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骨骼包括骨与关节，是人体运动系统的重要组成部分，具有结构支持、姿态维持、运动能力、内脏保护、矿物贮存和代谢调节等重要功能[1,2]。骨骼退行性病变表现为骨与关节组织出现结构和功能的逐渐退变，主要表现为骨骼系统相关干细胞的衰竭、骨量减少、骨微结构改变、骨强度降低、软骨退变、软骨下骨硬化等[3-5]。临床上表现的疾病主要是骨质疏松和骨关节炎。RNA研究技术的进步改变了生物与医学的基础研究范式，同时服务人民生命健康和发展生物医药产业具有潜在社会经济价值。例如，mRNA疫苗、RNA干扰药物等均来源于RNA生物技术的突破，并正在或有望被用来治疗多种人类疾病。RNA结合蛋白对RNA的生物活动的影响至关重要。核酸大分子与RNA结合蛋白是否是骨骼退行性病变的潜在分子靶标，是否有望利用核酸治疗缓解退行性病变值得探究。1 概述
1.1 骨骼退行性病变
1.1.1 骨质疏松
骨质疏松症是一种影响全身的骨骼疾病，其核心特征表现在骨量减少和骨组织微观结构的退化，骨骼的脆弱性和骨折的风险增加[6]。根据发病原因，骨质疏松可分为原发性和继发性两类。原发性骨质疏松，包括绝经后骨质疏松症(Ⅰ型)、老年性骨质疏松症(Ⅱ型)和青少年型骨质疏松症(特发型)。Ⅰ型骨质疏松症多发生在妇女绝经后5-10年内；Ⅱ型骨质疏松症则常见于70岁后的老年人；特发型骨质疏松症的病因尚不明确，主要集中发生在青少年阶段[7]。继发性骨质疏松与机体内分泌失调密切相关，如糖尿病、环境污染物、甲亢甲减等因素均会导致骨质疏松患率升高。
骨质疏松的常见症状包括：疼痛、乏力、皮肤褶皱、脊柱变形、骨折等。骨质疏松症的广泛系统性特征，使得其导致的骨折风险几乎遍及全身各个骨骼部位[8]。其中，髋部骨折与髋部骨密度(bone mineral density，BMD)的减少紧密相关，而椎骨骨折则与脊柱BMD的下降直接关联，这两者均被视为骨质疏松性骨折的典型代表[9]。相较于其他部位的骨折，髋部骨折更可能导致患者功能状态和生活质量的下降，同时较高的短期死亡风险和高昂的医疗费用给患者及其家庭带来极大的困扰。
骨质疏松的诊断通常基于骨密度测量结果和患者的临床症状。治疗方法分为非药物治疗和药物治疗两大类。非药物治疗包括营养调节、适当的体育锻炼、改善生活习惯等。药物治疗包括摄入适量的钙和维生素D、降钙素、双膦酸盐类、选择性雌激素受体调节剂等[10,11]。这些药物可以减弱骨吸收、促进新骨形成并改善骨质。几种不同类型的疗法均已被证明可以大幅降低骨折风险。骨折风险的绝对降低程度不仅取决于接受治疗的个体差异，还取决于药物的选择[12]。
1.1.2 骨关节炎
骨关节炎又称为骨关节病、退行性关节病、老年性关节炎、肥大性关节炎等，是一种最常见的关节疾病，影响全球约5亿人[13]。在60岁以上的人群中，约10%的男性和18%的女性都受到骨关节炎的困扰[14]。骨关节炎可以涉及几乎任何部位的骨关节，主要影响手、膝、臀部和脚。骨关节炎的特征是软骨、骨、滑膜、韧带、肌肉和关节周围脂肪的病理变化，导致关节功能障碍、疼痛、僵硬、功能受限和失去活动能力。
骨关节炎的发生与多种因素有关，主要包括年龄、肥胖、性别、劳损、创伤、遗传因素、代谢异常等。年龄是骨关节炎的最大危险因素。随着年龄增长，女性雌激素水平下降，生理和生活习惯发生改变，导致骨关节炎在女性中比男性更易发[15]。受伤会导致滑膜、韧带或软骨损伤，使关节更容易受到进一步损伤，韧带或半月板损伤会对关节生物力学产生不利影响，膝盖受伤会使膝关节骨关节炎的风险增加四倍以上[16]。肥胖会增加承重关节的负荷，但也可能通过炎性脂肪因子的作用增加关节敏感性[17]，膝关节骨关节炎的风险增加三倍以上并加速病情进展[18,19]。
