胰岛素受体底物双向调节骨代谢与脂肪代谢的作用与机制

随着衰老的出现，骨髓腔内红骨髓逐渐被黄骨髓取代，具有成骨潜力的基质细胞也逐渐被脂肪细胞取代，使骨代谢、脂质代谢紊乱与胰岛素抵抗逐渐发生；如使骨髓腔内脂肪细胞向成骨细胞分化则可实现对三者同时治疗。我们前期研究发现IRS-1能调节前脂肪细胞与前成骨细胞增殖与分化，可能是决定两种细胞间分化的关键因子。本研究将建立早期脂肪特异性基因剔除小鼠、分组去卵巢及高脂饮食处理，通过IRS-1过表达病毒基因转移系统适时恢复其表达，流式分选出成熟与未成熟的脂肪细胞、成骨细胞、基质干细胞，不同条件下诱导分化，检测关键信号转导通路、成脂能力、脂肪分解、胰岛素抵抗和代谢标记物等的变化；综合矿化结节形成与油红O染色考察IRS-1在前成骨细胞与前脂肪细胞双向分化中的作用，确定IRS-1能否诱导前脂肪细胞与前成骨细胞的阶段特异性分化，判断IRS-1组织特异性剔除联合MAPK激动剂在治疗多代谢紊乱中的潜在价值。

骨髓基质干细胞是成骨细胞和脂肪细胞的共同起源，随着衰老的出现，具有成骨潜力的基质细胞逐渐被脂肪细胞取代，使骨代谢、脂质代谢紊乱与胰岛素抵抗逐渐发生；如何使骨髓腔内脂肪细胞向成骨细胞分化已成为代谢性疾病领域研究的热点。本项目首先在体外通过细胞模型的IRS-1 knock-down研究发现：IRS-1能调节脂肪细胞与成骨细胞的形成；为在体内进行进一步验证，我们建立了IRS-1基因缺失小鼠模型，结果发现IRS-1纯合子小鼠出生后大部分马上死亡，不到四分之一能存活；存活下来的纯合子小鼠体重只有正常野生型小鼠体重一半，明显的缺少皮下脂肪。进一步研究发现纯合子小鼠的体型较小并非由于进食量少而引起，反而与运动量增加有关，但基础代谢率、呼吸商与野生型小鼠没有明显差别；纯合子血糖水平明显降低，但葡萄糖耐量试验与胰岛素耐量试验均表明纯合子小鼠的血糖波动反而更小，血糖随时间的变化幅度不大，更易引起胰岛素抵抗。1月龄纯合子小鼠较1月龄野生型小鼠相比，骨小梁结构稀疏，骨皮质厚度也明显降低，皮质骨面积与总面积比值降低。1年龄纯合子小鼠相比于同龄野生型可见骨小梁结构及骨皮质均致密，皮质骨面积与总面积比值升高，表明IRS-1基因表达缺失对小鼠骨量的影响表现为先减少而而后增加。而纯合子小鼠的皮下脂肪、内脏脂肪明显减少，通过高脂饮食喂养发现，野生型高脂饮食小鼠则出现明显的肝脏脂肪变性，骨骼肌间隙及骨髓腔中均充满大量的脂肪组织，而纯合子小鼠即使在高脂饮食下也不发生肥胖，说明IRS-1的剔除能明显抑制骨髓基质干细胞向脂肪细胞分化，在1年龄以上小鼠的骨皮质中，充满大量碱性磷酸酶染色阳性的成骨细胞，说明IRS-1剔除使小鼠晚期的骨形成能力增强，而破细胞变化不大。为探寻上述变化的机制，我们分别利用骨代谢相关、脂肪代谢相关的PCR Array寻找IRS-1所调控的差异骨/脂肪代谢相关基因，利用miRNA芯片筛查差异miRNA，综合PCR Array和miRNA芯片的结果，我们发现了miR-342调节的I型胶原A2、miRNA-503调节的BMPR1a通路均参与了IRS-1对骨代谢和脂肪代谢的调节。本项目研究确定了IRS-1 能通过miR-503/BMPR1a通路阶段特异性调节成骨细胞分化及向骨细胞转化，而对脂肪细胞则是明显的正调控作用，因而IRS-1 组织特异性中和抗体在治疗多代谢紊乱中可能具有非常重要的价值