LRP3基因敲除小鼠在膽固醇代謝異常導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎機(jī)制研究中的應(yīng)用

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種常見的關(guān)節(jié)疾病，臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)受限和關(guān)節(jié)畸形等，嚴(yán)重影響患者的工作能力和生活質(zhì)量。盡管這種疾病的發(fā)病率高，但其病因仍不清楚。之前的一些研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎與一些患者的高膽固醇水平有關(guān)，表明很可能存在一種代謝性骨關(guān)節(jié)炎表型。不過(guò)，膽固醇代謝及其相關(guān)基因如何參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制，目前還知之甚少。

近日，北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科敖英芳教授和胡曉青研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)深入探索了膽固醇代謝異常導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制。這項(xiàng)研究成果于2022年11月21日發(fā)表在《Nature Communications》雜志上，有助于開發(fā)治療骨關(guān)節(jié)炎的新型療法。
 

圖片來(lái)源：《Nature Communications》

研究材料與方法
在這項(xiàng)研究中，研究人員收集了多例骨關(guān)節(jié)炎患者的組織樣本，并使用了前交叉韌帶切斷術(shù)（ACLT）誘導(dǎo)的鼠類骨關(guān)節(jié)炎模型。在研究LRP3的功能時(shí)，他們使用了敲低和過(guò)表達(dá)LRP3的慢病毒載體，以及LRP3基因敲除小鼠（由賽業(yè)生物提供，產(chǎn)品編號(hào)：S-KO-10153）。他們還通過(guò)番紅O和甲苯胺藍(lán)染色來(lái)觀察軟骨形態(tài)，并通過(guò)IHC染色和免疫印跡分析來(lái)研究相關(guān)基因的表達(dá)。

技術(shù)路線
01 探索高膽固醇與骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變的關(guān)系
02 發(fā)現(xiàn)膽固醇代謝相關(guān)基因LRP3的表達(dá)在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展過(guò)程中下降
03 通過(guò)基因敲除和過(guò)表達(dá)分析確定LRP3在骨關(guān)節(jié)炎中的功能
04 通過(guò)RNA測(cè)序和通路分析確定LRP3的下游分子靶點(diǎn)

研究結(jié)果
1.LRP3的表達(dá)在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展過(guò)程中下降
研究人員首先收集了100例接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）的骨關(guān)節(jié)炎患者及91例非骨關(guān)節(jié)炎患者的臨床數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎患者的總膽固醇（TC）和低密度脂蛋白（LDL）明顯更高，表明高脂血癥與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展之間可能存在關(guān)聯(lián)。此外，與常規(guī)飲食相比，高膽固醇飲食會(huì)誘導(dǎo)小鼠模型發(fā)生更嚴(yán)重的軟骨退變。

接下來(lái)，研究人員對(duì)兩種飲食喂養(yǎng)的小鼠的RNA測(cè)序結(jié)果進(jìn)行了全面篩選，發(fā)現(xiàn)LDL受體相關(guān)蛋白（LRP）家族的表達(dá)發(fā)生了顯著變化（圖1）。LRP家族是一組進(jìn)化上保守的細(xì)胞表面受體，參與了膽固醇代謝的調(diào)節(jié)。具體來(lái)說(shuō)，作為L(zhǎng)RP家族中變化最明顯的成員，在外源性膽固醇刺激后，LRP3在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)（mRNA和蛋白質(zhì)水平）均顯著下降，當(dāng)炎癥因子與膽固醇共同作用時(shí)，變化趨勢(shì)更加明顯。
 

高膽固醇導(dǎo)致LRP3在軟骨中的表達(dá)下調(diào)^[1]

