Gut microbial alterations in arginine metabolism determine bone mechanical adaptation

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作者
Dan Wang,Jing Cai,Qilin Pei,Zedong Yan,Feng Zhu,Zhe Zhao,Ruobing Liu,Xiangyang Guo,Tao Sun,Juan Liu,Yulan Tian,Hongbo Liu,Xi Shao,Jinghui Huang,Xiaoxia Hao,Chang Qi,Zhuojing Luo,Da Jing
出处
期刊:Cell Metabolism [Cell Press]
卷期号:36 (6): 1252-1268.e8 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.cmet.2024.04.004
摘要

Although mechanical loading is essential for maintaining bone health and combating osteoporosis, its practical application is limited to a large extent by the high variability in bone mechanoresponsiveness. Here, we found that gut microbial depletion promoted a significant reduction in skeletal adaptation to mechanical loading. Among experimental mice, we observed differences between those with high and low responses to exercise with respect to the gut microbial composition, in which the differential abundance of Lachnospiraceae contributed to the differences in bone mechanoresponsiveness. Microbial production of L-citrulline and its conversion into L-arginine were identified as key regulators of bone mechanoadaptation, and administration of these metabolites enhanced bone mechanoresponsiveness in normal, aged, and ovariectomized mice. Mechanistically, L-arginine-mediated enhancement of bone mechanoadaptation was primarily attributable to the activation of a nitric-oxide-calcium positive feedback loop in osteocytes. This study identifies a promising anti-osteoporotic strategy for maximizing mechanical loading-induced skeletal benefits via the microbiota-metabolite axis.
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