的骨质疏松，展现了其作为骨保护剂的治疗潜力。其作用可能部分通过蛋白质香叶基香叶基化实现。GGOH的结构（四个异戊烯单元和末端极性基团）对其活性至关重要。研究人员提出了GGOH在骨重塑中双重功能机制的模型：在破骨细胞中抑制JNK-c-Fos-NFATc1轴，在成骨细胞中激活MAPK-Smad1-Msx2/Runx2轴，并涉及FXR等核受体。
研究结论翻译：综上所述，GGOH具有抑制破骨细胞生成和促进成骨细胞分化的双重功能。GGOH对LPS诱导的炎症性骨质流失和OVX诱导的骨质疏松具有骨保护作用。因此，GGOH具有治疗骨质疏松症的潜力。
