利用EP1敲除小鼠模型研究调节间充质干细胞生长和分化的关键基因

Mesenchymal stem cell (MSC), in addition to be a crucial component of the hematopoietic stem cell niche, has been confirmed to be responsible to bone regeneration. However, the underlying mechanism of MSC proliferation and differentiation has not been clarified. Previous studies well confirmed that 1) EP1-/- mice exhibit increased MSC population and accelerated differentiation into osteoblasts; 2) PTH intermittent treatment stimulates MSC differentiation. Therefore, genes regulated by both EP1, via calcium signaling, and PTH, via PKA signaling, may play important role in regulating MSC functions. The current proposal attempts to elucidate the mechanism of mesenchymal stem cell regulation by i) screening genes that regulated by both EP1 and PTH signaling by micro-array assay and RT-PCR; ii) using in vitro differentiation assay to confirm that EP1/PTH signaling target genes are able to regulate MSC funstion; iii) using cortical bone defect model and murine graft model to confirm target genes in vivo and to promote bone formation by controlling MSC differentiation. Identifying the genes that involved in regulating MSC function and controling their expression level will significantly contribute to the study in aging induced MSC defects.

除了作为血液干细胞巢的重要成员，间充质干细胞还承担着调节骨再生的重要功能。然而间充质干细胞生长和分化的调节机理仍不清楚。前期的研究已经证实了：1）EP1敲除小鼠中间充质干细胞生长和分化加速；2）PTH间断注射也会刺激间质干细胞分化。因此，同时被EP1通过钙信号传导以及PTH通过PKA信号传导所共同调控的基因很可能具有重要的调节间质干细胞的功能。为了揭示间充质干细胞的调节机理，采取的科研手段有：1）用微阵列技术以及RT-PCR技术筛选被EP1及PTH共同调控其RNA表达的目标基因；2）用体外细胞分化实验验证筛选的目标基因是否具有调节间充质干细胞的能力；3）用小鼠皮质骨骨折模型以及骨嫁接模型进一步验证目标基因调解间充质干细胞的能力,通过调节间充质干细胞达到促进骨生长的作用。间充质干细胞调节基因的确定以及调节对研究衰老过程中出现的间充质干细胞缺陷具有重要的作用。

在骨科研究中， 通过调节骨的新陈代谢从而治疗骨质疏松和骨折愈合一直以来都是研究的热点。近年来调节骨的新陈代谢的研究趋势已经从已经从以前的抑制骨吸收转向了促进骨生成。在之前的研究中发现PGE2下游的其中一个受体EP1的信号传导通路对骨折愈合有负调节作用。间质干细胞生长和分化是骨生长中至关重要的一环，PGE2信号通路对间质干细胞的生长和分化有重要的调节作用。以此为依据，在本项目中，我们对EP1基因敲除小鼠的骨密度，骨生长速度，以及骨髓中间质干细胞的生长分化进行了深入研究。研究结果表明1）EP1基因敲除小鼠骨生成速度是野生型小鼠的两倍，但骨吸收没有变化；2）EP1敲除小鼠对衰老或者更年期引起的骨质疏松有抑制作用；3）EP1敲除小鼠中含有更多CD45-，Sca1＋的细胞以及成骨细胞的祖细胞；4）EP1基因敲除小鼠的骨髓细胞培养中基质细胞的生长和分化加速；5） EP1拮抗剂在体外细胞培养中能促进骨髓基质细胞的分化；6）EP1拮抗剂在动物实验中能促进骨折愈合。. 本项目的研究结果对骨质疏松和骨折愈合的研究有重要意义。我们的研究证实了1）PGE－EP1信号对骨生长有负调节作用但对骨吸收没有影响，因此EP1特异性拮抗剂有望成为新一代治疗骨质疏松、促进骨折愈合的治疗方法；2）PGE2－EP1信号通路对间充质干细胞的生长分化有调节作用，对器官的修复和抗衰老有重要的影响。. 间充质干细胞除了具有多向分化潜能，可以促进器官修复之外，还能支持造血干细胞的更新和分化。本项目的另一个研究方向是用RNAseq的手段研究基质细胞释放的哪些因子可以促进造血干细胞的增值和再生。研究发现1）基质细胞分泌的生长因子ANGPTL7能有效调控造血干细胞的增值和再生；2）ANGPTL7是通过Wnt信号通路对造血干细胞的进行调控的。这项研究的成果对于阐明造血干细胞的调控有重要作用。