骨改建中HIF-1α对骨细胞凋亡的调控机制研究

The hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) couples angiogenesis to osteogenesis during skeletal development and bone regeneration. However, the regulation of HIF-1α on osteocytes during bone remodeling is still not very clear. In pre-experiments we found that activation of HIF signaling pathway by disrupting von Hippel-Lindau gene (VHL) in preosteocytes protected mice from ageing induced bone loss, but also led to increased apoptosis of osteocytes. The lacuno-canalicular network which represent the negative imprint of the osteocyte network within the bone matrix, exhibit a massive loss of canalicular network. The apoptotic osteoclasts could not be absorbed by osteoclasts, resulting in the inhibition of bone remodeling, which finally caused decreasing of bone quality. To investigate the regulation of HIF-1α on the apoptosis and biological function of osteocytes during bone remodeling, we will generate mice lacking HIF-1α/VHL in osteocytes and detect the differentiation, functional phenotype and apoptosis of osteocytes losing HIF-1α/VHL in vivo and in vitro, and study the regulating mechanism of HIF-1α on osteocytes in the development and progression of postmenopausal osteoporosis by ovariectomy model. This study will deepen the understanding of the mechanism of bone remodeling, and provide a new method to prevent and cure osteoporosis.

低氧诱导因子（HIF-1α）在骨发育和骨再生中将血管生成和骨形成偶联，但HIF-1α对骨改建的调控作用，及其对骨细胞凋亡的调控作用仍未明了。我们预实验发现HIF-1α在骨细胞前体细胞的高表达导致骨细胞凋亡增加，但骨细胞网络结构和骨陷窝骨小管结构系统破坏，凋亡的骨细胞未被破骨细胞吸收，致骨改建受限、骨质量的下降。为研究HIF-1α在骨改建中对骨细胞凋亡的调控机制：我们建立骨细胞HIF-1α/VHL基因条件性敲除小鼠；体内检测HIF-1α/VHL基因缺失后骨细胞的凋亡及其对骨改建和骨质疏松发生发展的影响；体外敲除骨细胞的HIF-1α/VHL基因，研究HIF-1α与β-catenin的相互作用，及其对凋亡相关基因的调控作用。本研究从HIFs对骨细胞凋亡的调控这个新视点为揭示骨改建的发生机制奠定基础，为骨质疏松的防治提供新思路。

低氧诱导因子是迄今发现的组织细胞在低氧状态下诱生的最直接或唯一的调控因子，也是调节低氧状态下细胞分化和存活的关键性调节因子。在细胞内HIFα的代谢过程中，羟基化的HIFα可被VHL蛋白酶识别并由其降解，从而抑制低氧/HIFs信号通路的传导。骨细胞来源于成熟的成骨细胞，是间充质干细胞的终末分化状态。骨细胞的数量是骨组织中最多的，占骨组织细胞95％以上。骨细胞均匀地分布在矿化的骨基质中，通过细胞膜的多个突触结构互相连接并与骨基质表面的细胞连接形成网状的细胞结构。因此骨细胞被认为是一种理想的细胞，在骨组织发育和代谢过程中启动细胞的生物化学反应。低氧诱导因子（HIF-1α）在骨发育和骨再生中将血管生成和骨形成偶联，骨软骨祖细胞中高表达的HIFs可减少高龄给小鼠带来的骨丢失，成骨细胞中高表达的HIFs能有效地对抗雌激素降低引起的骨缺失，但其具体机制以及HIFs对骨细胞的凋亡调控作用仍未明了。为研究HIFs在骨改建中对骨细胞凋亡的调控作用，我们建立骨细胞HIF-1α/VHL基因条件性敲除小鼠，在体内检测HIF-1α/VHL基因缺失后骨细胞的凋亡状况的变化及其对骨改建和骨质疏松的发生发展的影响，体外运用RNA干扰技术抑制小鼠骨样细胞IDG-SW3的HIF-1和VHL的表达，检测细胞的凋亡情况，研究HIF-1调控骨细胞生物学行为的具体分子机制。本课题成功构建条件性敲骨细胞HIF-1α和VHL基因敲除动物模型，并验证条件性敲除的准确性。在此基础上，研究发现骨细胞条件性敲除HIF-1α 后，骨细胞分化加速，骨细胞网络结构和骨陷窝骨小管结构系统增强，骨改建进程呈现高转换的加速状态；相反，激活低氧/HIFs信号通路，骨形成显著增加，但骨结构异常、胶原排列不规则，生物力学特性有所改变，骨细胞网络结构和骨陷窝骨小管结构系统破坏，骨细胞β-catenin的表达降低、凋亡增加，并且致使骨改建障碍。本研究加深了对骨塑形和骨改建发生机制的认识，对探询促进骨修复、治疗骨丢失性疾病有着重要的指导意义，为筛选与设计以HIF-1α为靶点的调控骨改建的药物或生物制剂、基因药物等提供新的科学依据。