Kindlin-2调节骨骼发育和稳态平衡的作用及其机制研究

Skeletal development and homeostasis are complex processes that must be precisely controlled. We have recently found that deletion of Kindlin-2 expression in limb mesenchymal progenitor cells in mice results in multiple striking skeletal abnormalities including severe limb shortening and complete loss of skull vault due to impairment of both endochondral and intramembranous bone formation. Kindlin-2 ablation in mesenchymal progenitor cells dramatically reduces Sox9 expression and the density of chondrocytes and completely disrupts the chondrocyte column formation in the growth plates， which results in a large delay of the formation of primary ossification center in long bones and digits. Furthermore, ablation of Kindlin-2 expression in chondrocytes leads to progressive dwarfism and kyphosis in mice associated with defective chondrocyte function and chondrogenesis. These results, for the first time to our knowledge, demonstrate that Kindlin-2 plays a critical role in the regulation of skeletal development. In this study, we will continue this extremely exciting project by using a combination of sophisticated molecular and cellular approaches along with multiple novel mouse models and determine the role and mechanism whereby Kindlin-2 controls skeletal development and homeostasis. In addition, we will explore possible involvement of loss of Kindlin-2 in the development and progression of osteoarthritis using our animal models. Results from this study will help on identifying new therapeutic targets for the treatment of patients with osteoarthritis.

骨骼发育及其稳态平衡的维持是一个复杂的过程，必须进行精确的调控才能维持机体的正常功能。我们最近发现，在肢体间充质干细胞中特异敲除细胞粘附调节分子Kindlin-2的表达，可造成小鼠软骨内成骨和膜内成骨过程受损，导致严重骨骼畸形如短肢和颅顶骨完全缺失。删除Kindlin-2的表达显著降低Sox9在软骨细胞的表达和软骨细胞的密度, 破坏软骨柱的形成, 从而延迟初级骨化中心的形成。在软骨细胞特异删除Kindlin-2表达则损伤软骨细胞功能和软骨形成，导致小鼠进行性侏儒症和脊椎后凸畸形。这些结果证明了Kindlin-2对骨骼发育具有重要的调节作用。本课题将应用分子和细胞生物学手段及新型小鼠模型，继续深入系统地研究Kindlin-2分子调节骨骼发育和骨骼稳态平衡的作用及机制。本课题将进一步探索Kindlin-2缺失在促进骨关节炎的发生和发展中的可能作用，为骨关节炎的治疗提供新的靶点。

控制骨骼形成的信号还没有完全被阐明。哺乳动物有三种Kindlin蛋白, 即Kindlin-1、Kindlin-2和Kindlin-3。删除小鼠Kindlin-2基因导致早期胚胎死亡。迄今还不清楚KINDLIN-2基因突变是否能引起人类遗传性疾病。因此， Kindlin-2在特定组织和器官的发育和稳态平衡维持中的作用尚不清楚。为了研究Kindlin-2在骨骼发育中的作用，我们最近应用基因条件敲除技术，在肢体和头盖骨MSC细胞特异删除了Kindlin-2表达。本项目的主要研究内容是1）研究Kindlin-2对MSC分化和骨骼发育的调节作用及其机制；2）研究软骨细胞中Kindlin-2表达调节骨骼发育的作用和机制；3）研究软骨细胞中Kindlin-2表达在维持软骨稳态平衡中的作用和机制；4）研究软骨细胞中Kindlin-2表达在OA的发生和发展中的作用和机制。经过系统的研究，我们发现在Prx1+细胞内敲除Kindlin-2会造成小鼠出生时死亡，软骨发育不良及头盖骨缺失。Kindlin-2的敲除导致软骨细胞增殖减慢，凋亡增加，从而导致密度下降；还会造成软骨细胞柱状排列紊乱，导致初级骨化中心形成受损，从而造成小鼠四肢变短。机制研究发现，Kindlin-2的敲除会使Sox9的表达减少，Kindlin-2的过表达则使Sox9的表达增加。过表达Sox9可以恢复由于Kindlin-2的敲除造成的软骨细胞的分化缺陷。此外，Kindlin-2的敲除会抑制TGF-β诱导的Smad2的磷酸化和软骨细胞分化。在软骨细胞内敲除Kindlin-2的表达会直接损伤软骨细胞的功能，导致小鼠呈现进行性的侏儒及驼背。我们的研究揭示了Kindlin-2的新的功能及其调节软骨细胞分化和软骨形成的机制。