基于条件敲除β-catenin小鼠研究经典Wnt信号通路在成骨系细胞及PTH促成骨中的作用机制

Osteoporosis and bone defect is commonly seen in clinic and difficult to treat. A unique strategy is intermittent administration of parathyroid hormone (PTH), which promotes bone formation; thereby increases bone mass and facilitate fracture healing. The underlying mechanisms are yet to be fully elucidated. Many lines of evidence, including ours, have indicated that PTH activates wnt/β-catenin signaling at multiple levels in osteoblastic cells and in mice. Nevertheless, current models have not been able to establish the role of β-catenin in PTH action on bone formation: inactivation of wnt/β-catenin signaling by constitutive disruption of β-catenin in osteoblast progenitors starting in fetal life leads to defective osteoblast differentiation and no bone formation, whereas deletion of β-catenin from differentiated osteoblasts and osteocytes causes increased bone resorption and low bone mass through decreased production of osteoprotegrin (OPG). Since wnt/β-catenin signaling is essential for prenatal bone formation and for normal bone remodeling directed by differentiated osteoblasts/cytes, we propose to determine whether postnatal disruption of β-catenin in early cells of the osteoblastic lineage may affect both bone formation and bone resorption, and further to determine whether PTH increases bone mass partly through activating wnt/β-catenin signaling.

骨质疏松和骨缺损在临床常见，治疗困难。甲状旁腺素（PTH）可增加骨形成和骨量，在治疗骨质疏松、骨缺损、加强骨折愈合等方面均发挥一定的作用，但其促进骨质合成的机制尚未彻底阐明。研究者（包括我们）发现，PTH在成骨系细胞中多水平激活Wnt/β-catenin信号，后者在骨的再生和修复过程发挥重要的调控作用。但现有模型无法确立其在PTH促成骨中的作用。申请者前期构建了基因敲除小鼠，实现了在出生后小鼠所有成骨系细胞中敲除β-catenin。本课题拟在前期工作基础上深入研究，通过骨组织形态计量、显微CT等技术检测小鼠骨量，流式细胞仪分选、原位杂交以及基因芯片等检测成骨细胞和破骨细胞的分化、增殖、凋亡、功能等，阐明敲除β-catenin对成骨系细胞、PTH的促骨质形成功能、骨缺损修复的影响。本课题成果有望为确定促骨质合成的新治疗靶点提供进一步的证据，促进更有效的促骨质合成药物的发现。

研究背景：骨质疏松和骨缺损在临床常见，治疗困难。甲状旁腺素（PTH）可增加骨形成和骨量，在治疗骨质疏松、骨缺损、加强骨折愈合等方面均发挥一定的作用，但其促进骨质合成的机制尚未彻底阐明。申请者前期构建了基因敲除小鼠，实现了在出生后小鼠所有成骨系细胞中敲除β-catenin。本课题拟在前期工作基础上深入研究敲除β-catenin对成骨系细胞、PTH的促骨质形成功能、骨缺损修复的影响。. 研究内容：（1）Wnt/β-catenin 信号在出生后小鼠成骨系细胞增殖、分化与功能中的调节作用。（2）探讨β-catenin 是否介导间歇性使用PTH 对成骨细胞的作用。（3）建立人工成骨材料植入骨缺损的小鼠模型，观察不同时间点，β-catenin 敲除后对人工骨移植修复小鼠骨缺损的影响。（4）利用cKO 及对照小鼠建立软骨缺损模型，探讨β-catenin 敲除是否能促进软骨修复。. 重要结果及关键数据：：（1） 在出生前小鼠成骨细胞系敲除β-catenin导致骨形成缺失。（2）在出生后小鼠成骨细胞系敲除β-catenin导致骨量降低、骨小梁数量明显减少。（3）成骨细胞系敲除β-catenin使成骨细胞数量明显减少、活性明显降低，并激活破骨细胞。（4）成骨细胞系敲除β-catenin抑制PTH的促成骨作用。. 科学意义：该项目研究结果证明Wnt/β-catenin信号在出生前及出生后小鼠骨质形成及骨量维持中发挥了决定性作用，是促进成骨细胞分化及活性的关键基因，并且是介导PTH促成骨作用的关键信号之一。该项目研究结果确认了Wnt/β-catenin信号在PTH促成骨作用中发挥的关键作用。