整合素触发的Wnt/beta-catenin正反馈在胞外基质弹性诱导间充质干细胞向成骨系分化中的作用

In the project supported by National Science Fund for Young Scholars, we found a mechano-biological transductional pathway for the neurogenic differentiation of stem cell by soft ECM. However, the molecular mechanism underlying the osteogenic differentiation of stem cell by stiff ECM remains unsolved. By microarray analysis, we have found that extracellular matrix (ECM) elasticity significantly induced the variation of Wnt/beta-catenin (W/C) activity; activation or inhibition of beta-catenin experiments suggested that beta-catenin in turn activated wnt1 gene expression. Considering the previous reports that integrin downstream signals can regulate beta-catenin activity and the crucial role of Wnt/beta-catenin in the osteogenic differentiation of stem cells, we hypothese that the stiff ECM triggers the positive feedback mechanism of W/C by integrin, and induces osteogenic differentiation of stem cell. In the present study, we will examine this hypothesis by biomechanical and molecular and cellular biological techniques. This study may not only shed a light to understanding the basic scientific problem of the mechanical signals-monitoring stem cell behaviours but also provide a promising guidance for the in vitro induction of stem cell differentiation.

在青年基金项目中我们发现了一条较软细胞外基质(ECM)诱导干细胞向神经系分化的力学信号转导通路。然而，较硬的ECM诱导干细胞向成骨系分化的分子机制还不清楚。我们通过基因组学等实验发现，ECM弹性能引起Wnt/beta-catenin (W/C) 通路活性的显著改变； beta-catenin的抑制和激活实验表明，beta-catenin可以正反馈性上调wnt1基因的表达水平。结合文献报道：integrin下游信号可以调控beta-catenin的活性，而且W/C通路在干细胞成骨系分化中起重要作用，我们提出：较硬的ECM通过integrin激活了W/C正反馈通路，从而诱导干细胞向成骨细胞方向分化。本项目将通过生物力学、分子细胞生物学等手段验证该假说，以期深入理解力学信号调控干细胞生命活动这一基础科学问题，并为干细胞体外诱导分化提供潜在的解决方案。

众所周知，细胞外基质（extracellular matrix, ECM）弹性在调控多种类型细胞的表型和行为过程都起到至关重要的作用。但是细胞感知ECM弹性的机理以及ECM弹性调控细胞功能的信号通路还尚不清楚。.本课题主要研究细胞外基质力学性质通过integrin调控Wnt信号通路的作用机制。我们通过基因芯片、生物信息学分析、分子克隆、qRT-PCR、Western blot、免疫细胞化学等实验方法研究了在不同弹性的细胞外基质上生长的骨髓间充质干细胞和原代软骨细胞中Wnt/β-catenin信号通路的活化情况。结果发现，在骨髓间充质干细胞和原代软骨细胞中，较硬的ECM显著上调了Wnt/β-catenin经典通路中的许多信号分子的表达水平。由硬基底所导致的β-catenin积累并不依赖于Wnt信号本身，而是由于较硬ECM通过激活由整合素/黏着斑激酶（integrin/FAK）信号通路，抑制了GSK3β的磷酸化，使其丧失了对β-catenin磷酸化的功能，进而其泛素化降解受阻所导致的。积累的β-catenin进入细胞核，结合到Wnt1的启动子区激活下游靶基因的转录，过量表达的Wnt1蛋白反过来又通过Wnt/β-catenin经典信号通路促进β-catenin的激活。继而形成了Wnt/β-catenin之间的正反馈通路。.基于此正反馈回路的放大效应，由integrin触发β-catenin/Wnt这条信号通路在硬基底上调Wnt信号表达过程中起到极其重要的作用。该信号通路在细胞外力学微环境调控干细胞分化和软骨细胞表型维持中都起着重要的作用。该项目的研究成果对于进一步深入理解基质弹性调控细胞行为背后的分子机制具有重要意义