基于生物信息學(xué)探討骨質(zhì)疏松與脂代謝疾病的關(guān)系

張方晴 吳嘉朔 阮豪南 薛昊天 王鏡勛 石鉞

骨質(zhì)疏松 ( osteoporosis，OP ) 是一種常見的以骨量減少，骨微觀結(jié)構(gòu)退化為特征的骨代謝失衡疾病，根據(jù)病因可分為原發(fā)性和繼發(fā)性[1-2]。在 21 世紀(jì)，OP 已經(jīng)成為世界五大疾病之一，全球 OP 患者人數(shù)已超出 2 億，由 OP 導(dǎo)致骨折的患者在 160 萬以上。在 60～70 歲階段，約 1 / 3 的女性和 1 / 5 的男性患有該疾病。隨著全球人口老齡化的加劇，OP 已成為日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[3-4]。目前研究表明，肥胖 ( obesity，OB )、糖尿病 ( diabetes，DM )、多發(fā)性硬化癥和心肺功能障礙等多種疾病的發(fā)生容易增加 OP 的患病風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加骨折發(fā)生的概率[5]。

脂質(zhì)是細(xì)胞的重要組成部分之一，在機(jī)體的信號傳遞、能量儲(chǔ)存和細(xì)胞膜形成等過程中起到關(guān)鍵作用[6]。當(dāng)脂肪酸的合成與分解失衡時(shí)，會(huì)引發(fā)脂質(zhì)代謝紊亂，過量的脂質(zhì)累積會(huì)導(dǎo)致包括心臟、大腦、骨骼在內(nèi)的多種組織的細(xì)胞發(fā)生功能障礙或死亡[7]。最常見的脂代謝紊亂疾病包括 OB、非酒精性脂肪肝 ( non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD )、動(dòng)脈粥樣硬化 ( atherosclerosis，AS ) 和 DM 等。而目前研究表明，脂代謝功能與骨穩(wěn)態(tài)的維持關(guān)系密切。一方面，過量的脂肪累積會(huì)造成低骨量和高骨折率，即過度 OB 不利于骨穩(wěn)態(tài)的維持和骨骼健康[8]。脂肪酸對骨量的形成具有直接和間接的影響，脂肪酸可直接作為膜結(jié)合受體或核結(jié)合的相關(guān)受體影響骨代謝，同時(shí)也可間接影響骨骼肌、肝臟、腎臟等組織相關(guān)細(xì)胞中的脂質(zhì)含量來調(diào)節(jié)骨量。同時(shí)，過量脂肪酸累積可通過氧化應(yīng)激或刺激免疫炎癥誘導(dǎo)骨代謝失衡[9]。另一方面，經(jīng)證實(shí)，骨骼的穩(wěn)態(tài)能夠調(diào)節(jié)“胰島素 ( insulin，INS ) / 葡萄糖”軸，從而改善機(jī)體的能量代謝[10]。能量代謝和骨代謝可以由相同的激素調(diào)節(jié)，如瘦素 ( leptin，LEP ) 和催產(chǎn)素可在增加能量消耗和脂類分解的同時(shí)作用于成骨細(xì)胞，從而促進(jìn)肌肉和骨骼形成，增加絕經(jīng)后 OP 患者的骨密度[11-12]。上述研究表明，OP 與脂質(zhì)代謝之間聯(lián)系緊密復(fù)雜，且二者能夠相互影響。然而，OP 與脂代謝紊亂疾病之間的關(guān)系尚未完全闡明，臨床上仍缺乏治療 OP 與脂代謝疾病共病的藥物。

基于此，本研究選取了 OB、NAFLD、AS、DM 四種常見的脂代謝紊亂疾病，通過疾病數(shù)據(jù)庫對 OP、OB、NAFLD、AS、DM 五種疾病的靶點(diǎn)進(jìn)行檢索，篩選出疾病的交集靶點(diǎn)，構(gòu)建蛋白 - 蛋白互作網(wǎng)絡(luò) ( protein-protein interaction，PPI )，進(jìn)行基因本體論 ( gene ontology，GO ) 和京都基因與基因組百科全書 ( kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG ) 生物富集分析。同時(shí)構(gòu)建“靶點(diǎn) - 藥物 - 轉(zhuǎn)錄因子 ( transcription factors，TFs ) - 微小核糖核酸( microRNAs，miRNAs )”的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以闡明 OP和脂代謝疾病潛在的基因調(diào)控途徑，為揭示二者的潛在關(guān)系提供參考，并為臨床上治療 OP 與脂代謝疾病共病的藥物的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

