磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK2通过影响细胞能量代谢调控间充质干细胞成骨分化的作用和机制

Human mesenchymal stem cells (MSCs), an ideal source of seed cells for bone tissue engineering and bone regeneration, have been widely used in profound researches and clinical trials. In order to realize more stable and effective osteogenic differentiation of MSCs, extensive efforts have been made by our group and other research teams to uncover the transcriptional and epigenetic mechanisms during the osteogenic differentiation of MSCs . However, little is known about how the changes in cellular metabolism and disruptions in intracellular energy homeostasis influence the osteogenic differentiation of MSCs. Differentiation of MSCs along osteoblastic lineage requires increased metabolic rates to ensure a sufficient energy supply to complete this process. In our pilot experiments, we first found that PCK2 (Phosphoenolpyruvate carboxykinase in mitochondria) played an important role in energy metabolism during osteogenic differentiation of MSCs. Moreover, PCK2 knockdown inhibited the osteogenic differentiation of MSCs. These novel findings have provided solid foundation for this project. Therefore, in this project we will elucidate the roles of intracellular energy metabolism in the process of osteogenic differentiation, and to reveal the regulatory mechanisms of PCK2. Based on high throughput sequencing and bioinformatic analyses, the regulating networks underlying the osteogenic differentiation and intracellular energy homeostasis of MSCs will be illustrated. A deeper insight into the mechanisms of how PCK2 promotes the osteogenic differentiation of MSCs via intracellular energy metabolism will shed light on the rapid and effective bone regeneration. This project will provide new drug targets and novel methods to effectively promote MSC-based osteogenesis, and will facilitate the clinical translation of stem cell therapies.

人间充质干细胞是骨组织工程理想的种子细胞。高效诱导其成骨对促进口腔颌面骨缺损修复及骨再生技术转化具有深远意义。既往，我们及其他研究组广泛研究了其成骨分化的分子和表观遗传机制，为实现其高效骨再生奠定了基础。然而该过程中最基本的环节即能量代谢的调控作用被长期忽略。我们前期研究率先发现：成骨分化中，干细胞内能量物质葡萄糖、谷氨酰胺的代谢呈显著变化；磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK2对成骨分化细胞的能量物质代谢发挥调控作用。初步功能探索还发现，敲低PCK2会抑制干细胞成骨分化。本项目拟在上述创新发现和预探索基础上，率先阐明糖异生关键限速酶PCK2在间充质干细胞成骨分化中的重要调控作用；通过高通量测序和生物信息学分析以及相关机制探究，发现PCK2通过影响干细胞能量物质代谢调控其成骨分化的新机制和调控网络。本项目将为显著提高其成骨效率探寻新的突破口，提供新的理论依据，对促进其骨再生技术的转化具有重大意义。

间充质干细胞（MSCs）是骨组织工程和再生治疗理想的种子细胞，高效诱导其成骨对促进口腔颌面部等骨缺损修复及骨再生技术转化具有深远意义。目前，多种调控MSCs成骨分化的分子机制网络已研究得较为透彻，而该过程中最基本的环节——能量代谢的调控作用却被忽略。在本项目的资助下，课题组紧密围绕“糖异生关键限速酶线粒体型磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PCK2）调控骨组织再生的机制研究”展开探索，主要成果如下：①从二维水平研究PCK2对MSCs成骨分化的调控作用和分子机制。研究结果表明，PCK2能够正向调控MSCs成骨分化，机制研究表明，PCK2通过影响AMPK-ULK1依赖的细胞自噬相关通路调控MSCs成骨分化，揭示了PCK2在连接自噬和MSCs成骨分化方面的新功能，该研究已发表于Stem Cells（2019）上。②从三维水平阐明PCK2响应细胞外基质硬度调控MSCs成骨分化的分子机制。课题组体外构建了不同硬度的水凝胶ECM，发现PCK2在不同硬度ECM中，均促进成骨分化，机制研究表明，PCK2在不同硬度ECM中通过PFKP依赖的糖酵解相关信号通路调控成骨分化。该研究为促进生理和病理条件下骨缺损的再生修复提供了新的思路，成果已发表于Bioactive Materials（2022）。③在体内探索PCK2对骨发育的调控作用及相关策略。结果表明成骨特异性Pck2缺失小鼠骨发育存在明显障碍，代谢组学测序发现Pck2缺失造成了相关代谢通路的显著变化，在探索相关策略时发现，二甲双胍可以通过调控AMPK信号通路，从而改善Pck2成骨特异性敲除小鼠的骨发育缺陷，为治疗代谢性骨疾病提供了新的靶点。该成果已发表于International Journal of Oral Science（2022）。④基于PCK2相关研究，课题组进一步探索了双特异性磷酸酶DUSP5在MSCs成骨分化中的作用。结果显示，DUSP5可调控MSCs成骨分化，其机制是DUSP5通过竞争性占据SCP1/2的磷酸酶结构域，从而活化SMAD1信号通路。该研究已发表于Stem Cells（2021）上。项目负责人在课题执行期间获得多项人才项目和奖励，如国家百千万人才（有突出贡献中青年专家）、国务院政府特殊津贴、北京市高校教学名师等；2位参与者晋升为副高职称，5名研究生获博士学位，1名博士后出站。多名课题组成员在学术会议做报告并获奖励。