Notch通路在骨细胞力学响应和诱导骨重建中的作用及其机制

Osteoporosis is mainly caused by abnormal bone remodeling, and mechanical stimulation have significant impact on bone remodeling. As a mechanical signal inductive cell, osteocyte play an important role in bone remodeling, and recent studies demonstrate that Notch signaling pathway plays a key role in the development of osteocyte. The mechanism of Notch signaling pathways affecting bone remodeling under fluid shear stress is still unclear. Our preliminary experiment demonstrated that Notch signaling pathways may accept fluid shear stress and affect bone remodeling through osteocyte, and the mechanism is still unclear. In this study, we hypothesis that under the influence of fluid shear stress, Notch signaling pathways may change bone remodeling by adjusting the response of osteocyte to mechanic stimulation. In order to verify this hypothesis, by using osteocyte (MLO-Y4), Notch gene knockout mice model, and by exert physiological loading and fatigue loading on the mouse through ulna, under morphometry study to study the function of Notch signaling pathways on bone remodeling in osteocyte, tissue, as well as in vivo, to definite how Notch signaling pathways affect bone remodeling in mechanical environment. Our research will lay foundation for the reveal of how mechanical environment affect bone remodeling by Notch signaling pathways, and provide new way and methods to treat osteoporosis.

骨重建异常易导致骨质疏松等疾病，骨细胞作为重要力学信号感应细胞在骨重建中发挥关键作用，Notch信号通路可影响骨细胞发育等，但迄今Notch信号通路与力学环境下骨重建的关系仍知之甚少。我们预实验结果提示，Notch信号通路可能通过骨细胞感受流体剪切力影响骨重建，但其作用机制还有待进一步探讨。本项目拟采用MLO-Y4骨细胞系和Notch基因敲除小鼠模型，通过应用骨细胞流体剪切力加载、尺骨生理加载和疲劳加载、细胞分子生物学、组织学和形态计量等技术方法，从分子、细胞、组织和动物整体等层次探讨力学加载条件下Notch信号通路在骨细胞增殖和凋亡中的作用及其机制以及在体Notch信号通路调控骨细胞影响骨重建的作用，为阐明力学环境影响骨重建机制研究以及骨质疏松等疾病的防治提供新的力学生物学实验依据。

骨重建异常易导致骨质疏松等疾病，骨细胞作为重要力学信号感应细胞在骨重建中发挥关键作用，Notch信号通路可影响骨细胞发育等，但迄今Notch信号通路与力学环境下骨重建的关系仍知之甚少。研究发现（1）notch信号退路可以通过wnt影响骨细胞力学响应。在骨细胞中激活NOTCH1会导致骨细胞分化和增值功能改变，从而产生响应骨硬化表现，骨细胞中激活NOTCH1可以通过下调SOST和增强Wnt信号通路引起骨细胞功能的明显改变，而SOST不抑制骨细胞中Notch信号通路，也不调节ROSA26表达，表明SOST水平不能防止NOTCH信号通路引起的低骨量表现；（2）骨细胞中Notch1的激活诱导了Tnfrsf11b并抑制了编码Wnt拮抗剂dickkopf1的Sost和Dkk1，这可能解释了在小鼠中观察到的骨吸收的抑制。Notch敲除小鼠逆转Notch诱导的骨质疏松表型可能是由于notch等位基因抑制了Nicd的表达，而不是由于SOST水平的恢复。Notch1 Nicd的下调是由于Rosa26启动子的抑制和Cre重组酶的减少。（3）在体研究发现，notch信号通过可以调控骨重建过程。研究发现骨细胞中经典NOTCH通路激活会导致骨硬化表型。在雌性小鼠中观察到骨细胞中Notch激活的相似表型，并且在Rbpjκ失活的情况下该表型也被逆转；Notch小鼠表现出松质和皮质骨性骨质减少，增强了破骨细胞生成，并增加了骨吸收。Notch1 Nicd诱导导致雌性小鼠的体重和股骨长度减少，但雄性小鼠的体重和股骨长度没有减少。（4）Notch信号通路调控骨重建与修复骨显微损伤机制与PTH密切相关。研究发现甲状旁腺激素抑制成骨细胞中的Notch信号传导。PTH通过降低Rbpjκ与DNA结合的能力发挥作用。总之，成骨细胞和骨细胞中Notch的下调可能代表了促成PTH在骨中合成代谢作用的机制。PTH抑制Hey1和HeyL mRNA水平，但不抑制Hey2。证实先前的观察结果，PTH下调了Sost mRNA水平。这表明PTH抑制Rbpjκ介导的Notch信号传导；Notch1过表达通过抑制Wnt抑制成骨细胞生成，但不抑制骨形态发生蛋白信号传导。这些结果表明，尽管NICD的过表达阻止了BMP-2对成骨细胞的作用，但它并未改变BMP信号传导，这表明Notch与BMP下游事件和生物学活性所必需的其他因素相互作用。