组织非特异性碱性磷酸酶调控GSK3β磷酸化在低碱性磷酸酯酶症骨量下降中的机制研究

Liver/bone/kidney alkaline phosphatase gene (ALPL) is a key marker of osteogenic differentiation, its’mutation causes bone mass loss, named Hypophosphatasia (HPP). Our previous works showed that the osteogenetic differentiation was decreased in BMSCs of HPP patients, which is closely related to osteopenia. However, ALPL how to regulate osteogenic differentiation of BMSCs is unclear. Tissue-nonspecific alkaline phosphatase coded by ALPL plays important role on dephosphorylation of protein. We found phosphorylation of GSK3β levels were significantly reduced in BMSCs of HPP patients, GSK3β as a key regulator for osteogenic differentiation. It suggests that TNAP maybe affect osteogenic capability of BMSCs through regulating GSK3β phosphorylation. We intend to use two systems of HPP patients and ALPL knockout mice to confirm the roles of p-GSK3β in ALPL defect BMSCs on osteogenic differentiation, and investigate the mechanism of TNAP regulation GSK3β phosphorylation, and evaluate therapeutic effect on bone mass loss in ALPL knockout mice using the p-GSK3β agonist. This project will preliminary clarify molecular mechanism which TNAP affect BMSCs functions via GSK3β phosphorylation, and provide a new strategy for treatment of HPP.

肝/骨/肾型碱性磷酸酶（ALPL）是成骨分化的重要标志基因，其突变导致患者骨量下降,即低碱性磷酸酯酶症（HPP）。我们前期证实HPP患者骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化下降，这与其骨质下降密切相关。然而ALPL如何调控BMSCs成骨分化尚不明确。ALPL编码的组织非特异性碱性磷酸酶(TNAP)主要发挥去磷酸化作用。我们发现HPP患者BMSCs中GSK3β磷酸化水平下降，该蛋白为调控成骨分化的重要元件，提示TNAP可能通过调控GSK3β的磷酸化影响BMSCs的成骨能力。本课题拟利用HPP患者及ALPL敲除小鼠两套系统明确GSK3β磷酸化在ALPL突变导致BMSCs成骨下降中的作用；探讨TNAP调控GSK3β磷酸化的分子机制；评估调控GSK3β磷酸化水平对ALPL敲除小鼠骨量下降的治疗效果。以期阐明TNAP调控GSK3β磷酸化影响BMSCs功能的分子机制，并为HPP治疗策略提供新思路。

肝/骨/肾型碱性磷酸酶（ALPL）是成骨分化的重要标志基因，其突变导致患者骨量下降,即低碱性磷酸酯酶症（HPP）。我们前期证实HPP患者骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化下降，这与其骨质下降密切相关。然而ALPL如何调控BMSCs成骨分化尚不明确。我们前期工作发现HPP患者BMSCs中GSK3β磷酸化水平下降，本研究以p-GSK3β 异常为突破口，拟通过研究GSK3β 磷酸化在ALPL 突变导致BMSCs 成骨分化能力下降中的作用；探讨ALPL调控GSK3β 磷酸化的分子机制；评估调控GSK3β 磷酸化水平对ALPL敲除小鼠骨量下降的治疗效果。.本项目取得了以下重要研究结果：首先，我们证实了恢复患者及ALPL敲除小鼠BMSC细胞内的GSK3β磷酸化水平明显恢复其成骨分化能力。随后，我们揭示了ALPL通过调控细胞外ATP水平和Wnt信号膜受体LRP6调控GSK3β磷酸化的分子机制；结合体外和体内实验，评估了GSK3β 磷酸化激活剂LiCl对ALPL敲除小鼠骨量下降的治疗效果。最后，我们的研究结果证实通过局部注射或系统性注射LiCl都可以有效改善ALPL敲除小鼠骨质量并恢复内源性MSC成骨分化能力。通过本项目的研究揭示了ALPL突变抑制细胞内GSK3β磷酸化导致BMSC成骨分化下降的分子机制，并明确了LiCl可有有效改善ALPL小鼠骨量下降的症状，为临床上HPP患者治疗策略提供新思路，具有重要理论与临床意义。