IRX5调控炎性微环境下BMSCs成脂/成骨分化的作用机制研究

Aging leads to functional decline of oral and maxillofacial bone, which is a detrimental factor for prevention and treatment of oral diseases. BMSCs tend to differentiate into adipocytes rather than osteoblasts with aging, which leads to progressive marrow fat accumulation. Altered differentiation capability of BMSCs is linked to aging-related chronic, low-grade sterile inflammation. We hypothesize that aging activates IL6-STAT3 signaling pathway, and then p-STAT3 directly targets the specific binding site on IRX5 putative promoter sequence and epigenetically silences IRX5 expression via recruiting DNMT1 and HDAC1. Subsequently, IRX5 regulates the switch between adipogenic and osteogenic differentiation via targeting OPN expression. We expect to seek the genetic link between inflammatory signals and adipo/osteogenic differentiation of BMSCs. This study will provide us theoretical basis to understand the mechanism of age-related abnormal bone metabolism and apply BMSCs to bone tissue engineering.

老化会造成口腔颌面部骨组织代谢障碍，是影响口腔疾病防治效果的不利因素。老化打破BMSCs成脂/成骨分化平衡，导致成骨细胞减少、脂肪细胞增多，骨髓中进行性地积累大量的脂肪。BMSCs定向分化依赖于其所处的微环境，因此，老化机体中低度、持续的无菌性炎症可能是BMSCs定向分化紊乱的驱动因素。我们推测，老化导致IL6上调，激活STAT3通路，p-STAT3识别IRX5启动子特定位点，通过招募DNMT1及HDAC1，促进IRX5启动子甲基化和去乙酰化，诱导IRX5表达下调，进而抑制IRX5靶基因OPN的表达，导致BMSCs成骨分化减弱，成脂分化增强。通过本研究，我们拟寻求炎症刺激与BMSCs定向分化的基因纽带，籍此为了解老化导致的骨代谢异常提供新的理论指导，也为BMSCs应用于骨组织工程提供新的思路。

项目背景：老化会造成口腔颌面部骨组织代谢障碍，是影响口腔疾病防治效果的不利因素。老化打破BMSCs成脂/成骨分化平衡，导致成骨细胞减少、脂肪细胞增多，骨髓中进行性地积累大量的脂肪。老化伴随的代谢异常已被证明是器官功能异常的其中一个关键因素，但是在老年性骨质疏松中的作用及机制尚不清楚。.主要研究内容：第一部分：年轻与老年小鼠表型及关键代谢通路的研究。1）老年性小鼠松质骨及皮质骨骨量分析；2）MASS-SPEC检测老年性小鼠代谢物含量；3）葡萄糖同位素示踪法研究葡萄糖代谢；4）老年性小鼠BMSCs糖酵解及氧化磷酸化降低。第二部分： IRX5调控BMSCs成脂/成骨分化的作用及机制。1）IRX5过表达对BMSCs成脂分化的作用；2）IRX5过表达抑制糖酵解途径及上调PGC1a基因；3）IRX5通过促进PGC1a而调控成脂分化；4）Metformin促进糖酵解从而逆转IRX5过表达的促成脂效应。.重要结果和关键数据：通过micro-CT结果分析发现，老年性小鼠松质骨及皮质骨骨量丢失严重。糖酵解过程相关代谢物含量在老年小鼠的骨头中降低，并且C13-葡萄糖同位素示踪法显示糖酵解减慢。Seahorse数据也显示，老年性BMSCs细胞糖酵解及氧化磷酸化均降低。IRX5过表达通过调控糖酵解而促进成脂，metformin刺激可促进糖酵解并逆转分化过程。.科学意义：本课题研究了老年性小鼠代谢物及代谢通路的异常变化，为通过调控代谢物治疗老年性骨质疏松的治疗提供了新的思路；本项目研究了IRX5在分化过程中的作用方式及机制，为IRX5作为潜在的骨质疏松治疗靶点提供依据。