雌激素介导成骨细胞外泌体整合素系统调控骨重建的作用及分子机制研究

Osteoporosis is a serious global public health problem. The postmenopausal osteoporosis is closely related to the disequilibrium of bone remodeling, which results from the estrogen deficiency. However, its regulatory mechanism has been largely unknown. . Exosome is a newly discovered vesicle communicator, which is involved in the signal transduction and regulation of cell function. It is proved to be influenced by many external factors stimulation. Recent studies have shown that osteoblasts can achieve systemic bone remodeling regulation through exosomes. Our previous work found that estrogen can affect the secretion and protein composition of exosomes of osteoblasts, and may identify the important cells involved in bone remodeling through the integrin system (Integrin α1β1, α6β1) in them, then activate the downstream signaling pathway to maintaining balance of bone remodeling. While the precise recognition characteristic and molecular regulation network needs to be further elucidated. Thus, we designed the comprehensive project involves quantitative proteomics and bioinformatics research platform in combination with genome-editing technique to further analyze the roles and molecular mechanisms of estrogen-mediated exosome integrins of osteoblasts in regulation of bone remodeling.

骨质疏松是危害严重的全球性公共卫生问题。研究表明，雌激素缺乏导致的骨重建失衡是绝经后骨质疏松的主要原因，但具体机制仍未明确。. 外泌体是一种活细胞分泌的纳米级囊泡，介导细胞间的信息传递和功能调控。最新研究表明，骨细胞来源的外泌体在全身性骨重建调节中发挥重要功能，其作用受多种外部因素的影响。我们前期发现，雌激素诱导下，成骨细胞外泌体表达量和蛋白质构成发生显著变化。进一步研究显示，其内含的整合素系统（Integrin α1β1、α6β1）及其相关蛋白表达升高，推测可能是雌激素调控骨重建平衡的关键环节，但其作用特性和分子调控网络亟待进一步阐明。据此，我们设计本课题，拟利用定量蛋白质组学平台结合基因编辑技术，进一步分析和验证雌激素介导成骨细胞外泌体整合素系统、调控骨重建的作用和相关分子机制，以期深刻认识绝经后骨质疏松的病理生理变化，为骨质疏松治疗提供新的思路及治疗靶点。

骨重建是由破骨和成骨构成的动态平衡过程，骨质疏松主要表现为骨重建失衡，新骨形成不足以修复骨破坏，然而其内在调节机制尚未阐明，导致现有抗骨质疏松策略副作用较大，对骨质强度的恢复效果欠佳。本项目前期研究发现，在雌激素诱导下，成骨细胞外泌体的表达量和蛋白质构成均发生显著变化，其中整合素系统相关蛋白可能是雌激素调控骨重建平衡的关键环节。本项目综合应用定量蛋白质组学平台，结合生物信息学分析、基因编辑小鼠模型、细胞生物学及分子生物学实验技术，在体外和体内水平对成骨细胞外泌体调控骨重建的机制开展深入研究。研究明确了雌激素诱导成骨细胞外泌体的全蛋白表达差异，生物信息学分析发现，雌激素介导成骨细胞外泌体与Wnt途径相关；成骨细胞分化成熟后，外泌体的TGF-β1和OPN等整合素系统相关蛋白表达发生改变。体外实验证实，雌激素诱导成骨细胞外泌体可抑制破骨细胞的增殖和分化，并显著降低破骨细胞的骨吸收功能，这一作用主要通过改变细胞骨架蛋白绑定，影响细胞的生长和维护，通过富集于MAPK信号通路的蛋白导致炎症反应增强，进而造成细胞凋亡。同时，雌激素诱导成骨细胞外泌体还可以通过细胞粘附和焦点粘附促进成骨细胞的早期钙化和骨形成，然而对成熟的成骨细胞骨形成能力未显示出显著的促进作用。此外，本项目还通过扩展研究发现，以OPN为核心的整合素蛋白系统主要在雄激素调控骨重建中发挥作用。雄激素可诱导成骨细胞外泌体OPN表达下降，进而间接抑制破骨细胞的融合和骨吸收功能，该调节过程依赖AR活性；人群血清学验证和成骨细胞条件敲除AR小鼠微重力实验结果提示，Tes-/AR通路在成骨细胞外泌体调控骨重建中扮演重要作用，去机械应力加载和AR缺失同时导致骨重建失衡。该发现有助于创新一种兼顾重建骨质结构和改善骨骼力学性能的抗骨质疏松策略，从而降低骨质疏松及相关骨折的危害。