材料與方法

一、疾病靶點(diǎn)的獲取

以“Osteoporosis”“Nonalcoholic fatty liver disease”“Atherosclerosis”“Obesity”和“Diabetes”為關(guān)鍵詞，分別在 GeneCards 數(shù)據(jù)庫、在線孟德爾遺傳 ( Online Mendelian Inheritance in Man，OMIM ) 數(shù)據(jù)庫、Drugbank 數(shù)據(jù)庫、藥物靶點(diǎn)( therapeutic target database，TTD ) 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索( 表 1 )。進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗后，獲得 OP、OB、NAFLD、DM 和 AS 的疾病靶點(diǎn)。利用 Venny 2.1 軟件篩選靶點(diǎn)間的交集，以獲得不同疾病間的共同靶點(diǎn)，并利用聯(lián)川生物云平臺(tái)進(jìn)行可視化。所有的靶點(diǎn)均經(jīng)過Uniprot 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歸一化處理。

二、PPI 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與關(guān)鍵基因的篩選

PPI 可以闡釋蛋白與蛋白彼此間的相互作用，以了解蛋白之間的功能聯(lián)系。在基因 / 蛋白相互作用檢索搜查工具 ( search tool for the retrieval of interacting genes / proteins，STRING ) 11.0 數(shù)據(jù)庫平臺(tái)上導(dǎo)入69 個(gè)交集靶點(diǎn)。物種選擇“Homo sapiens”，互作評分閾值設(shè)置為 0.4，其它篩選條件為系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。導(dǎo)出“TSV”文件后利用 Cytoscape 3.7.2 軟件進(jìn)行可視化，并利用軟件內(nèi)置工具“Network analyzer”計(jì)算不同靶點(diǎn)的 Degree 值和緊密程度。Degree 值，即度值，表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)，也等于其相連節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可用于衡量某一節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的重要性。按照 Degree 值和緊密程度對交集靶點(diǎn)進(jìn)行可視化處理。選取 Degree 值排名前 10 的交集靶點(diǎn)作為核心靶點(diǎn)。

表1 在線數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)Tab.1 The online database and analytical platforms used in this study

三、生物富集分析

采用 Metascape 平臺(tái)進(jìn)行 GO 和 KEGG 富集分析( 表 1 )，以明確 69 個(gè)交集靶點(diǎn)富集的相關(guān)的信號通路和生物過程，并通過 GeneRatio 和Q-value值 ( 即調(diào)整后的P值 ) 評價(jià)富集水平。其中富集分析通過 R 語言對前 30 條通路進(jìn)行可視化處理。GO 分析包括對交集靶點(diǎn)的生物功能 ( biological process，BP )、細(xì)胞組分 ( cellular component，CC ) 和分子功能 ( molecular function，MF ) 的富集分析。以Q-value值進(jìn)行排序，取各分類下排名前 10 的條目進(jìn)行可視化處理。為了便于閱讀，GO、KEGG 的Q-value值均以 - Log10(Q-value) 進(jìn)行氣泡圖繪制及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示。

四、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建立

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建立可以進(jìn)一步探討 OP 與脂代謝疾病的潛在作用關(guān)系。采用 miRTarBase 數(shù)據(jù)庫、DNA 元件百科全書 ( encyclopedia of DNA elements，ENCODE ) 數(shù)據(jù)庫和比較毒理基因組學(xué) ( comparative toxicogenomics database，CTD ) 數(shù)據(jù)庫篩選與交集靶點(diǎn)相關(guān)的 miRNAs、TFs 和藥物。此外，采用NetworkAnalyst 平臺(tái)對基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng) Cytoscape 軟件評估網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)并進(jìn)行可視化處理。采用 Degree 值表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)以衡量某一節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的重要性，根據(jù) Degree 值進(jìn)行篩選，隨后建立“靶基因 -藥物 - 轉(zhuǎn)錄因子 - miRNAs”網(wǎng)絡(luò)。

結(jié) 果

一、OP 與四種脂代謝疾病的交集靶點(diǎn)

