脂肪巨噬细胞外泌体-miR-1945通过影响BMSCs成骨与成脂命运调节骨代谢的作用机制研究

Visceral fat accumulation is a high risk factor of osteoporosis, but the mechanism is unclear. We found that obese adult visceral adipose tissue macrophages (ATMs) derived exosomes regulate the lineage fate of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) between osteoblasts and adipocytes. We identified a key factor in ATMs exosomes: miR-1945. Therefore, we hypothesize that “obese ATMs derived-exosomal miRNA-1945 regulates bone metabolism through affecting osteogenic and adipogenic lineage fate of BMSCs”. To test this hypothesis, first, we will determine whether the ATMs-derived exosomal-miR-1945 can be transported into BMSCs and regulate the osteogenic and adipogenic fate of BMSCs in vivo and in vitro; second, the macrophage-specific miR-1945 knockout mice will be constructed to test the role of miR-1945 on the lineage fate of BMSCs in the bone loss mouse model induced by high-fat diet; at last, we will predict and validate the target genes of miR-1945 to construct downstream network of ATMs-derived exosomal-miR-1945 regulating the osteogenic and adipogenic fate of BMSCs. Completion of this project will provide new theories for the molecular mechanisms of obesity-induced osteoporosis.

内脏脂肪堆积是骨质疏松症的高危因素，其机制不明。我们前期研究发现：肥胖成年人内脏脂肪巨噬细胞（ATMs）外泌体调节骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨与成脂命运，并筛选出外泌体中关键因子：miR-1945。本课题拟从此着手，提出“肥胖ATMs外泌体-miRNA-1945通过影响BMSCs成骨与成脂命运调节骨代谢”的假说。为了验证此假说，我们首先在细胞及体内水平示踪ATMs外泌体-miR-1945转移至BMSCs中，并检测其调控BMSCs成骨与成脂命运的作用；其次构建巨噬细胞特异性miR-1945基因敲除小鼠，观察其在高脂饮食诱导骨丢失模型中BMSCs分化命运及骨量的变化；最后预测并验证miR-1945下游靶基因，构建ATMs外泌体-miR-1945调控BMSCs成骨与成脂命运的通路网络。本课题的顺利开展将为肥胖调节骨质疏松的作用及机制提供新理论。

研究背景：.肥胖常伴有多器官代谢紊乱，包括骨代谢紊乱等等。机体慢性炎症是肥胖致代谢紊乱的重要病理特征，而巨噬细胞作为机体最重要的免疫细胞之一，有研究报道其释放的外泌体能影响肥胖相关的糖脂代谢紊乱，但肥胖状态下骨髓巨噬细胞释放的外泌体（BMMs-Exos）是否与肥胖相关的骨代谢的变化有关尚不清楚。.研究内容：.分离高脂及普食小鼠BMMs并提取BMMs-Exos，观察BMMs-Exos对BMSCs成骨-成脂分化的影响；继而通过对BMMs-Exos进行microRNA测序及功能验证，筛选出差异表达的关键microRNA；通过用过表达该microRNA的外泌体处理BMSCs，探究其对BMSCs成骨-成脂分化命运的调控作用；机制上，我们用microRNA靶点预测网站以及蛋白印迹等实验预测并验证该microRNA的潜在靶点，最后，通过体内注射该microRNA的过表达腺相关病毒观察其对肥胖小鼠骨微结构的影响。.研究结果：.高脂饮食小鼠骨量明显降低，骨髓腔内脂肪细胞明显增多，成骨细胞数量减少，并伴有巨噬细胞数量增加；普食BMMs-Exos能够促进BMSCs成骨分化，抑制其成脂分化，而高脂BMMs-Exos的作用明显减弱；通过外泌体microRNA高通量测序筛选出差异表达的microRNA-1945和microRNA-378a-3p；对比二者对BMSCs分化的作用强度，我们选择microRNA-378a进行进一步研究。microRNA-378a-3p促进BMSCs成骨分化并抑制其成脂分化且其在高脂BMMs-Exos中含量显著降低；过表达microRNA-378a-3p的外泌体促进BMSCs成骨分化并抑制其成脂分化；发现PPARα是microRNA-378a-3p调控BMSCs成骨-成脂分化过程的潜在靶点。体内注射腺相关病毒过表达microRNA-378a-3p可以改善高脂饮食诱导的骨丢失。