骨关节炎的诊断通常基于影像学检查结果、患者的症状和生化标志物。骨关节炎的典型症状包括：关节肿胀、关节刺痛、关节僵硬、活动受限等。常用的影像学检查方法包括X射线、计算机断层扫描(computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等，可以观察关节软骨的退变、骨赘形成以及关节间隙的变化等[20]。效应分子(如金属基质蛋白酶13、肿瘤坏死因子α等)和细胞外基质成分(如Ⅱ型胶原蛋白、软骨蛋白聚糖的前体或降解产物等)都具有作为生化标志物的潜力。它们的浓度与组织代谢有关，可在血液、尿液或滑液中测量。Ⅱ型胶原蛋白C端肽和软骨寡聚基质蛋白是组织退化的标志物，是所有BIPED类别中研究最广泛、表现最好的生化标志物[21]。
传统上，骨关节炎的治疗方式包括改善生活方式、关节手术及药物治疗。降低体重、力量和有氧能力的锻炼可以改善骨关节炎症状[22-26]。骨关节炎相关治疗手术包括关节周围截骨术、FAI病变清创、关节牵引、软骨下骨微骨折、自体软骨细胞植入等。治疗关节炎的药物分为针对软骨退化的葡萄糖胺和软骨素[27]、透明质酸[28]、强力霉素[29]、成纤维细胞生长因子-18(fibroblast growth factor-18，FGF-18)[30]以及针对骨重建的雷奈酸锶[31]。由于骨关节炎具有渐进性，而改良疗法的可用性有限，因此临床挑战是巨大的。对于骨关节炎的治疗，鉴定骨关节炎的药物靶点和优化给药系统是至关重要的。
1.2 RNA结合蛋白
RNA结合蛋白(RNA binding protein，RBP)是一类参与调控RNA生命周期的各个阶段的蛋白质，包括转录、剪接、翻译、转运和降解等生物学过程[32]。从结构上来讲，RBP通常具备至少一个RNA结合结构域。这些结构域与特定的RNA序列具备良好的亲和力赋予了RBP与RNA靶序列结合的能力。常见的RNA结合结构域包括K-homology结构域、RNA识别基序、Sm RNA结合结构域、锌指结构域等[33]。这些结构域与不同RNA分子上特异性的碱基序列相互吸引、结合，进而发挥功能。包含K-homology结构域的蛋白通过识别特征序列“GXXG”在疏水口袋中与RNA协调形成氢键[34]。因此，针对RBP结构的研究有利于我们去更好地理解和解释RBP的作用。包含Sm结构域的蛋白一般与snRNA结合，并参与其剪接过程，而具备PIWI结构域的蛋白能够识别并结合到piRNA相应序列上，参与精子发生等过程[35,36]。RNA结合位点一般与RBP发挥的生物学功能密切相关，尤其是RNA的剪接、转录效率、稳定性等[37]。在转录后水平上，RBP是RNA成熟过程的重要调节因子，参与调控了mRNA 3′端多聚腺苷酸化、5′端加帽和pre-mRNA剪接等生物学过程[38,39]。富含丝氨酸/精氨酸的剪接因子3(Serine/Arginine-rich splicing factor 3，SRSF3，一种RNA结合蛋白)的缺失引起心肌细胞中肌纤维和钙级联反应蛋白的相关mRNA脱帽和降解，导致心力衰竭[40]。在翻译水平上，RBP可以与mRNA 3′UTR结合，抑制或促进mRNA降解，调节RNA的稳定性。一些RBP还能够招募其他调控因子到特定的RNA分子上，形成多蛋白复合物，共同调控基因的表达。例如，在衰老的髓核细胞中，WTAP-YTHDF2-lncNORAD复合体，使得释放出来的PUM1与细胞周期相关基因E2F3 mRNA结合，诱导其降解，抑制细胞周期，加剧椎间盘退变[41]。近年来，有研究指出，RBP还能通过调节染色质结构和DNA修复过程来影响基因的可及性和稳定性，进而调控基因表达[42,43]。此外，RBP还能够与各种非编码RNA结合，参与基因转录和翻译等过程。总之，RBP通过RNA结合结构域识别特定的RNA序列并与之结合，参与调控了复杂的生物学过程，与多种疾病的发生和发展密切相关。2 领域前沿与关键科学问题
2.1 骨质疏松
正常生理情况下，骨骼处于不断自我更新重塑的稳态中，由破骨细胞吸收降解衰老或损伤的骨组织，成骨细胞分泌胶原蛋白、骨桥蛋白等细胞外基质，并进一步钙化沉积形成新骨[44]。骨质疏松、骨质增生等骨密度变化相关疾病是因为破骨吸收和新骨形成的动态平衡被打破所导致的。因此，RBP是对骨稳态的调控是骨科研究的关键问题之一。