經(jīng)過數(shù)據(jù)庫篩選和歸一化處理，共收集 OP 相關(guān)靶點(diǎn) 841 個(gè)，OB 相關(guān)靶點(diǎn) 717 個(gè)，AS 相關(guān)靶點(diǎn) 696 個(gè)，DM 相關(guān)靶點(diǎn) 691 個(gè)，NAFLD 相關(guān)靶點(diǎn)1142 個(gè)。其中 OP 與 OB 共有交集靶點(diǎn) 177 個(gè)，OP與 AS 共有交集靶點(diǎn) 184 個(gè)，OP 與 DM 共有交集靶點(diǎn) 162 個(gè)，OP 與 NAFLD 共有交集靶點(diǎn) 194 個(gè)。共有 69 個(gè)靶點(diǎn)在五種疾病中均存在，為其共同交集靶點(diǎn) ( 圖 1，表 2 )。

圖1 OP / OB / AS / DM / NAFLD 的交集靶點(diǎn) Venn 圖Fig.1 The Venn diagram of OP / OB / AS / DM / NAFLD targets

表2 數(shù)據(jù)集的交集靶點(diǎn)Tab.2 The overlapped targets of different datasets

二、PPI 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和核心基因的篩選

通過 STRING 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的 PPI 網(wǎng)絡(luò)圖共包含68 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 2148 條邊 ( 有 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)未與其它節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相互作用，故省去 )。按照 Degree 值篩選核心靶點(diǎn)，前十位靶點(diǎn)包括血清白蛋白 ( serum albumin，ALB )、INS、白細(xì)胞介素 6 ( interleukin-6，IL-6 )、腫瘤壞死因子 ( tumor necrosis factor，TNF )、C-反應(yīng)蛋白 ( C-reactive protein，CRP )、LEP、RAC-α 絲氨酸 / 蘇氨酸 - 蛋白激酶 ( RAC-alpha serine / threonineprotein kinase，AKT1 )、過氧化物酶體增殖物活化受體 γ ( peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARG )、胰島素樣生長因子 1 ( insulin-like growth factor 1，IGF1 ) 和脂聯(lián)素 ( adiponectin，ADIPOQ ) ( 圖 2 )。

圖2 交集靶點(diǎn)的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖 ( 節(jié)點(diǎn)顏色越深，直徑越大，代表該節(jié)點(diǎn) Degree 值越高；中間圓代表核心靶點(diǎn) )Fig.2 The protein-protein interaction network of all overlapped targets ( The deeper color and larger diameter of nodes represented the higher “Degree” values; The nodes in the center represented the core targets )

三、GO、KEGG 生物富集分析

經(jīng)過 STRING 數(shù)據(jù)庫分析，共得到 1287 條GO-BP 富集結(jié)果 (P＜ 0.05 )，34 條 GO-CC 富集結(jié)果 (P＜ 0.05 )，51 條 GO-MF 富集結(jié)果 (P＜ 0.05 ) 和136 條 KEGG 信號通路 (P＜ 0.05 )。GO 富集結(jié)果顯示，OP 和脂代謝疾病的交集靶點(diǎn)主要與平滑肌細(xì)胞增殖、炎癥應(yīng)答、蛋白質(zhì)磷酸化、肽反應(yīng)和細(xì)胞增殖等生物過程有關(guān)；與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、囊泡腔和血小板 α 顆粒等細(xì)胞組分有關(guān)；與受體配體活性、信號受體激活與調(diào)控、細(xì)胞因子活性和細(xì)胞因子受體結(jié)合等分子功能有關(guān) ( 圖 3，表 3 )。KEGG 富集結(jié)果顯示，交集靶點(diǎn)廣泛富集在 AMP 依賴的蛋白激酶[ adenosine 5’-monophosphate ( AMP )-activated protein kinase，AMPK ]、低氧誘導(dǎo)因子 1 ( hypoxia inducible factor 1，HIF-1 )、Apelin、過氧化物酶體增殖物活化受體 ( peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator，PPAR ) 和細(xì)胞衰老等信號通路 ( 圖 4，表 4 )。此外，根據(jù) KEGG 富集分析結(jié)果繪制的“交集靶點(diǎn) - 通路”網(wǎng)絡(luò)如圖 5 所示。結(jié)果顯示，AKT1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子 ( signal transducer and activator of transcription 3，STAT3 )、轉(zhuǎn)化生長因子 β1 ( transforming growth factor beta-1 proprotein，TGFB1 )、IGF1、基質(zhì)金屬蛋白酶 9 ( matrix metalloproteinase-9，MMP9 )、IL-6等靶基因 Degree 值較高，并富集在多條相關(guān)通路上，提示其在 OP 和脂代謝疾病中的關(guān)鍵作用。多數(shù)交集靶點(diǎn)富集于 AMPK 等信號通路、脂質(zhì)與粥樣硬化和癌癥相關(guān)通路上，提示其可能為解決 OP 及脂代謝疾病的關(guān)鍵通路。

