雌激素相关受体alpha在骨髓基质干细胞干性维持与分化中的作用与机制研究

Bone marrow derived mesenchymal stem cell (MSC) has self-renewal, multipotent differentiation capability, and has been confirmed to be responsible for bone regeneration. However, the underlying mechanisms of MSC stemness maintenance and differentiation have not been solved. Previous studies have reported that estrogen-related receptor(ERR) family is involved in stem cell self-renewal and differentiation. This current proposal will focused on 1) using ERRa agonist/antagonist, investigate the regulation mechanism between ERRa and other regulators of pluripotency; investigate the role of ERRa in MSC differentiation; 2) identify ERRa as a major actor in the regulation of energy metabolism in MSC; investigate its role in regulation of ROS , downstream signal pathway, and crosstalk with MSC pluripotency and differentiation ;3) using conditional knockout mice , silence ERRa in osteoblastic lineage cell to investigate the role of ERRa in osteoblastic differentiation and bone formation in vivo. This proposal will contribute to discover the molecular mechanism of MSC stemness maintenance and differentiation, find new target for bone regeneration and repair, and significantly contribute to study in MSC decreased number and quality of cell with aging.

骨髓基质干细胞（MSC）具有自我更新、分化为成骨细胞并促进骨再生的重要功能，然而关于MSC的干性维持和分化的调控机理还有问题尚待解决。近期研究证明雌激素相关受体（ERR）家族对干细胞的干性维持及分化具有重要作用。为揭示ERRa对MSC的调控机理，本项目将从以下方面探索研究：1）利用ERRα的激动剂和拮抗剂，探索ERRα与MSC干性维持关键因子的相互调控作用；以及研究ERRa对MSC分化能力的影响调节；2）通过ERRa对MSC线粒体能量输出、活性氧产生及下游通路的调节，研究其对MSC的干性维持和分化的影响；3）利用条件性基因敲除小鼠，在成骨前体细胞特异性敲除ERRa进一步验证ERRa在体内对MSC成骨分化能力的影响。本研究将从核受体ERRa的分子调控水平，探讨MSC干性维持的调控机理以及分化方向的决定，对研究衰老过程中出现的MSC功能衰退以及数量的减少具有重要意义。

衰老可导致间充质干细胞（MSCs）成骨分化能力降低，导致骨重建失衡，引发骨质疏松症。MSCs分化潜能可能受到细胞内能量代谢的影响，其分子机制所知甚少。孤核受体雌激素相关受体alpha（ERRα）是细胞能量工厂线粒体生物合成的关键调控因子，谷氨酰胺酶（Gls）是线粒体谷氨酰胺代谢的第一个关键催化酶。我们发现ERRα和Gls在MSCs成骨分化过程中的表达模式一致，且高代次hMSCs及年老小鼠原代mMSCs成骨分化能力减弱，同时ERRα、Gls等基因表达降低。通过双荧光素酶报告系统和核染色质免疫共沉淀实验，首次证明ERRα直接转录调控Gls启动子活性及其反应元件结合位点，ERRα拮抗剂compound 29、mTOR抑制剂rapamycin、Gls抑制剂BPTES均可导致hMSCs成骨分化及谷氨酰胺摄取能力降低；相反，慢病毒过表达ERRα或Gls不仅提高MSCs的谷氨酰胺摄取能力，修复rapamycin或BPTES处理后MSCs的分化能力，而且增强衰老mMSCs的谷氨酰胺摄取和成骨分化能力。本研究首次发现Gls是ERRα转录调控的新靶基因，证明ERRα/Gls信号通路影响MSCs 线粒体谷氨酰胺回补，促进线粒体生物合成及细胞的DNA、蛋白合成，增强衰老MSCs的成骨分化能力，并证明营养感受因子mTOR可通过ERRα/Gls通路调控MSCs的细胞能量代谢及蛋白合成。因此，我们发现的mTOR/ERRα/Gls新信号通路在增强衰老性MSCs成骨分化能力中具有重要意义，可为骨质疏松预防和治疗提供一个新的研究视角。