2005年，Richard等[45]发现，在衰老的小鼠中敲除RNA结合蛋白S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)改善了衰老相关的骨质丢失表型。后续研究发现，SAM68介导启动子H3K27乙酰化，激活了lncRNA-OG的转录，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，从而抑制骨质丢失表型[46]。其他研究指出，敲除Sam68能够以替代剪接的方式提高B细胞淋巴瘤-XL(B-cell lymphoma-XL，Bcl-xl)转录本水平，抑制了细胞凋亡信号，利于破骨细胞的存活[47,48]。这些研究揭示了SAM蛋白可能通过平衡破骨细胞和成骨细胞之间的互作，从而维持骨重塑。与SAM家族不同，DGCR8主要通过影响转录本前体的剪接调控基因表达。Sun等[49]研究指出，DGCR8以转录后剪接的方式促进miR-103-3p成熟，通过miR-103-3p/METTL14/腺苷N6位置的甲基化修饰(m6A)信号轴抑制成骨细胞的分泌和矿化功能。除此之外，DGCR8和另一种RNA结合蛋白hnRNPA2B1共同作用促进miR-92a-2-5p和miR-373-3p的剪接成熟，增强了RANKL诱导的破骨分化过程，并抑制了成骨相关基因Runx2的表达，从而引起骨质丢失[50]。另外，骨骼发育也受到众多RBP的影响。Niu等[51]报道了SAMD4能够与MIG6 mRNA 5′UTR内SAMD4识别元件相结合，抑制软骨和成骨发育相关基因翻译进程，阻碍了骨骼发育。骨髓间充质干细胞成骨分化潜能的减弱和成脂分化潜能的增强是导致衰老相关骨质疏松的另一大关键因素。过往研究指出在Msi2－/－小鼠体内，骨髓间充质干细胞倾向于分化为脂肪细胞，而不是成骨细胞。机制上来讲，MSI2介导了C/EBPα翻译的抑制，而C/EBPα与脂肪生成相关PPARγ信号通路密切相关[52,53]。Wu等[54]分别构建了Prx、Col2a1、Osx标记的成骨细胞系Cbfβ特异性敲除小鼠，发现敲除不同成骨细胞系阶段的Cbfβ后，三组小鼠均表现出炎症和骨质疏松表型，脂肪细胞在骨髓中大量堆积，与老化骨十分相近。RBP介导的mRNA甲基化，尤其是m6A，在调控脂肪分化中也发挥了重要作用。RNA结合蛋白METTL3介导了Pth1r转录本的甲基化，起到稳定PTH1R mRNA的作用，激活了PTH/PTH1R信号，促进了成骨分化[55]。后续的研究发现，METTL3被敲除后，间充质干细胞倾向分化形成脂细胞，而不是成骨细胞。机制上来看，METTL3与JAK mRNA结合，介导了其甲基化修饰，并以YTHDF2依赖的方式促进其降解，拮抗了JAK1/STAT5/C/EBPβ信号传导，抑制了间充质干细胞成脂分化潜能，起到预防骨质疏松症的作用[56]。METTL家族的另一位成员METTL14以甲基化修饰SIRT1和BECLIN1 mRNA的方式维持转录本稳定，激活METTL14/IGF2BPs/BECLIN1信号，促进骨髓间充质干细胞成骨分化，拮抗骨质疏松进程[57,58]。此外，Yu等[59]通过Cre-loxp系统构建了Dmp1阳性成骨细胞特异性敲除FTO的小鼠，发现敲除FTO抑制了卵巢摘除小鼠骨质丢失表型。机制上来讲，FTO与PPARγ mRNA结合并去除其甲基化修饰，促进PPARγ表达，骨髓间充质干细胞分化形成成脂细胞而不是成骨细胞。2.2 骨关节炎
在骨关节炎疾病模型中，RBP不仅参与调控了软骨细胞本身的代谢、成熟、凋亡，还影响了关节腔内的炎症反应。在此，我们将回顾RBP在骨关节炎中的研究。一般来说，关节腔局部炎症反应和关节软骨细胞代谢水平与骨关节炎的发生与发展密切相关。ZFP36是一种富含AU元件的RBP，可诱导SOX9 mRNA的降解，破坏软骨合成代谢和分解代谢基因表达之间的平衡，并调节骨关节炎中肿瘤坏死因子α等炎性细胞因子的表达[60,61]。ZFP36L1是ZFP36家族的另一个成员，可促使软骨细胞内HSPA1A mRNA降解，激活细胞凋亡程序[62]。