圖3 GO 富集分析結(jié)果氣泡圖Fig.3 The bubble chart of the results of GO enrichment analysis

圖4 KEGG 富集分析結(jié)果氣泡圖Fig.4 The bubble chart of the results of KEGG enrichment analysis

圖5 交集靶點(diǎn) - 信號通路網(wǎng)絡(luò)Fig.5 The overlapped targets-singling pathway network

表3 GO 通路下所含的靶基因 ( 前 30 條 )Tab.3 Target genes contained in GO pathway ( first 30 )

表4 KEGG 通路下所含的靶基因 ( 前 10 條 )Tab.4 Target genes contained in KEGG pathway ( first 10 )

四、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

經(jīng) Cytoscape 可視化后，得到的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)如圖 6 所示。其中三角形代表轉(zhuǎn)錄因子，“V”字型代表 miRNAs，菱形代表藥物，圓形代表靶基因。節(jié)點(diǎn)大小按拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)“Degree”值大小進(jìn)行排列。

圖6 “靶點(diǎn) - 藥物 - 轉(zhuǎn)錄因子 - microRNAs”基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.6 The“targets-drug-TFs-miRNAs” gene regulatory network

在 69 個(gè)交集靶點(diǎn)中，線粒體超氧化物歧化酶( superoxide dismutase 2，SOD2 )、血管內(nèi)皮生長因子 ( vascular endothelial growth factor A，VEGFA )、腫瘤蛋白 P53 ( cellular tumor antigen p53，TP53 )、磷酸酶張力蛋白同源物 ( phosphatase and tensin homolog，PTEN ) 和 IGF1 的 Degree 值較高，提示其在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。在 10 個(gè)相關(guān)候選藥物中，CRX-139、Glucosamine、ApreMilast、AV-411 的Degree 值較高，提示其可能為治療與預(yù)防 OP 和脂代謝疾病共病的關(guān)鍵藥物。

轉(zhuǎn)錄因子可以與其它蛋白形成復(fù)合體后特異性識別 DNA 序列，起始或阻斷 DNA 的轉(zhuǎn)錄過程，從而調(diào)控基因表達(dá)。經(jīng)篩選后，共保留 83 個(gè)相關(guān)TFs，其中 PPARG、NR2F ( nuclear receptor subfamily 2，group f )、ZNF580 ( zinc finger protein 580 )、MXD4( recombinant human max dimerization protein 4 )、ZBTB33 ( zinc finger and BTB domain containing 33 ) 等與脂肪酸代謝、血管形成和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及免疫炎癥激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子 Degree 值較高，提示其在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。miRNAs 可參與轉(zhuǎn)錄后的基因表達(dá)調(diào)控，與靶基因有著密切的聯(lián)系，對 miRNAs 進(jìn)行預(yù)測可以進(jìn)一步了解靶基因的功能和作用機(jī)制。經(jīng)篩選，共保留 82 個(gè) Degree 值較高的 miRNAs，其中 hsa-mir-335-5p、hsa-mir-124-3p、hsa-mir-155-5p 和 hsa-mir-26b-5p 的 Degree 值 ＞ 10，證明對靶基因的表達(dá)及調(diào)控具有重要作用。

討 論

為了深入探討 OP 與脂代謝疾病的關(guān)系，本研究通過生物信息學(xué)分析方法，對 OP 與脂代謝疾病( NAFLD、AS、OB 和 DM ) 之間的關(guān)系和潛在作用機(jī)制進(jìn)行探討。

