转录因子NFIA通过调控成骨/成脂分化平衡影响骨稳态的作用及其机制研究

Osteogenic differentiation and adipogenic differentiation are not isolated from each other, but they are mutually restricted. In the previous work, our research group confirmed that NFIA could inhibit the osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells and mesenchymal cell lines and promote adipogenic differentiation. At the same time, it is suggested that Igfbp5, Sfrp1 and classical Wnt pathway may be involved in this process. The topics to be further confirmed by in vitro experiments, and explore whether NFIA promotes the transcription of Sfrp1 and then results in down-regulation of Wnt signal, or inhibit Wnt/β-Catenin pathway activity through the direct interaction between proteins; whether NFIA regulate intracellular Igfbp5 by inhibition of Igfbp5 gene transcription to act on the differentiation of bone marrow stromal cells and progenitor cell. After establishment of Nfia gene knockout mouse model, the phenotypes of the conditional knockout (cKO) mice will be analyzed such as bone mass, bone mineral density, the bone formation rate, mineral apposition rate, etc. Differentiation of osteoblasts and activity of Wnt/β-Catenin signaling will be determined in the bone marrow cells and calvarial cells isolated from the cKO mice. The effect of Nfia on OVX mice with osteoporosis will be also observed. This study will provide an important experimental basis for the improvement of bone quality, prevention and treatment of bone metabolic diseases and metabolic disorders caused by abnormal bone function by NFIA signal network.

成骨分化与成脂分化不是彼此孤立的过程，而是存在着相互制约的平衡关系。申请人课题组在前期工作中证实NFIA抑制骨髓基质细胞系和间充质细胞系的成骨分化而促进其成脂分化。同时研究发现Igfbp5、Sfrp1以及经典Wnt通路可能参与此过程。本课题拟通过体外实验进一步证实，并深入探讨NFIA是否促进Sfrp1转录而下调Wnt信号，或者通过蛋白间直接相互作用而抑制Wnt/β-Catenin通路活性；是否通过抑制Igfbp5基因转录而调节Igfbp5的水平和活性，进而调节骨髓基质干细胞和前体细胞的分化方向；将建立成骨前体细胞Nfia基因敲除鼠模型，检测NFIA对成骨成脂细胞分化平衡和骨稳态的影响及相关机制，同时观察Nfia缺失后小鼠抗骨质疏松能力的变化。本研究将为通过干预NFIA信号网络来提高骨质量，防治骨代谢疾病及由骨功能异常导致的机体代谢紊乱提供新思路。

在前期工作中，我们发现NFIA抑制骨髓基质细胞系和间充质细胞系的成骨分化而促进其成脂分化。本研究在此基础上，进一步在原代骨髓基质细胞中证实了NFIA调控成骨/成脂分化的作用。在机制研究中，我们根据生物信息学软件预测结果并结合luciferase实验、Western blotting技术筛选鉴定出Sfrp1是NFIA的直接靶基因。Sfrp1功能研究证实Sfrp1可抑制前体细胞成骨分化促进其成脂分化。将Nfia过表达后Sfrp1的mRNA表达减少，Wnt/β-catenin通路被抑制。而抑制Sfrp1 的表达可减弱NFIA对成脂分化的促进作用并且逆转其对成骨的抑制作用。结果表明NFIA通过转录激活Sfrp1的表达进一步抑制Wnt/β-catenin通路活性，从而促进前体细胞成脂分化抑制其成骨分化。.为了进一步揭示 NFIA 的功能，我们构建了成骨前体细胞特异性敲除 Nfia 小鼠，分离3月龄小鼠颅盖骨原代细胞及小鼠BMSCs细胞进行诱导培养，与体外结果一致，即细胞成骨分化增强而成脂分化减弱。此外，分离骨髓细胞进行破骨诱导，可见破骨细胞分化增强，这说明体内NFIA既抑制了成骨细胞分化同时也抑制了破骨细胞分化。5月龄小鼠出现了小梁骨量明显减少的表型。课题组关于NFIA通过调节破骨细胞分化影响骨稳态的后续研究受到2021年国家自然科学基金的项目资助。.综上，NFIA抑制骨髓基质干细胞成骨分化而促进其成脂分化，成骨细胞谱系NFIA的表达又可抑制破骨细胞分化，其表达紊乱可引起骨稳态异常和骨量改变，本研究深化了对骨组织细胞发育和骨稳态规律的认识，为防治骨质疏松等骨代谢疾病提供新思路和新靶点。