胚胎组织来源不同的额骨和顶骨的转录组表达谱的差异分析及其在头颅骨发育中的作用

The mammalian skull vault has dual embryonic tissue origins, namely the neural crest-derived frontal bone and paraxial mesoderm-derived parietal bone, which provides superior model to study the mechanism of osteoblast differentiation and intramembranous ossification. Recent studies reveal that neural crest-derived frontal bone exhibits superior osteogenic potential both in vivo and in vitro, triggering one novel strategy to induce innate bone regeneration rather construction. However, less is known as to the embryonic origins induced differences between frontal bone-derived osteoblasts and parietal bone-derived osteoblasts. Herein, our project will (1) focus on transcriptome differences between neural crest-derived frontal bone and mesoderm-derived parietal bone, and systematically analyze the pathways of differentially expressed genes as well as the relationship with osteoblast differentiation and bone formation; (2) characterize the expression pattern of the differential expressed genes in frontal bone and parietal bone in tissue-dependent manner; (3) define the molecular function of the differential expressed genes in frontal bone-derived and parietal bone-derived osteoblasts formation, differentiation and maturation. The ultimate goal of our study is to provide new insights and genetic molecular mechanism to better understand the differences between neural crest-derived frontal bone and mesoderm-derived parietal bone, and it is also advantageous to find novel potential target to promote robust bone regeneration which will be beneficial to be translated into clinical application.

哺乳动物头颅骨发育中，神经嵴细胞来源的额骨、中胚层细胞来源的顶骨具有不同的胚胎组织来源，二者骨发育采用膜内成骨，是研究成骨细胞分化的理想模型。近期研究发现额骨组织的成骨细胞分化具有优异的骨再生潜力，从而启发一种新的颅面骨重建思路即内源性骨再生。但胚胎组织来源的双重性所导致的潜在成骨细胞分化机制仍不清楚。为此，本项目拟（1）揭示小鼠胚胎发育过程中额骨、顶骨组织的转录组表达谱的差异性，整体分析差异表达的基因与成骨细胞分化和骨形成的关联性；（2）在细胞和分子水平上确定差异基因在额骨、顶骨组织胚胎发育中的表达类型及组织特异性；（3）分析差异基因在额骨、顶骨组织来源的成骨细胞形成、分化及成熟中的作用。本项目的研究成果将为理解哺乳动物头颅骨发育中胚胎组织来源不同的额骨、顶骨在骨形成机制中的差异性提供新的理论依据和遗传分子机制，也利于发现新的分子靶点益于内源性骨再生和临床医学转化应用。

头颅骨是高度进化并精细调控的器官，对大脑发育提供至关重要的保护功能。头颅骨包括不同的骨元件，如一对额骨，一对顶骨和一个间顶骨，均为膜内成骨，但这些骨元件却有不同的组织来源，如额骨组织来源于神经脊细胞，而顶骨组织来自中胚层。前期研究发现神经脊细胞来源的额骨组织具有优异的成骨细胞活性和骨再生能力，从而启发一种新的治疗骨缺陷的模式，即内源性骨再生，以期找到一个基因开关可以启动内源性骨再生能力，这对于临床医学转化和再生医学具有重要的价值。但头颅骨组织来源所导致的基因调控网络并不清楚。为此，本研究首先采用转录测序序技术对胚胎时期骨正发生时的额骨和顶骨组织进行分析，共筛选出325个显著差异基因，这些差异基因通过表达组织特异性的基因维持额骨和顶骨的组织来源，还体现在其所参与的细胞增值、分化、细胞外基质及富集的信号通路等方面。针对感兴趣的靶基因，利用条件性基因敲除小鼠模型研究其在头颅骨发育中的功能。在神经脊细胞谱系分析的两种动物模型中，我们揭示了Wnt1-Cre和P0-Cre在颅面胚胎发育阶段存在脑区域的差异性，为此，我们选用可更早在神经脊细胞中敲除靶基因Nf2的Wnt1-Cre动物模型，在组织学、胚胎学以及细胞分子水平上研究其对头颅骨发育的影响。研究发现：Nf2在神经脊细胞中敲除导致头颅骨发育异常，额骨和顶骨骨元件部分缺失、头颅和骨膜层变小、成骨细胞活性显著下降、骨矿化延迟，转录因子Runx2和Osterix在Nf2缺失的额骨组织中明显减少，而在顶骨中表达缺失。可见，Nf2在头颅骨发育中具有双重调控机制，即在额骨组织中以自分泌形式影响其发育，同时又以旁分泌形式影响顶骨组织发育。课题研究揭示了Nf2在头颅骨发育的基因调控网络中重要功能，为进一步深入理解靶基因在头颅骨的不同区域中的分子机制奠定了基础，同时也为研究靶基因在头颅骨缺陷的疾病模型中启动内源性骨再生的相关性的研究提供了重要理论依据和新的分子靶点。