為了進(jìn)一步闡明LRP3的表達(dá)與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系，研究人員收集了5例骨關(guān)節(jié)炎患者和5例外傷對(duì)照患者的軟骨組織，發(fā)現(xiàn)LRP3蛋白在骨關(guān)節(jié)炎軟骨中下調(diào)。在前交叉韌帶切斷術(shù)（ACLT）誘導(dǎo)的大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中，軟骨的LRP3表達(dá)也顯著降低。此外在衰老誘導(dǎo)的小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中也觀察到類似的結(jié)果。這些結(jié)果證實(shí)了在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展過(guò)程中，LRP3在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)下降。

2.LRP3正向調(diào)節(jié)了軟骨細(xì)胞ECM的代謝
之后，研究人員構(gòu)建了LRP3敲低和過(guò)表達(dá)的慢病毒載體，以便鑒定LRP3在骨關(guān)節(jié)炎中的生物學(xué)功能。他們發(fā)現(xiàn)，LRP3敲低導(dǎo)致正常大鼠軟骨細(xì)胞中的合成代謝基因（Col2a1、Acan和Sox9）表達(dá)下降，相應(yīng)蛋白的表達(dá)也隨之降低。此外，LRP3敲低還誘導(dǎo)了軟骨細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的分解代謝（圖2）。LRP3的過(guò)表達(dá)則逆轉(zhuǎn)了這些影響。這些結(jié)果表明，LRP3正向調(diào)節(jié)了軟骨細(xì)胞ECM的代謝。

利用賽業(yè)生物構(gòu)建的LRP3基因敲除小鼠（Lrp3^−/−小鼠，產(chǎn)品編號(hào)：S-KO-10153），他們進(jìn)一步確定了LRP3在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用。與野生型對(duì)照相比，Lrp3^−/−小鼠在第4周和第8周表現(xiàn)出更嚴(yán)重的ACLT誘導(dǎo)的軟骨退變（圖2）。Micro-CT 3D重建圖像顯示Lrp3^−/−小鼠的異位骨贅顯著增加，關(guān)節(jié)表面也變得更粗糙。同時(shí)，自然衰老的Lrp3^−/−小鼠也表現(xiàn)出更嚴(yán)重的骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。總的來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果表明LRP3的缺乏加速了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。
 

LRP3正向調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞ECM的代謝^[1]
 

膽固醇-LRP3-SDC4通路在骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變中的作用^[1]

總的來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)高膽固醇抑制了LRP3在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)，引發(fā)軟骨ECM代謝的失衡，并導(dǎo)致軟骨退變的發(fā)展。其中，SDC4作為L(zhǎng)RP3的下游分子靶點(diǎn)，參與調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞ECM的降解（圖3）。LRP3的過(guò)表達(dá)可以有效延緩骨關(guān)節(jié)炎的軟骨退變。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了膽固醇-LRP3-SDC4通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供了新的潛在靶點(diǎn)。

原文檢索：
[1] Cao, C., Shi, Y., Zhang, X. et al. Cholesterol-induced LRP3 downregulation promotes cartilage degeneration in osteoarthritis by targeting Syndecan-4. Nat Commun 13, 7139 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34830-4
 

LRP3 KO小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Lrp3^em1C/Cya

品系編號(hào)：
KOCMP-435965-Lrp3-B6N-VA

產(chǎn)品編號(hào)：
S-KO-10153

應(yīng)用方向：
生殖系統(tǒng),內(nèi)/外分泌腺,內(nèi)穩(wěn)態(tài)/代謝,細(xì)胞分化,死亡/衰老,生理系統(tǒng),代謝研究,發(fā)育生物學(xué)

打靶方案：

LRP3 flox小鼠

品系名稱：
C57BL/6J-Lrp3^em1Cflox/Cya

品系編號(hào)：
CKOCMP-435965-Lrp3-B6J-VA

產(chǎn)品編號(hào)：
S-CKO-11327

應(yīng)用方向：
生殖系統(tǒng),內(nèi)/外分泌腺,內(nèi)穩(wěn)態(tài)/代謝,細(xì)胞分化,死亡/衰老,生理系統(tǒng),代謝研究,發(fā)育生物學(xué)

打靶方案：