近来，Yoon等[63]的研究发现，PUM1与mRNA 3′UTR结合抑制了TLR4的翻译，拮抗了核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信号通路，起到缓解骨关节炎的作用。其他研究指出，GNL3可在转录水平上调基因Il-24和Ptn的表达，促进血管生成和软骨细胞凋亡，加剧骨关节炎进程[64,65]。此外，RNA结合蛋白FUS在软骨发育成熟过程中发挥了重要作用。在软骨细胞肥大过程中，FUS可作为顺式作用元件结合到Col10a1启动子位置上，激活COL10a1转录，促进肥大软骨细胞的成熟，发挥了保护软骨的作用[66]。另外，FUS通过与SOX9 mRNA结合，促进其稳定性和翻译，有利于软骨细胞的分化和细胞外基质的形成，起到保护关节和抑制骨关节炎的作用[67]。与在骨质疏松中类似，RBP还能通过剪接非编码RNA影响骨关节炎进程。FUS促进了circPDE4B和circSLC7A2的剪接和环化，从而起到预防骨关节炎的作用[68,69]。Shyh-Chang等[70]指出，Lin28A阻断了pri-let-7 miRNA的剪接，并激活了糖酵解和氧化磷酸化相关的一系列代谢酶，从而促进了软骨形成。之后，Kobayashi等[71]研究指出，抑制let-7 miRNA可通过激活ERK来促进关节软骨的发育。另外，一些RBP参与了应激颗粒(stress granules，SGs)的组装，而成熟的应激颗粒具备拮抗细胞凋亡的功能，起到保护软骨的作用。例如，在炎症因子IL-1β的诱导下，TIA-1可促进应激颗粒的组装，SGs进一步与COX-2 mRNA结合，并以TIA-1依赖的方式延迟COX-2转录，抑制细胞凋亡途径[72]。此外，应激颗粒的组成成分之一TDP43可通过RACK1或G3BP1依赖的方式促进应激颗粒的形成，并抑制炎症反应，从而起到支持软骨发育的作用[73,74]。RNA甲基化修饰也是RBP调节软骨发育、凋亡、分化的重要途径之一。METTL3作为一类经典的甲基转移酶，可促使mRNA发生m6A修饰。m6A修饰的mRNA可被YTHDF家族蛋白识别，并进一步激活软骨细胞下游信号，从而起到调控功能。Chen等[75]的研究表明，METTL3在成纤维细胞样滑膜细胞(FLS)中以YTHDF2依赖的方式促进与凋亡相关的ATG7 mRNA降解，抑制细胞凋亡途径，保护软骨发育。此外，有研究表明，METTL3在骨关节炎软骨细胞中高表达，并且通过降解软骨发育相关的SOX9和SOSC2 mRNA等转录本水平，加速了骨关节炎的发生[76,77]。2.3 关键科学问题
RBP作为细胞生命周期的功能因子，广泛参与了细胞凋亡、分化、增殖等过程，与多种疾病密切相关，具备作为疾病治疗靶点的潜力。在骨骼系统中，RBP参与调控了骨质疏松、椎间盘退、骨关节炎等骨骼退行性疾病，但大部分RBP的互作靶标、分子机制、临床应用前景仍不清楚。这提示我们，RBP在骨骼系统中的研究仍需聚焦于以下几个科学问题。(1)在骨骼系统中，RBP与RNA的相互作用随细胞类型、细胞状态、细胞微环境等条件变化是如何动态变化的? (2)在不同类型的骨骼疾病中，哪些RBP水平是异常变化的，这些变化又是如何影响疾病的发生和发展的? 这还涉及到如何结合高通量测序和单细胞测序的技术，筛选和鉴定RBP的作用靶标以及RBP在不同细胞中的功能异质性。(3)研发小分子抑制剂、基因编辑工具等，结合有效的给药系统，探究RBP或靶标RNA作为骨骼疾病治疗靶点的潜在价值。本实验室隶属于中国科学院分子细胞科学卓越创新中心核糖核酸功能与应用全国重点实验室。实验室前期工作围绕以下四个方面开展研究。(1)研究间充质干细胞所受到的表观调控在骨关节炎、骨质疏松及骨损伤修复过程中的作用。(2)研究间充质干细胞的衰老与骨疾病的关联及分子基础。(3)研究机械力对于间充质干细胞功能及骨结构的调控机制。(4)研究骨损伤修复中间充质干细胞的起源、增殖及命运决定的机制。