TRIM21调控HIF-1α的蛋白稳定性在老年性骨质疏松症发生中的作用和机制研究

Since decreased osteoblastic activities is one of the main reasons for senile osteoporosis, and HIF-1α pathway has a critical function on osteogenesis, therefor, the intensive study of HIF-1α degradation regulation mechanisms is of great significance in the preventation and treatment of senile osteoporosis. In the preliminary study, we found that TRIM21 could bind directly with HIF-1α. TRIM21 expression was increased with aging and which might be responsible for the impaired osteoblastic activity of the elders by regulating HIF-1α degradation. In this study, we will use the osteoblast-specific Trim21-/- mice and the primary osteoblasts to uncover the molecular mechanisms by which TRIM21 mediates osteoblastic differentiation by regulating HIF-1α degradation in the pathogenesis of senile osteoporosis. So as to provide new ideas and theoretical bases for early intervention and treatment of this disease.

成骨细胞的成骨分化功能衰退是老年性骨质疏松症的主要诱因之一，HIF-1α通路对调控成骨细胞的成骨分化活性起到关键作用，因此，深入研究HIF-1α蛋白稳定性的调控机制，对促进成骨细胞的成骨分化和防治老年性骨质疏松症的发生具有重要意义。通过筛选发现，TRIM21在成骨细胞中能够与HIF-1α特异性结合；进一步的研究发现，TRIM21在成骨细胞中的表达随年龄增加而不断升高，且TRIM21可能通过负调控HIF-1α的蛋白稳定性而抑制成骨细胞的成骨分化活性，进而参与老年性骨质疏松症的发生。因此，本项目将借助成骨细胞Trim21特异性敲除鼠及其原代成骨细胞，深入研究：①TRIM21调控HIF-1α蛋白稳定性的分子机制；②TRIM21通过HIF-1α调控成骨细胞的成骨分化过程；最终确定TRIM21调控HIF-1α的蛋白稳定性在老年性骨质疏松症发生中的作用和机制。为老年性骨质疏松症的早期防治提供新思路。

骨的发生发育过程尤其在初始阶段的生物级联反应，是在低氧状态下进行的；低氧（HIF-α）通路对骨形成及骨吸收具有关键的调控作用。因此，探索HIF-α的表达及其信号通路的调控机制对以激活HIF-α通路促进骨形成及防治骨质疏松有重要意义。. 通过筛选发现，TRIM21在成骨细胞中与HIF-1α特异性结合，且TRIM21可通过泛素化连接酶功能，调控HIF-1α的蛋白表达而参与成骨细胞的成骨分化过程。鉴于老年性骨质疏松以骨髓间充质干细胞的成骨能力下降、成脂能力增强为主要病理特征，发现TRIM21可通过调控骨髓间充质干细胞的成骨、成脂分化过程而参与骨形成及老年性骨质疏松症的发生。鉴于老年骨质疏松患者体内存在慢性炎症反应，发现炎症因子TNF-α及IL-1β能明显促进TRIM21在衰老的骨髓间充质干细胞中的表达。. 在筛选HIF-1α效应蛋白时发现，USP26作为HIF-1α下游的关键蛋白参与骨形成及骨吸收过程。分子机制研究发现USP26一方面可通过去泛素化功能，稳定β-catenin，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化；另一方面可通过其去泛素化功能稳定IκBα，抑制P65通路的激活，而减少骨髓单核细胞向破骨细胞的分化；且临床相关性研究发现，USP26在老年及绝经后的骨组织中的表达显著降低，补充USP26能显著促进老年性骨缺损愈合及延缓绝经后的骨量流失。. 鉴于HIF-1α对骨改建的关键调控作用，越来越多的研究正尝试通过激活骨组织的HIF-1α通路防治骨质疏松及促进骨缺损的修复。然而，在临床调控HIF-1α 促进骨形成之前，必须应充分研究 HIF-1α 通路的激活对骨微结构和骨改建的影响。本项目的研究发现，尽管骨细胞低氧信号通路的持续激活会明显的促进骨形成，但新生骨组织力学性能却下降。组织学检测发现，HIF-1α的持续激活会明显降低骨组织的钙化程度，造成非成熟性类骨质的大量堆积，胶原的无序排列，骨小管网络结构的破坏及骨细胞分化异常。. 因此，这些研究发现有助于加深对HIF-1α调控骨改建的认识，而且为提出以调控HIF-1α通路促进骨形成及防治骨质疏松储备科学基础。