长链非编码RNA HOTAIR 对骨髓间充质干细胞成骨向分化的影响及其在失重性骨丢失中的作用研究

Weightlessness induced bone loss is one of the key medical problems during spaceflight. The osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSC) and the decline of osteoblast function play important roles in the regulation of bone metabolism and bone loss. The histone methyltransferase EZH2 can inhibit the osteogenic differentiation of BMSC, and miR-214 can inhibit osteoblast function via targeting ATF4. The long non-coding RNA HOTAIR can promote the function of PRC complex via binding to ZEH2 in the nucleus, meantime our previous results showed HOTAIR could promote osteoblast function as a ceRNA via binding to miR-214 in the cytoplasm. However, in the process of osteogenic differentiation of BMSC, how does HOTAIR change its regulation function via the changes of its distribution in the nucleus and cytoplasm, and how does gravity regulate this process? In this project, by using BMSCs and osteoblast specific HOTAIR transgenic mice, we will investigate the spatio-temporal variation rules of HOTAIR in process of osteogenic differentiation of BMSC, and explore the function of gravity. This can provide new target for fine-tune regulation of weightlessness induced bone loss.

失重性骨丢失的发生机制是航天医学的关键问题。骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨向分化的受阻和成骨细胞功能的下降是失重性骨丢失的重要因素。组蛋白甲基化转移酶EZH2可以抑制BMSC的成骨向分化，miR-214通过靶向ATF4抑制成骨细胞的分化并加剧失重性骨丢失的发生。长链非编码RNA HOTAIR在胞核内可以和EZH2结合促进PRC2复合体的转录抑制功能，而我们发现HOTAIR在胞质内可以和miR-214 结合作为竞争性内源RNA促进成骨细胞的活性。在BMSC的骨向分化过程中，HOTAIR是如何实现由核质定位的变化从而发挥其功能的转变，重力因素又是如何影响这一过程未见报道。本课题将利用BMSCs和成骨细胞特异表达HOTAIR的转基因小鼠模型和细胞实验，深入探讨HOTAIR在BMSC骨向分化过程中的时、空变化规律及调控机制，以及重力因素对这一过程的影响，为失重性骨丢失的精确调控提供新的靶点。

失重性骨丢失的发生机制是航天医学的关键问题。骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨向分化的受阻和成骨细胞功能的下降是失重性骨丢失的重要因素，长链非编码RNA对失重性骨丢失的研究未见报道。本项目围绕长链非编码RNA-HOTAIR对BMSC成骨向分化的影响及调控机制及其对失重性骨丢失的调控作用开展研究，主要的研究进展如下：1）明确了在尾吊模拟失重导致骨丢失的模型及人老年性骨质疏松症样本中， HOTAIR的表达水平显著降低，建立HOTAIR表达水平与骨丢失及成骨功能降低的相关性。2）发现在间充质干细胞分化啊早期，HOTAIR能够抑制BMSC成骨向分化，在分化后期HOTAIR促进前成骨细胞骨向分化和功能；3）在HOTAIR定位方面，发现在BMSC成骨向分化早期HOTAIR主要定位于细胞核当中，在分化后期逐渐向胞质转移；4）机制方面，发现在BMSC成骨向分化早期，HOTAIR通过与PRC2复合体主要成份EZH2直接相互作用，通过调控调控BMSC成骨向分化早期关键转录因子Osterix和RUNX2的表达抑制BMSC成骨向分化；在BMSC向成骨向分化进程中HOTAIR通过与HuR直接相互作用，介导了HOTAIR从胞核到胞质转运的过程，并且证明了HuR也直接参与了BMSC成骨向分化的进程；在成骨细胞中 HOTAIR通过与miR-214直接相互结合，减弱了miR-214对成骨细胞关键转录因子ATF4的翻译抑制作用，进而促进了成骨细胞的功能；5）动物表型方面，通过BMSC特异过表达HOTAIR的转基因小鼠，在体内验证了在间充质干细胞早期过表达HOTAIR能够抑制小鼠早期的骨骼发育，幼龄小鼠的骨量显著降低；成骨细胞特异的HOTAIR转基因小鼠骨量显著增加，利用尾吊实验发现，成骨细胞特异的HOTAIR转基因小鼠能够一定程度的缓解后肢去负荷导致的骨丢失。本项目从长链非编码RNA的角度深入阐述了HOTAIR在BMSC骨向分化过程中的时、空变化规律及调控机制，以及其对失重性骨丢失的影响，为失重性骨丢失的精确调控提供新的靶点。