生物钟核心基因Bmal1 通过调控MMP3 及Wnt 信号通路影响生长发育期中下颌骨的骨量形成

Mandibular skeletal hypoplasia can seriously affect the appearance, chewing, pronunciation, breathing and mental health. Our recent clinical data showed that, the factor of circadian rhythm disorder on mandibular hypoplasia cannot be ignored. However, their effects and mechanism can not be determined clearly at present. Here, we found that in circadian rhythm–disordered mouse and Bmal1 knockout mice, reduced bone formation, decreased bone mineral density, and broadened trabecular space were observed. RNA sequence showed Matrix Metallopeptidase3 (MMP3) and factors of Wnt pathway were the potential target of Bmal1 in regulating mandibular development, which include the balance of osteogenesis/osteoclastsis/adipogenesis. Dependence on recently data, we hypothesis that Bmal1 can regulate MMP3 by induce the expression of p65 and active NF-kb pathway. On the other hand, Bmal1 can regulate Wnt pathway by induce the expression of beta-catenin. RNA seq, Micro-CT, Chromatin immunoprecipitation assay (ChIP) and luciferase reporter assay et al. will be used in the project to confirmed the effect of Bmal1 in process of mandibular hypoplasia. This study will provide a new perspective for prevention of the mandible skeletal hypoplasia.

下颌骨发育不全严重影响生长发育期青少年口颌功能及心理健康。我们前期临床数据提示，生物节律紊乱可能是重要致病因素之一，但机制尚未明确。同时，昼夜节律紊乱鼠和Bmal1基因敲除鼠下颌骨成骨被显著抑制，破骨成脂被显著促进，最终骨量形成锐减。RNA Seq数据提示，Bmal1可能通过负调控基质金属酶3及正向激活Wnt信号通路，影响成骨/破骨/成脂平衡。根据已有研究及生物信息学预测，我们推测Bmal1可能通过抑制NF-kb信号通路(p65)，实现对MMP3的负调控；同时，Bmal1可能通过激活beta-catenin蛋白实现对Wnt信号通路的正调控。因此，本研究将通过RNA seq，Micro-CT，ChIP，Luciferase等方法阐明Bmal1影响MMP3及Wnt信号通路的分子机制，探讨由生物节律紊乱引起的Bmal1下调对生长发育期下颌骨骨量形成的影响，为下颌骨发育不全的预防提供新的理论基础。

下颌骨发育不全（Skeletal mandibular hypoplasia, SMH）是一种常见的颅面畸形，严重的将影响外观、咀嚼、发音和呼吸等功能。此外，SMH 容易诱发阻塞性睡眠呼吸暂停综合征。本研究发现生物钟核心基因 BMAL1，在青少年SMH 患者的下颌骨中表达显著下调。同时，在昼夜节律紊乱或Bmal1 基因缺陷小鼠模型中亦可以观察到下颌骨发育不全的表型。在进一步研究中，我们利用RNA 测序和蛋白芯片分析证实，基质金属肽酶3 （MMP3）是BMAL1 的潜在靶点。有趣的是，在青少年SMH 患者中，我们同样观察到MMP3 表达明显上调的现象；而在Bmal1 敲除小鼠的整个生长发育期（3-10周）中，MMP3 的表达持续性上调。基于这些发现，我们利用ChIP、Luciferase 等技术，对其潜在的机制进行研究，结果发现BMAL1 缺陷可以通过激活p65 的磷酸化从而增强了MMP3 的转录和翻译，降低下颌骨的成骨能力，同时提高其破骨能力，最终影响下颌骨的生长发育。本研究的结论为BMAL1 参与SMH 发病机制的调控提供了新的见解，为SMH 的早期预防提供了理论依据。