脂代謝疾病即由脂質(zhì)代謝紊亂所引發(fā)的疾病，包括本研究提及的 NAFLD、AS、OB 和 DM，也包括其它疾病如高脂血癥、高血壓等。筆者選取上述四種疾病代表脂代謝疾病的原因有兩方面：( 1 ) 上述四種疾病在諸多脂代謝疾病中具有較強(qiáng)的代表性，具有較強(qiáng)的危害性且患病率正逐年增加；( 2 ) 經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)在既往的研究報(bào)道中，上述四種疾病與 OP具有密切的聯(lián)系，值得進(jìn)一步挖掘與探討[25-28]。

經(jīng)過臨床數(shù)據(jù)庫整合 OP 與 NAFLD、AS、OB和 DM 的靶基因后，本研究篩選得到 69 個(gè)同時(shí)調(diào)控 OP 與脂代謝的關(guān)鍵靶基因，側(cè)面印證了 OP 與脂代謝疾病間關(guān)系密切且作用機(jī)制復(fù)雜，其中 ALB、INS、IL-6、TNF、LEP、AKT1、PPARG、IGF1 和ADIPOQ 等靶基因在 PPI 相互作用中 Degree 值較大，可能為 OP 與脂代謝疾病相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵靶點(diǎn)。在此，筆者對這些靶基因在骨代謝與脂代謝中發(fā)揮的作用進(jìn)行討論。

ALB 是人體血漿中含量最豐富的白蛋白，可與生物活性物質(zhì)結(jié)合，運(yùn)輸脂肪酸、金屬離子等內(nèi)源性或外源性化合物，其也具有一定的抗氧化、抗炎、抗血栓特性[29-30]。研究表明，脂肪酸是 ALB 最重要的內(nèi)源性配體之一，可以與 ALB 緊密結(jié)合并影響其構(gòu)象。而 ALB 與骨代謝的穩(wěn)定息息相關(guān)，ALB可作為載體運(yùn)載藥物以促進(jìn)骨形成[31]，同時(shí) ALB 本身可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化，當(dāng)骨外損傷時(shí)傷口處 ALB 的局部濃度顯著增加，骨骼愈合速率與 ALB的局部濃度成正比[32]。在臨床研究中，低濃度 ALB可增加患者未來骨折的風(fēng)險(xiǎn)及骨質(zhì)疏松性錐體骨折術(shù)后病死率[33-34]。ALB 對骨脂代謝的作用機(jī)制可能與兩方面有關(guān)：第一，ALB 可募集內(nèi)源性干細(xì)胞從而加快骨骼生長；第二，由于 ALB 具有良好的抗氧化特性，可靶向氧化應(yīng)激的抗氧化體系，從而影響成骨細(xì)胞功能及調(diào)控脂代謝過程[32,35]。

INS 是由胰島 β 細(xì)胞分泌的，能夠調(diào)節(jié)人體內(nèi)的脂質(zhì)代謝的一類蛋白質(zhì)激素，其對骨代謝的影響是多方面的。一方面，INS 可直接作用于成骨細(xì)胞上的胰島素受體 IR，介導(dǎo)成骨細(xì)胞的增殖和分化，同時(shí)抑制破骨細(xì)胞的活性；另一方面 INS 可間接與促進(jìn)骨形成的激素 [ 如甲狀旁腺素 ( parathyroid hormone，PTH ) 和 IGF1 ] 協(xié)同作用，共同抑制骨吸收過程[36]。異位脂肪的累積和營養(yǎng)攝入過剩會(huì)導(dǎo)致INS 抵抗和脂代謝紊亂，從而誘發(fā) OB 和 2 型糖尿病，骨骼作為 INS 的反應(yīng)器官，代謝異常會(huì)引發(fā)骨量降低，增加骨骼脆性的風(fēng)險(xiǎn)[37-38]。

IGF1 是一類調(diào)控合成代謝的親水性肽類激素，具有類胰島素樣作用，可促進(jìn)細(xì)胞生長增殖，促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞再生，有利于維持骨骼肌的健康[39]。

LEP 是由白色脂肪組織分泌的，調(diào)節(jié)脂肪沉積和能量代謝的脂肪因子，可通過與受體結(jié)合激活下丘腦弓形核調(diào)控下游基因。阿片 - 促黑素細(xì)胞皮質(zhì)素原和神經(jīng)肽 Y 表達(dá)，從而減少食物攝入并增加能量消耗[40]。研究表明 LEP 一方面可直接作用于骨細(xì)胞調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收，另一方面可以作用于下丘腦 - 垂體系統(tǒng)間接影響生長激素、甲狀腺激素、皮質(zhì)醇激素的分泌從而影響骨骼的健康[41]。

