FAM20B调控腭间充质细胞迁移致腭板抬升障碍的分子机制研究

Failed elevation of palatal shelves is one of the most common reasons for cleft palate. Since almost all of the previous models of cleft palate suffered from decreased cell proliferation, it is hard to answer the key question that the elevation is accomplished by cell proliferation or by cell migration. Our preliminary study created Wnt1-cre; Fam20bf/f mice, namely specifically eliminating the poly-saccharide chains of proteoglycan in palatal mesenchyme, and found that Fam20b deficient mice exhibited impaired palatal elevation without cell proliferation defect, which was an ideal model to study the role of cell migration in palatal elevation. We plan to study the spatiotemporal dynamics of cell migration of Fam20b deficient palatal mesenchyme to verify that cell migration is the essential power promoting the elevation of palatal shelves. Furthermore, by measuring the capability of Fam20b deficient palatal mesenchyme enriching Wnt ligands and related signaling pathways, we will disclose the potential molecular mechanism regulating the migration of palatal mesenchymal cells. Finally, by constructing the transgenic mice over-expressing Syndecan-1 specifically in palatal mesenchyme, we will try to rescue the cell migration and cleft palate resulting from Fam20b deficiency. Our study will disclose the regulatory roles of extracellular matrices and cell migration in palatal elevation, and will offer novel scientific clues for the etiology, and the prevention and clinical treatment of cleft palate.

腭板抬升障碍是腭裂发生的重要原因，但以往腭裂模型大都伴有腭间充质细胞增殖降低,因此难以解答究竟是细胞迁移还是增殖实现了腭板抬升的关键科学问题。本项目组前期制作了Wnt1-cre; Fam20bf/f小鼠，即在腭间充质中特异性敲除蛋白多糖糖基侧链后，出现了细胞增殖正常但腭板抬升障碍的腭裂表型，成为研究细胞迁移与腭板抬升机制的理想模型。本项目将在此基础上首先检测Fam20b缺失的腭间充质细胞迁移的时空动态变化,确定细胞迁移是腭板抬升的必要因素；继而通过探明Fam20b敲除小鼠中腭间充质细胞富集WNT信号分子能力及相关信号通路的变化，揭示调控腭间充质细胞迁移的可能分子机制；最后，通过构建腭间充质特异性过表达Syndecan-1动物模型尝试挽救Fam20b缺失的腭裂表型。本项目将首次揭示细胞迁移与细胞外蛋白多糖对腭板抬升的作用机制,为腭裂病因与防治提供新的科学依据。

细胞外基质在颌面器官发育中的作用目前尚缺乏系统的研究，通常认为细胞外基质通过糖基侧链结合水分子产生组织张力为腭板抬升提供动力，或为迁移中的细胞提供附着。本课题组利用独有的Wnt1-cre; Fam20bf/f小鼠，在神经嵴来源的颌面部间充质中消除细胞外基质的糖基侧链，以此来探究细胞外基质糖基侧链在颌面器官发育中的作用。我们意外的发现，Wnt1-cre; Fam20bf/f小鼠的腭板依旧具有抬升融合的能力，其腭裂是继发于小颌畸形，具有典型的Pierre-Robin序列征表型。通过细胞示踪实验，我们进一步证实神经嵴细胞的迁移未受细胞外基质糖基侧链缺失的影响。因此，我们首先推翻了腭板抬升动力来源于细胞外基质提供的组织张力，以及细胞外基质糖基侧链影响细胞迁移的的流行观点。接着，我们发现，细胞外基质糖基侧链缺失导致下颌弓细胞大量凋亡，同时抑制了下颌骨BMP信号通路导致了小颌畸形，而利用持续激活BMP信号通路的方法，我们成功挽救了Fam20b缺失引起的Pierre-Robin序列征表型。最后，我们探究了细胞外基质糖基侧链在舌，鼻软骨和颞下颌发育中的作用，并发现细胞外糖基侧链在不同器官发育的过程中通过介导不同的信号通路来影响组织的分化和成熟。在舌发育中，细胞外基质糖基侧链缺失则打断了上皮间充质之间的相互作用，降低了舌上皮Wnt经典信号活性和Shh表达，导致舌间充质分化为肌腱障碍；鼻软骨内细胞外基质糖基侧链缺失降低了通过ERK信号通路活性，抑制鼻软骨膜细胞存活能力以及向软骨细胞分化能力，导致鼻软骨出现不连续性缺损；而Fam20b缺失起髁突软骨中基质蛋白的降解，抑制了软骨细胞的成熟，及下关节腔处细胞凋亡，但过度激活Ihh信号通路，导致关节盘分离不彻底。我们的研究系统的揭示了细胞外基质糖基侧链在颌面发育中的作用及其在特定器官发育中的分子机制,为未来利用细胞外基质辅助颌面部器官和组织再生的研究打下了基础。