骨形态蛋白对家禽骨代谢的调控机理研究

The bone characteristics are the most important economical traits for poultry production. It has been caused huge economic losses in poultry industry due to bone defects and other bone disease. Bone morphogenic proteins (BMPs) are important growth factors in bone development and growth. The pathway of BMP/Smads plays an important role in regulating the bone formation. Our previous study showed that the expression of BMP mRNA was significant lower than the Wuding chickens. It has been hypothesized that the lower expression of BMP2 mRNA in cartilage might be an important factor resulting in bone mass loss in broilers. Moreover, the molecular mechanism of bone turn-over and relative cell signaling pathway are remain unclear. Therefore, the purpose of this study is to investigate the molecular mechanism of BMPs effect on the bone turn-over, and the regulating mechanism of osteoblast differentiation association with the pathway of BMP/Smads both through the In vivo and In vitro studies using the theory and approaches of Bone Physiology, Stem cell physiology and Molecular biology. The study in this proposal may provide theoretical basis for genetic selection, improvement and protection and precaution the bone disease in poultry. Moreover, some new animal models will be used for human bone disease research.

骨骼特性是家禽的重要经济性状，骨骼发育缺陷或疾病导致家禽产业巨大的经济损失。骨形态蛋白（BMPs）是动物骨骼生长发育的生长因子，BMPs/Smads信号通路在骨形成过程中发挥着重要作用。前期研究显示，肉鸡骨密度及强度显著低于武定鸡，12周龄肉鸡软骨中 BMP2基因表达量极显著低于武定鸡。推测肉鸡软骨中显著降低的BMP2表达量可能是骨量丢失的主要原因之一。基于BMPs基因家族对家禽骨代谢的分子机理、细胞信号调控机制尚未清楚，本项目拟采用骨生理学、干细胞生理学、分子生物学等学科的研究方法，通过分析活体（In vivo）不同阶段骨骼生长、发育的代谢机制和分子机理；结合体外试验（In vitro）骨骼干细胞分化特性、细胞生物学机制的研究；阐明BMPs对家禽骨骼代谢的分子调控机理；探明BMP-2/Smads信号通路与家禽成骨细胞分化的作用机制。研究成果可为家禽骨骼性状的选育与开发利用提供基础数据。

骨骼特性是家禽的重要经济性状，BMPs/Smads信号通路在骨形成过程中发挥着重要作用。基于BMPs基因家族对家禽骨代谢的分子机理、细胞信号调控机制尚未清楚，本研究以武定鸡为研究对象，以肉鸡为对照，通过分析活体不同阶段骨骼生长、发育的代谢机制和分子机理，结合体外试验骨骼干细胞分化特性、细胞生物学机制的研究，阐明BMPs对家禽骨骼代谢的分子调控机理，探明BMP-2/Smads信号通路与家禽成骨细胞分化的作用机制。研究结果显示，武定鸡骨代谢活动强于肉鸡，骨吸收弱于肉鸡，且武定鸡具有较高的骨骼钙、镁、锶等矿物质含量，较低的磷、钠、钾含量，而肉鸡则相反。武定鸡不仅有较厚的骨密质，而且有紧凑和密集的股骨头骨松质微观组织结构，表现为较高骨小梁面积百分率、较多的骨小梁数量和较厚的骨小梁厚度，因而具有较高的骨密度和骨强度。在骨骼生长发育期，BMPs和Smads家族基因对骨骼生长起到促进作用，且BMP-2结合BMPs受体与下游的Smads信号调节成骨基因转录而发挥其成骨作用的过程，其中发挥正向调控作用的基因促进成骨分化，从而影响骨代谢，加快骨形成，增强骨骼强度；而发挥负向调控作用的基因抑制成骨分化，促进骨吸收，减少骨量，降低骨骼强度。且武定鸡成骨细胞矿化能力显著强于肉鸡，而骨矿化能力直接影响骨强度。可见，高度选育的商品肉鸡增重快，可能引起了增重和骨骼生长之间的不平衡，且可引起BMP-2/Smads信号通路中的骨骼生长及骨代谢相关调控因子作用发生改变，尤其是云南地方鸡武定鸡具有较高的成骨细胞分化及矿化相关基因的表达量，使得武定鸡成骨细胞矿化能力较高，进而使得武定鸡具有较高的骨强度。发表学术论文8篇，其中SCI收录5篇，中文核心学术论文3篇；授权发明专利2项，申请发明专利4项；培养博士研究生2人，硕士研究生1人；团队成员1人晋升教授，2人晋升副教授；新增科研项目1项。研究结果丰富和创新家禽功能基因组学理论，为家禽骨质性状分子选育提供重要的理论指导和基因资源。