Foxp1/2/4蛋白家族在骨骼发育和疾病形成过程中的作用研究

骨骼系统是人体主要起结构支持和贮藏功能的重要器官。骨骼由成骨和软骨构成，主要包括三种类型的细胞：成骨中的成骨细胞和破骨细胞，以及软骨中的软骨细胞。Foxp1/2/4是Forkhead 蛋白家族的一组重要转录因子，参与多个器官的发育过程。我们的研究首次发现，Foxp1/2/4这3个转录因子在骨骼发育中成骨前体细胞中有冗余性表达；转基因小鼠软骨细胞中过表达Foxp4，会导致软骨细胞肥大化分化或者成骨细胞分化受到抑制。我们将继续通过软骨细胞或者成骨细胞特异启动子驱动的转基因小鼠或基因敲除小鼠，在相关细胞中上调或阻断Foxp1/2/4的表达，分析Foxp1/2/4转录因子对骨骼发育和相关疾病形成的作用机制，为这些疾病的早期诊断、预防及治疗打下基础。

在软骨内骨化过程中，成骨细胞和软骨细胞的诱导和分化受到许多转录因子的调控。这些转录因子包括转录抑制子和转录激活子，其中转录激活子对成骨细胞的发育调控已经有很多重大的研究进展，而转录抑制子对成骨细胞的发育调控的研究较少。本研究发现Foxp亚家族成员中的Foxp1/2/4这三个转录因子在软骨内骨化过程中有特异的表达。骨骼发育的早期，Foxp1/2/4的表达特异性的限制在软骨膜中的间充质祖细胞和成骨前体细胞中，与Runx2的表达部分重合。. 为了进一步分析Foxp1/2/4这三个基因在软骨内骨化过程中的功能，本课题首先构建了过表达Foxp1/2/4基因的转基因小鼠。构建的Col2- Foxp1、Col2- Foxp2和Col2- Foxp4转基因小鼠，由于骨骼缺陷导致其出生致死。对转基因小鼠的长骨进行分析发现，软骨细胞的肥大化和成骨细胞的分化也都被抑制。进一步利用Col2-Cre或者Prx1-Cre在小鼠体内单个或组合敲除Foxp1/2/4这三个基因。敲除小鼠的个体变小，四肢变短，其中组合敲除Foxp1/2/4基因的小鼠表型更严重，其头骨和脊椎骨也有缺陷。并且Foxp1/2/4基因成员之间在功能上起着协同作用，随着敲除的等位基因的增加，小鼠的表型更加严重。通过对胚胎期的长骨分析表明，敲除Foxp1/2/4导致软骨膜中的间充质祖细胞向成骨细胞的分化，以及成骨细胞的成熟和矿化都提前，并且成骨前体细胞的增殖增加。同时，生长板中软骨细胞的增殖减少、凋亡增加，并且其肥大化延迟。在分子机制上，本研究发现Foxp1/2/4能通过与Runx2相互作用形成一个复合体，从而抑制Runx2的转录活性。因此，Foxp1/2/4与Runx2的相互作用，能部分解释Foxp1/2/4对软骨膜中成骨细胞的分化调节作用。. 综上所述，本研究首次详细的分析了转录抑制因子Foxp1/2/4在软骨内骨发育过程中的表达谱，并研究了Foxp1/2/4在软骨内骨发育过程中的功能和其作用机制。研究结果表明Foxp1/2/4形成一个复合体抑制子，调节中软骨膜中成骨细胞的分化和生长板中软骨细胞的肥大。本研究拓展了我们对转录抑制因子在软骨内骨化过程中的调控作用的认识，对软骨内骨化过程的机制研究具有重要意义。