ADIPOQ 是一種由脂肪細(xì)胞分泌的，與 INS 抵抗密切相關(guān)的細(xì)胞因子。主要通過與 ADIPOQ 受體和磷酸酪氨酸銜接蛋白 1 結(jié)合后，分別激活 AMPK信號通路和 PPARα 信號通路以調(diào)節(jié)糖脂代謝，維持體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng) INS 敏感性，發(fā)揮抗血糖和抗動(dòng)脈粥樣硬化等功能[42]。體外研究表明，ADIPOQ 一方面可以刺激成骨細(xì)胞分化并增加骨鈣素的分泌，另一方面通過激活 NF-κB 促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，抑制骨吸收[43]。

IL-6 和 TNF 等促炎因子也是 PPI 結(jié)果中的核心靶點(diǎn)基因。脂代謝紊亂會(huì)刺激 TNF、IL-6 的合成與分泌，大量促炎因子的合成通過調(diào)控機(jī)體對 INS 的敏感度，影響脂代謝進(jìn)程，進(jìn)而誘發(fā) OB、DM 等脂代謝異常疾病[44]。同時(shí)，TNF、IL-6 可以刺激NF-κB 受體，促使破骨細(xì)胞生成并加速骨吸收[45]。

AKT 是高等真核生物中關(guān)鍵的生長因子、細(xì)胞因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，與 2 型糖尿病、癌癥和 OP 的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[46]。磷脂酰肌醇 3-激酶 / 蛋白激酶 B ( phosphoinositide 3 kinase / Serine / threonineprotein kinase AKT-1，PI3K / AKT ) 信號通路是 OP的關(guān)鍵通路之一，在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖、分化、凋亡中起著重要作用[47]。PI3K / AKT 信號通路的另一功能是對脂質(zhì)功能信號產(chǎn)生應(yīng)答，促進(jìn)機(jī)體對葡萄糖的攝取和利用[48]，該信號通路的激活可顯著改善脂代謝紊亂造成的 INS 抵抗、OB 和NAFLD 等[49-50]。

PPARG 是脂肪酸激活受體轉(zhuǎn)錄因子 PPAR 的一種亞型，在白色脂肪組織中表達(dá)量最高，負(fù)責(zé)調(diào)控脂質(zhì)合成和代謝，以調(diào)節(jié)機(jī)體能量穩(wěn)態(tài)[51]。研究表明，除了調(diào)控體內(nèi)葡萄糖和脂質(zhì)平衡外，PPARG一方面可激活原癌基因以促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞，加速骨吸收過程；另一方面可抑制間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，從而抑制骨形成過程[52]。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，在使用糖皮質(zhì)激素后的SD 大鼠的膽固醇、甘油三酯含量均有顯著性的提高，而骨碎補(bǔ)總黃酮給藥后能顯著降低大鼠血漿中膽固醇和甘油三酯的含量。同時(shí)骨碎補(bǔ)總黃酮能改善糖皮質(zhì)激素所誘導(dǎo)的 SD 大鼠的 OP，該分子過程受 PPARG 基因的調(diào)控。故而可推斷，PPARG 基因在骨代謝和脂代謝中具有雙重調(diào)控作用[53]。

在 GO 生物富集分析結(jié)果中，交集靶點(diǎn)主要與細(xì)胞增殖、炎癥應(yīng)答和蛋白質(zhì)磷酸化相關(guān)，涉及細(xì)胞因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，側(cè)面印證了炎癥等過程在二者共病中起到的關(guān)鍵作用。

