低氧/HIF1a通路调控骨细胞演化及其功能在绝经后骨质疏松症中的机制研究

The studies have showed that hypoxia inducible factors (HIFs) and mimicking agents (HMAs) trigger the initiation and promotion of angiogenic-osteogenic cascade events. Such discoveries suggest promising approaches for the development of novel therapies to improve bone regeneration and formation procedures. However, we recently found that activation of HIF1α in osteoblasts through disruption of its degradation pathway leadings to an imbalance in the bone remodeling process associated with osteocyte differentiation obstacle. Based on this clue, in this proposal, we will investigate the regulatory roles of HIF-1α pathway on late osteoblasts differentiating into osteocytes and differentiation of osteocytes, as well as relevance to bone remodeling processes, employing the conditional knockout mouse models that hif-1α or pvhl gene in osteoblast/early osteocyte and osteocyte were deleted, respectively. We will reveal the cellular and molecular mechanisms of hypoxia/HIF-1a pathway in regulating osteocyte survival, fate, dendrite/canaliculi formation and phenotype expression. And we will further clarify the essential function of osteocyte biological behavior in Estrogen deficient induced osteoporosis. We expect that the proposed studies will deepen the understanding of the mechanism of bone remodeling, provide important new therapy targets to improve bone reconstruction, exploit novel approaches for patients with difficulty bone diseases.

激活成骨细胞低氧/HIF-1α通路促进骨形成的有益作用，正引导药用低氧模拟化合物呈热点研究内容的发展趋势。但申请者发现，继成骨细胞HIF-1α通路激活后的新生骨组织，骨塑建/骨改建过程呈现“失衡”的现象，其中与骨细胞生物学特性转化有关。本课题基于既有的研究线索，以成骨细胞/早期骨细胞、成熟期骨细胞hif-1α和pvhl基因条件敲除小鼠模型和与之相对应的细胞模型为研究对象，深入了解HIF-1α通路调控成骨细胞向骨细胞演化、骨细胞分化进程、骨细胞时空分布特征和表型表达的关键环节及其与骨改建过程间的关系；揭示激活HIF-1α通路状态下的骨细胞分别对破骨细胞、成骨细胞生成和分化的调节作用及其所涉及的细胞分子生物学事件；并且在此基础上探究此机制在雌激素缺乏导致的骨质疏松症中的角色。这不仅有助于加深或更新骨塑建/骨改建过程的认识，而且有望发现骨改建的新调控机制，为防治代谢性骨病提供新理念。

我们之前发现，继成骨细胞HIF-1α通路激活后的新生骨组织，骨塑建/骨改建过程呈现“失衡”的现象，这可能与骨细胞生物学特性转化有关。本课题基于既有的研究线索，以成骨细胞/早期骨细胞、成熟期骨细胞hif-1α和pvhl基因条件敲除小鼠模型和与之相对应的细胞模型为研究对象，深入了解HIF-1α通路调控成骨细胞向骨细胞演化、骨细胞分化进程、骨细胞时空分布特征和表型表达的关键环节及其与骨改建过程间的关系；揭示激活 HIF-1α通路状态下的骨细胞分别对破骨细胞、成骨细胞生成和分化的调节作用及其所涉及的 细胞分子生物学事件；并且在此基础上探究此机制在雌激素缺乏导致的骨质疏松症中的角色。我们发现：（1）成骨细胞HIF-1α敲除之后，小鼠长骨骨量进行性丢失，主要体现在3月龄至6月龄小鼠的骨量逐渐下降，这可能与成骨细胞逐渐活性不足有关；（2）成骨细胞HIF-1α敲除之后，骨细胞形态更加皱缩，中、晚期标志物呈进行性表达增加，骨细胞凋亡增加，骨陷窝增加，提示成骨细胞的活性不足可能是由于骨细胞的成熟演化过程加快导致的；（3）体外实验中，HIF-1α敲除之后，骨细胞演化加速，中、晚期标志物表达增加，矿化能力增强；（4）成骨细胞HIF-1α敲除小鼠长骨中，位于骨小梁表面的成骨细胞过早的表达早期骨细胞的标志物E11蛋白，且有众多突起形成；（5）过表达HIF-1α之后，处于正在分化中的早期成骨细胞的E11蛋白在细胞表面的环状结构消失，这可能解释了HIF-1α调控成骨细胞向骨细胞成熟演化过程的现象。（6）雌激素缺乏小鼠以及绝经后骨质疏松病人标本中骨细胞演化速度加快，主要包括形态皱缩，中、晚期标志物表达增加；（7）雌激素缺乏小鼠以及绝经后骨质疏松病人标本中成骨细胞的HIF-1α蛋白表达下降；（8）体外实验中，雌二醇刺激成骨细胞HIF-1α的mRNA转录增加；（9）去势小鼠或绝经后骨松病人体内类似于HIF-1α敲除小鼠长骨中E11阳性的成骨细胞；（10）雌激素的确可以通过促进HIF-1α表达增加调控E11的环状结构形成，进而调控骨细胞的演化进程。这一些列发现不仅有助于加深或更新骨塑建/骨改建过程的认识 ，而且有望发现骨改建的新调控机制，为防治代谢性骨病提供新理念。