组蛋白甲基转移酶NSD1调节软骨发育与骨关节炎的分子机制研究

Osteoarthritis is a common chronic progressive bone joint disease, causing high health and economic pressure on society. Because the molecular pathological mechanisms of osteoarthritis remain largely elusive, the effective prevention and treatment programs have yet to be found. Osteoarthritis is mainly manifested as the degeneration of articular cartilage and joint cartilage cells exhibited hypertrophy and apoptosis. Epigenetic alterations are closely related with osteoarthritis. Our previous study found that mesoderm mesenchymal stem cells or chondrocytes specific Nsd1 (an important H3K36 methyltransferase) conditional knockout mice showed osteoarthritis like phenotype with the decrease of articular cartilage proteoglycan, the thicker bone at the edge and the increase of hypertrophic chondrocytes number. We propose to do further cartilage phenotype analysis of Nsd1 conditional knockout mice using histochemical and μCT analysis to understand the effects of NSD1 on articular cartilage development and osteoarthritis model. By the method of biochemistry and molecular biology, combined with in vitro culture of chondrocytes, we will further identify the effects of NSD1 on histone H3K36 methylation and elucidate the role and the molecular mechanism of NSD1 in cell differentiation, maturation of articular cartilage and the progression of osteoarthritis. The project will help to understand the pathological mechanisms of osteoarthritis.

骨关节炎是一种常见的慢性进行性骨关节病，严重影响国民健康。目前对骨关节炎的病理分子机制还不清楚，没有行之有效的预防和治疗方案。骨关节炎主要表现为关节软骨的变性，关节软骨细胞出现肥大和凋亡等病理现象。已知表观遗传的改变与骨关节炎有密切关系。我们前期研究发现，组蛋白H3K36甲基转移酶NSD1在中胚层间质干细胞或者软骨细胞中条件性敲除，导致小鼠关节软骨处蛋白聚糖下降，关节缘骨质增厚，肥大细胞数目增加，表现出骨关节炎类似表型。本项目拟利用组织化学和μCT分析等技术手段，进一步分析Nsd1基因对软骨发育与常见骨关节炎模型的影响。同时利用生物化学和分子生物学的方法，结合离体软骨细胞培养，鉴定NSD1以及组蛋白H3K36甲基化对下游基因转录的影响，研究NSD1在关节软骨细胞分化、成熟以及骨关节炎发生、进展中的作用及其分子机制。本项目的实施将有助于对骨关节炎病理分子机制的理解。

骨关节炎是一种严重影响人们生活质量的慢性退行性关节疾病，目前中国骨性关节炎患者超过1.2亿人。研究骨关节炎发病的分子机理，寻找有效的治疗靶点，对进入老龄化社会的中国具有极其重要的意义。我们的工作发现在间充质干细胞中敲除组蛋白H3K36甲基转移酶NSD1后，会引起小鼠软骨发育异常与骨关节炎病理的发生，而在软骨细胞中敲除NSD1则不会引起小鼠发育异常；进一步通过细胞生物学研究发现在间充质干细胞中敲除NSD1会引起软骨前体细胞的增殖能力增强、软骨分化能力下降。通过转录组测序与染色质免疫共沉淀测序发现主要是由于软骨细胞分化的关键转录因子Sox9水平发生了下调，并且当NSD1敲除后Sox9的上游调节因子Hif1α及其下游基因水平也都发生下调，表明NSD1可以通过直接和间接两种方式来调控Sox9的表达，从而调节软骨细胞的分化。在NSD1缺失的软骨前体细胞中补充Sox9后，软骨细胞的分化得以回复。间充质干细胞中NSD1敲除小鼠的表型与Smad3敲除小鼠在软骨发育和骨关节炎病理发生的表型类似，借助分子生物学的实验方法发现NSD1与Smad3有相互作用，NSD1与Smad3在细胞核中存在共定位，并对Sox9具有协同促进其表达的作用，当NSD1与Smad3同时敲除后，小鼠体型显著缩小，关节软骨蛋白聚糖的缺失与肥大软骨细胞的增加更加明显，提示NSD1与Smad3在调节软骨发育与骨关节炎病理发生上具有协同调控作用。本研究为软骨发育异常及骨关节炎疾病的治疗提供了新的治疗靶点，并拓宽了表观遗传学对软骨发育及骨关节炎病理影响的研究。项目资助期间，共发表与“骨发育与退行性骨病的分子机制”密切相关的通讯/共同通讯作者论文8篇，其中IF＞10的6篇。在基金的资助下，鉴定了多个影响骨发育与修复的关键分子，并构建了多种疾病动物模型。