软骨细胞中Wnt/β-catenin信号通路调节骨量的分子机制

在前期工作中申请人于小鼠2周龄时条件性敲除软骨细胞β-catenin基因，X-ray和Micro-CT检查发现3月龄模型鼠长骨生长板下干骺端骨量严重丢失，提示软骨细胞Wnt/β-catenin信号通路对干骺端骨量具有重要调控作用。本项目在此基础上进一步研究其细胞和分子机制，拟采用Micro-CT三维重建、组织形态学方法、骨组织形态计量学技术、免疫组织化学技术、分子生物学技术等探讨软骨细胞β-catenin条件性缺失鼠和条件性激活鼠干骺端骨量、软骨和骨显微结构、骨吸收和骨形成功能以及软骨和骨相关基因表达情况等的变化；采用细胞共培养技术等探讨模型鼠软骨细胞对破骨细胞分化和成骨细胞分化增殖等的影响，初步确定介导β-catenin通路调节骨吸收/骨形成的下游分子。通过本研究，初步阐明软骨细胞Wnt/β-catenin通路对小鼠干骺端骨量和骨再建的调节机制，为骨生长和骨再建的理论提供新的补充。

软骨细胞是参与机体软骨内骨形成的作用机制还没有完全阐明。在本项目中我们将Col2a1-CreER转基因鼠与报告基因鼠mT/mG进行交配而证明Col2a1-CreER转基因能够很好地靶向软骨细胞而不影响成骨细胞或骨髓基质细胞。接下来我们制备了可诱导条件性基因敲除鼠Col2a1-CreERT2;β-cateninfx/fx，2周龄时诱导β-catenin的条件性缺失（β-catenin cKO）进行生物表型研究。3月龄β-catenin cKO鼠干骺端骨量显著降低，而 1月龄β-catenin cKO鼠骨组织的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色显示胫骨干骺端破骨细胞增多。相反，3月龄β-catenin 基因过表达鼠（β-catenin cAct）干骺端骨量增加；1月龄β-catenin cAct鼠胫骨干骺端TRAP染色阳性的破骨细胞减少。我们分离了3日龄β-catenin cKO鼠和β-catenin cAct鼠胸肋骨软骨细胞进行原代培养，证实β-catenin cKO鼠软骨细胞Rankl表达增加而Opg表达下降且促进正常脾细胞向破骨细胞分化，相反，β-catenin cAct鼠软骨细胞Rankl表达下降而Opg表达上升且抑制破骨细胞生成。继而我们证明软骨细胞β-catenin缺失或过表达突变的小鼠骨形成率与阴性对照鼠比较均无显著性差异。β-catenin cKO鼠及其阴性对照鼠的骨髓细胞的成骨分化能力、矿化能力和成骨细胞特异性基因表达均无显著减少，提示β-catenin 基因突变鼠干骺端骨量改变是由于破骨细胞改变造成的，与成骨细胞和骨细胞无关。既往关于β-catenin信号通路调节Rankl表达的分子机制还不清楚，我们通过探讨β-catenin信号对Rankl启动子活性的影响，并通过染色质免疫共沉淀等研究证实β-catenin信号通路通过抑制GR表达而抑制RANKL基因转录。我们制备了软骨细胞特异性Opg转基因鼠，其表现为长骨干骺端破骨细胞分化减少而骨量增加。将其与β-catenin cKO鼠交配可以阻止后者的骨丢失；采用重组OPG治疗β-catenin cKO鼠也可以明显增加骨量。.本研究揭示软骨细胞内β-catenin信号通过影响Rankl/Opg基因表达水平而调节破骨细胞生成，进而影响软骨内骨化而影响长骨骨量。该研究对进一步阐明软骨内骨化的机制具有重要补充。