实验室前期围绕骨骼发育和骨骼衰老建立了多种转基因动物模型，如骨质疏松动物模型[3,78-80]、骨关节炎动物模型[4,81]、骨折模型[82]等；解析并鉴定了多种骨骼干细胞标志物，如骨外膜干细胞标志物CTSK[83]、ITM2A，肌腱干细胞标志物CTSK[84]，髓核细胞标志物UTS2R[85]等；揭示废用性骨质疏松病理分子机制[78]、衰老相关骨质疏松分子机制[80,86,87]、骨关节炎病理分子机制[4,81]、颅骨发育的分子机制[88-90]等。前期的动物模型建立及细胞类群鉴定为课题组加入核糖核酸功能与应用重点实验室夯实了科研基础。本实验室自加入核糖核酸功能与应用重点实验室后，聚焦核酸与骨骼退行性病变之间的联系与转化研究。(1)挖掘骨关节炎诊断和干预治疗的潜在靶点。在环形RNA功能解析的基础上，鉴定在滑膜细胞、软骨细胞等细胞水平发挥免疫调控功能的特异性环形RNA与RBP，探究RBP调控细胞免疫稳态、代谢和免疫炎症的分子机制。依据环形RNA或RBP相关的研究靶点，实现特异性小分子药物的设计和研发，旨在为骨关节炎等骨骼退行性病变的临床诊疗提供参考。(2)环形RNA工程化赋能的临床应用探索。利用环形RNA载体实现小鼠体内的在体蛋白质表达与补偿技术，建立“无需重组蛋白”的抗体发现新技术，并在构建的疾病小鼠等动物模型中进行功能验证和临床应用潜能探索。4 未来展望与尚需公关解决的科学问题
骨骼退行性病变是慢性疾病，也是衰老相关的疾病，正严重影响中国乃至全球的中老年人群。尽管针对骨质疏松的临床药物被大量开发和应用，但是公开显示的研究提示，现有的临床药物具有一定的不良反应，优化骨质疏松的治疗靶点和治疗方式仍然需要深入研究。相比于骨质疏松，骨关节炎在临床上仍没有有效的治疗药物。针对发病人群，只能采取抗炎、止痛的方式缓解症状，治标不治本，不能彻底根治骨关节炎的发生。尽管已有研究报道了多项骨关节炎的治疗靶点，但在临床实验上多以失败告终。这些提示我们有以下多种因素的可能：(1)实验研究多以小鼠为动物模型，小鼠在一定程度上不能完全模拟大动物的生理情况，更何况人是直立行走的哺乳动物，与小鼠这类四肢行走的动物可能存在差异；(2)确定可靠的分子靶标和先进的成像方法，开发有效的给药系统，对骨关节炎局部疗法都至关重要；(3)以核酸治疗和干细胞治疗为基础的疗法具备优异的作用机制，有望成为未来的骨骼退行性病变疗法；(4)跨学科交流和研究有望突破现有的研究瓶颈，开发更具前景的治疗模式；(5)尽管有初步的研究报道中指出靶向Nav1.7离子通道既可以延缓软骨细胞退化，还能抗炎缓解疼痛[91]，但目前基于靶向双重功能的靶点匮乏，未来需要基础研究贡献更多潜在的药物靶点。
基金资助
中国科学院战略性先导科技专项(XDB0570402)；上海市科学技术委员会定向研究项目(23DX1900100)；国家自然科学基金项目(82230082，81991512)
--核糖核酸功能与应用专刊--
中国科学院核糖核酸功能与应用重点实验室聚焦“RNA的功能与应用”重大科技问题，着力研究RNA时空调控核心规律、RNA相关重大疾病致病机制、RNA原创技术与高效应用等，志在建立前沿性理念驱动、通用型技术为底盘的研发体系。依托核心骨干团队与《生命的化学》杂志精心组织了本期专刊。专刊聚焦于“新型RNA”“RNA新功能”“RNA新应用”等三个重要方向。专刊面向生物医学科研人员、科技政策管理人员、本科生及研究生等，期望展现RNA基础研究的科学前沿、RNA生物医学技术应用的瓶颈以及重点实验室面向国家重大战略需求的科研布局。
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《生命的化学》创刊于1980年，中国生物化学与分子生物学会主办、向国内外公开发行的生物综合类学术期刊。月刊，中国科技核心期刊，中国期刊网来源期刊，科技期刊世界影响力指数报告(WJCI)(2021)来源期刊，被化学文摘(CA)(美)、日本科学技术振兴机构数据库(JST)(日)等国际数据库收录。重点刊登生物化学、分子生物学及生命科学相关领域原创性研究论文、综述，反映当前领域国内外最新研究进展，介绍最新研究技术与方法。设有研究论文、综述、教学、科普等栏目。投稿网址：http://smhx.cbpt.cnki.net/