KEGG 生物富集分析提示，交集靶點(diǎn)廣泛富集在 AMPK 信號通路和 HIF-1 信號通路，還和癌癥、脂質(zhì)與 AS 息息相關(guān)。AMPK 作為調(diào)節(jié)人體能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵激酶，廣泛參與到蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類代謝以及自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)等生理代謝活動(dòng)中[54]。作為調(diào)控代謝的關(guān)鍵因子，研究表明 AMPK 在調(diào)節(jié)骨代謝方面具有重要作用。體外研究表明 AMPK 的激活可促進(jìn)骨形成，降低骨量流失[55]。一方面，AMPK 的激活促使哺乳動(dòng)物西羅莫司靶蛋白 ( mammalian target of rapamycin C1，MTORC1 ) 下調(diào)，從而激活自噬，抑制破骨細(xì)胞分化[56]。另一方面，AMPK 信號通路的激活可刺激叉頭框 O 蛋白 ( forkhead box class O proteins，F(xiàn)OXOs )、P53 等細(xì)胞因子的產(chǎn)生，從而抑制 NF-κB活性，降低骨吸收速率[57]。上文提到的 ADIPOQ和 LEP 等激素可刺激鈣離子分泌，激活鈣 / 鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶 ( recombinant calcium / calmodulin dependent protein kinase kinase 2，CAMKK2 )，從而促使 AMPK 調(diào)控骨脂代謝，PPAR 可通過調(diào)控AMPK 引起的自噬加速 DM 患者的骨再生[58]。HIF-1信號通路主要負(fù)責(zé)調(diào)控人體內(nèi)葡萄糖代謝、血管生成及紅細(xì)胞產(chǎn)生[59]。該信號通路上的 VEGFA 是血管生成的關(guān)鍵因子，可通過上調(diào) VEGFA 的表達(dá)促進(jìn)成骨細(xì)胞的表達(dá)，從而促進(jìn)骨骼增長[60]。當(dāng)前的研究多集中于 AMPK 信號通路和 HIF-1 信號通路對于OP 和脂代謝疾病的單獨(dú)影響，而對于 OP 與脂代謝之間關(guān)系尚缺乏明確研究。但不可否認(rèn)，AMPK 信號通路和 HIF-1 信號通路為治療 OP 與脂代謝疾病的潛在的關(guān)鍵通路，AMPK 有望成為治療二者共病的潛在作用靶點(diǎn)。

通過構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可以更好地了解潛在的分子機(jī)制。在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，micro-RNA 如hsa-mir-335-5p、hsa-mir-124-3p、hsa-mir-155-5p 和hsa-mir-26b-5p 的 Degree 值較高，起到關(guān)鍵調(diào)控作用。Li 等[61]證明 hsa-mir-335-5p 可抑制高脂飲食所導(dǎo)致的成骨細(xì)胞凋亡。hsa-mir-124-3p 可調(diào)控前體脂肪細(xì)胞向成熟脂肪細(xì)胞的分化、脂質(zhì)積累和代謝等生理過程。hsa-mir-124-3p 對骨的直接影響尚未見報(bào)道，但 hsa-mir-124-3p 可能通過調(diào)控細(xì)胞的增殖凋亡和遷移以及調(diào)控炎癥因子來影響骨細(xì)胞[62]。轉(zhuǎn)錄因子 PPARG 對脂代謝和骨代謝的潛在調(diào)控作用值得關(guān)注。藥物 Glucosamine 的 Degree 值較高，據(jù)報(bào)道，Glucosamine 可以幫助修復(fù)和維護(hù)軟骨，并能刺激軟骨細(xì)胞的生長，并通過 AMPK 信號通路對體內(nèi)葡萄糖的感應(yīng)來調(diào)節(jié)脂肪生成[63]。

本研究首次將 OP 與脂代謝疾病聯(lián)系起來，通過整合疾病數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn) OP 與脂代謝疾病 ( NAFLD、AS、OB 和 DM ) 共有的交集靶點(diǎn) 69 個(gè)，同時(shí)進(jìn)一步揭示了二者相關(guān)分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)交集靶點(diǎn)與免疫炎癥、糖脂代謝、氧化應(yīng)激密切相關(guān)，且 AMPK 信號通路在 OP 與脂代謝疾病中為關(guān)鍵通路，提示可以通過調(diào)控 AMPK 信號通路上的相關(guān)靶基因和靶蛋白以同時(shí)調(diào)控脂代謝疾病與 OP 的發(fā)生和發(fā)展。為了更好地服務(wù)于臨床，筆者通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行藥物篩選，發(fā)現(xiàn)藥物 Glucosamine 在同時(shí)治療 OP 和脂代謝紊亂方面的應(yīng)用潛力巨大。綜上所述，本研究論證了 OP作為一種常見的骨代謝疾病，與脂代謝紊亂疾病的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，為 OP 與脂代謝疾病的關(guān)系提供了臨床參考，并為二者共病機(jī)制的研究提供了潛在的研究方向。