miR-34a调控成骨细胞分化在小鼠骨质疏松症发生发展中的作用机制研究

Osteoporosis is a systemic bone metabolism disorder which seriously threatens human health. Inhibition of bone resorption has been currently used as a main therapeutic stratige for osteoporosis. MiRNAs (microRNAs) are a class of small endogenous non-coding RNA fragment (~22 nucleotides in length), a novel important posttranscriptional regulators, which play critical roles in almost all physiological and pathological progresses including osteogenesis. Our previous data found that downregulation of miR-34a resulted in the impairment of osteogenic differentiation in murine pre-osteoblastic MC3T3-E1 cells, which suggesting that miR-34a may have a role in promoting bone formation. This proposal intends to further investigate the impacts of miR-34a on the osteogenic and adipogenic differentiations in murine bone marrow mesenchymal stem cells. We are aiming to elucidate the target genes of miR-34a and involed key signaling cascades through loss and gain of function in miR-34a. We will also establish the ovariectomized mice as a model for osteoporosis to systemically study the effect of miR-34a in bone metabolism in vivo, by measuring the three-dimensional (3D) morphology of bone tissue, testing bone biomechanical indexes, and detecting bone metabolic markers after tail vein injection of bone-targeted liposome-miR-34a. This proposal will clarify the role and molecular mechanism of miR-34a in mouse osteoblast differentiation and the development of osteoporosis, and provide adequate scientific evidence for the establishment of miR-34a as a new target for the treatment of osteoporosis.

骨质疏松症是严重危害人类健康的全身骨代谢障碍性疾病，目前治疗骨质疏松症的药物以抑制骨吸收为主。miRNAs是一类内源性小分子RNA，已证实在多种生命活动过程中发挥重要作用。我们的研究发现抑制miR-34a导致MC3T3-E1细胞成骨分化受抑，提示miR-34a可能具有促进骨形成的作用。本项目拟进一步考察miR-34a对小鼠骨髓间充质干细胞成骨和成脂分化能力的影响；通过构建miR-34a过表达和表达沉默细胞系，探讨miR-34a调控成骨细胞分化的直接靶基因及信号通路；建立骨质疏松症小鼠模型，经尾静脉注射骨靶向脂质体-miR-34a，通过骨组织三维形态学、骨生物力学及骨代谢生化指标测评，全面考察miR-34a对骨质疏松症小鼠体内骨代谢的影响。本项目将阐明miR-34a调控成骨细胞分化的分子机制及其在小鼠骨质疏松症发生发展中的作用，为确立miR-34a作为骨质疏松症治疗新靶点提供充分的科学依据。

miRNAs是一类众所周知的内源性非编码小分子RNA，已证实在多种生理病理过程中发挥重要作用。我们前期研究发现抑制miR-34a表达可导致MC3T3-E1细胞成骨分化受抑，提示其可能具有促成骨作用。然而当我们进一步检测miR-34a对小鼠原代骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化能力的影响时，并没有观察到miR-34a有明显的促成骨作用，究其原因可能是MC3T3-E1和BMSCs细胞有着本质的差别，对原代BMSCs的研究可能更真实地反映miRNA的生理功能。因此，在后续研究中我们对方案进行了较大的调整，主要以BMSCs为实验对象。通过miRNA芯片筛选到miR-146a和miR-223在BMSCs成骨诱导初期即出现显著下调，在BMSCs中过表达miR-146a和miR-223可抑制钙结节形成，抑制其表达则可促进钙结节形成，以miR-223的作用更为明显。进一步研究发现，miR-223通过抑制TGF-beta信号通路重要分子Smad1，下调成骨相关基因表达，从而抑制成骨分化。在此基础上，我们建立了双侧卵巢去势小鼠模型，术后3天通过尾静脉注射骨靶向脂质体包裹的miR-223抑制剂，12周后检测抑制miR-223对小鼠子宫重量以及股骨松质骨三维形态学的影响。结果显示，仅改变miR-223的表达不足以对骨质疏松小鼠体内的骨代谢产生显著调节作用。因此，我们没有进行后续的检测以及深入的分子机理研究。. 综上所述，我们遵照客观求是的原则，根据实验观察到的现象对研究方案进行了较大调整，尽管我们对于该课题的探索未取得预期的成果，但对于同领域的研究工作或可提供些许参考。本项目执行期间，发表相关会议论文4篇，被Journal of Orthopaedic Translation杂志以及中华医学会第十六届骨科学术会议暨第九届COA国际学术大会论文集收录。细胞实验部分的研究工作已整理英文论文一篇待投稿，其他相关研究内容将进一步发表论文。此外，参与本项目研究的两名本科生分别获得校级优秀毕业论文一等奖和优秀奖。