酸性细胞外基质蛋白对BMSC骨向分化的调节作用及相关机理研究

Mesenchymal stem cells (BMSC) has broad applications in the treatment of diseases and tissue regeneration. But understanding the regulatory mechanisms directed differentiation of BMSC is an important prerequisite . Recently, a number of important studies have shown that the extracellular matrix have an important role on the proliferation and differentiation of stem cells. Thus, the regulatory mechanisms of bone extracellular matrix proteins on BMSC recruitment and directed differentiation of has become a new hotspot. Dentin matrix protein 1 (DMP1) is highly expressed in bone tissue, and has an important impact on bone growth and bone mineralization. Our latest research findings shows that, including DMP1, a variety of acidic bone matrix proteins can promote BMSC migration and osteogenic differentiation, and such proteins can also recruit autologous cells in the body to repair a critical size of bone defects. In this study, we focused on DMP1. By using conditional gene knockout of DMP1, DMP1 related integrin gene's silencing, cell transcriptome sequencing of BMSC without DMP1+ matrix, we will test the role of DMP1 on BMSC proliferation, adhesion , migration. Combined with animal models and in vitro experiments, we will try to explain the important roles and mechanisms of the acidic extracellular matrix proteins in bone development and bone regeneration.

骨髓间充质干细胞（BMSC）在再生医学中有着广阔应用前景，但了解BMSC定向分化的调控机制是重要前提。近来多项重要研究表明，细胞外基质对干细胞的增殖和分化有重要的调控作用。因此，骨细胞外基质蛋白对BMSC的招募及定向分化的调控机制已成为本领域新的研究热点。牙本质基质蛋白１（DMP1）是骨组织中高表达的酸性细胞外基质蛋白，对骨发育和骨矿化有着重要的影响。我们的最新研究发现，包括DMP1在内的几种酸性骨基质蛋白联合应用可以促进ＢＭＳＣ的迁移和成骨向分化，同时该类蛋白可以在体内招募自体细胞以修复大范围骨缺损。本研究聚焦到它们中的DMP1，利用DMP1条件性基因敲除、DMP1相关整合素基因沉默、DMP1缺失后BMSC细胞转录组测序等手段，结合模式动物和体外实验探讨DMP1对BMSC增殖、黏附，迁移、定向分化等过程的调控机制，以及利用DMP1在骨再生过程中促进新骨生成和矿化。

我们的研究题目是“酸性细胞外基质蛋白对BMSC骨向分化的调节作用及相关机理研究”。在本课题的资助下，我们成功地建立了多个DMP1为靶点的干细胞分化调节动物模型。分别包括：（1）以间充质干细胞标志Nestin为启动子的DMP1转基因小鼠 ；（2）Prx1 阳性细胞中条件性敲除 Dmp1的模式动物小鼠；（3）DMP1-S89G点突变小鼠模型。我们发现通过在Nestin阳性的间充质干细胞中特异性过表达DMP1，小鼠骨髓MSCs的成骨向分化受到抑制，而Dmp1 在 Prx1 阳性的 BMSC 中表达，并抑制其骨向分化。此外，DMP1也可以调节干细胞的成软骨分化，我们通过对DMP1第89号氨基酸进行点突变，糖基化的异常导致颌骨MCCs成软骨分化受到抑制。这样的软骨容易发生关节病。这些数据揭示了糖基化的DMP1可能具有促进细胞分化的功能。Dmp1 在 BMSC 中表达，可能的功能是维持 BMSC的干性，当 BMSC 受其他因素影响而启动骨向分化时，Dmp1 的表达随之下降，解除对 BMSC 的分化抑制效果。当 BMSC 分化成为前成骨细胞，并靠近骨表面时，Dmp1 促进前成骨细胞向成骨细胞的成熟，且成熟后的成骨细胞本身能够分泌更多的 Dmp1，进一步促进成骨细胞成熟为骨细胞，以及进一步加强形成骨基质的能力。研究不仅扩展了对 Dmp1 功能的认识，也对于骨组织细胞外基质蛋白调控 BMSC 提出了新的观点。