成骨转录因子RUNX2调控脂肪组织棕色化的分子机理及在代谢失调中的功能研究

Excessive accumulation of nutrients in white adipose tissues (WAT) develops obesity, which not only causes type 2 diabetes and hyperlipidemia, but also damages bone remodeling, leading to osteoporosis. Unfortunately, thiazolidinediones may also worsen the osteoporosis process of patients when they are used to treat type 2 diabetes. Instead, beige adipose tissues derived from WAT browning can consume excessive nutrients as a form of heat to balance metabolic homeostasis and counteract obesity. In the present studies, the applicant explored that bone lineage-specific transcription factor RUNX2 can promote the “browning” of and thermogenesis of WAT in mice, and preliminarily proved that this role of RUNX2 is regulated by mono-ubiquitination. Based on these findings, the applicant proposed that the inhibition of RUNX2 activity may act as a common pathogenesis in the development of both metabolic disorders and osteoporosis. There will be contributed to the development of combination of clinical treatment strategies and new drugs for metabolic syndrome and osteoporosis, if the common signal transducers and the signaling mechanisms employed by RUNX2 are fully elucidated in the “browning” of WAT and bone anabolism. Hence, the applicant plans to investigate the regulatory function and signaling mechanism of RUNX2 in metabolic homeostasis of whole body by molecular and cell biological technologies and animal models.

白色脂肪组织过度积累营养物质会造成肥胖，这不仅诱发糖尿病和高血脂等代谢性疾病，还损伤骨骼重塑，导致骨质疏松。常见的噻唑类药物在治疗糖尿病的同时也可能恶化病人的骨质疏松进程。相反，白色脂肪组织棕色化形成的米色脂肪组织通过产热方式消耗营养物质，平衡人体代谢稳态，对抗肥胖发生。在本项目的前期研究中，申请人在小鼠体内发现关键成骨转录因子RUNX2能够促进白色脂肪细胞棕色化和产热基因的表达，并初步鉴定出这种促进作用受到单泛素化修饰的调控。申请人据此提出RUNX2活性受抑制可能是代谢失调与骨质疏松这两类疾病共有的一种发病机理。因此，阐明RUNX2在米色脂肪组织转分化中信号调控模式，揭示调控脂肪组织棕色化和骨质合成代谢的共同机体信号分子，将有助于代谢综合症和骨质疏松的临床联合诊疗策略的制定与新型药物的开发。申请人拟以分子细胞学和动物模型等手段深入研究RUNX2在维持生物体代谢稳态中的功能和信号调控机理。

白色脂肪组织采用类似棕色脂肪细胞的能量代谢方式能够改善肥胖和二型糖尿病的症状。在这个项目中，我们探索了RUNX家族转录因子在脂肪组织中的作用，发现成骨转录因子RUNX蛋白质的反式基因转录活性与脂肪组织产热代谢之间存在信号的交互调控。重要的是，粘着斑激酶（FAK），E3泛素蛋白连接酶WWP2和RUNX家族转录因子的靶基因骨钙素（OCN）介导了RUNX蛋白在脂肪产热代谢中的调控机理。首先，我们在体外和体内证明了WWP2与RUNX2之间的蛋白质相互作用， WWP2通过诱导RUNX蛋白的单泛素化激活RUNX蛋白的基因转录活性；进而发现WWP2依赖的单泛素化的丢失会导致RUNX蛋白在成骨细胞分化和脂肪细胞产热代谢方面的明显缺陷；这些结果表明WWP2以非降解的方式促进RUNX蛋白的转录活性。作为骨细胞中RUNX2蛋白的关键转录靶点，骨钙素被证明可以通过多种方式调节生物机体的能量代谢稳态。在小鼠中注射重组的骨钙素能够促进能量消耗，从而对抗肥胖发生和葡萄糖不耐受。在本项目中，我们证明骨钙素特异性调控棕色脂肪细胞的产热代谢。重要的是，我们鉴定了经典Wnt信号调控分子TCF7和WNT3A是骨钙素信号通路下游的作用靶点， TCF7是TCF / LEF1家族中的DNA结合分子，在经典WNT /β-catenin通路中调控-catenin蛋白介导的基因转录；但在研究中我们证实TCF7调节骨钙素受体Gprc6a和解偶联蛋白Ucp1基因启动子的激活与β-catenin无关；一步的研究表明，TCF7的调控活性需要产热代谢关键调控分子PRDM16和组蛋白去甲基酶LSD1参与。综上所述，我们的研究揭示了棕色脂肪细胞产热代谢调控中骨钙素-GPRC6A-TCF7信号轴骨骼组织和棕色脂肪组织间的信号交流机制。