HIF1α蛋白高表达导致成骨细胞-破骨细胞功能失耦联的机制研究

The bone modeling and remodeling depend on ingenious coupling between osteoclastic bone resorption and osteoblastic bone formation. Osteoblast-osteoclast uncoupling is the main cause of osteopetrosis, osteoporosis, and etc.. Our previous study confirmed that HIF1α overexpression in osteoblasts resulted in osteoblast-osteoclast uncoupling due to activation of osteoblasts and inhibition of osteoclasts, with symptoms and signs similar to osteopetrosis. The project will focus on the key signaling pathways of osteoblast-osteoclast coupling using conditional Hif1α or Vhl knockout mice models in mesenchymal cells or osteoblasts and in vitro co-culture models of Hif1α or Vhl knockout bone marrow stromal cells or osteoblasts and bone marrow-derived osteoclastic precursor cells respectively. We suppose to investigate the regulatory mechanism of HIF1α in osteoblast-osteoclast coupling during bone modeling and remodeling, clarify the possible molecular regulatory mechanism of HIF1α overexpression during osteoblast-osteoclast uncoupling→occurrence and development of similar osteopetrosis, and provide theoretical basis and potential drug targets for prevention and treatment of the disease.

在骨塑建和骨改建过程中，成骨细胞的骨形成功能和破骨细胞的骨吸收功能形成耦联机制，调控骨骼塑形和维持骨量平衡；二者间功能失耦联是引发骨硬化病、骨质疏松症等疾病的主要原因。申请者前期研究表明，成骨细胞HIF1α蛋白高表达导致成骨细胞-破骨细胞功能失耦联：成骨细胞功能增强，破骨细胞功能受抑，产生类似骨硬化病征象。本项目将从成骨细胞-破骨细胞功能耦联所依赖的关键性信号通路着手，运用间充质细胞、成骨细胞条件性Hif1α、Vhl基因敲除小鼠及体外Hif1α、Vhl基因敲除的骨髓基质细胞、成骨细胞分别与骨髓源性破骨细胞前体细胞共培养等模型，研究在骨塑建和骨改建过程中，HIF1α蛋白对成骨细胞-破骨细胞功能耦联的调控机制，进一步明确HIF1α蛋白高表达导致成骨细胞-破骨细胞功能失耦联→类似骨硬化病发生、发展过程中可能的分子调控机制，从而为该类疾病的防治提供理论依据和潜在的药物靶点。

在骨塑建和骨改建过程中，成骨细胞的骨形成功能和破骨细胞的骨吸收功能形成耦联机制，调控骨骼塑形和维持骨量平衡；二者间功能失耦联是引发骨质疏松症等疾病的主要原因。低氧诱导因子1α（Hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α）被认为是低氧条件下细胞氧内环境稳态的核心调控因子之一，在骨塑建和骨改建过程中发挥重要作用。本项目运用间充质细胞、成骨细胞条件性Hif1α、Vhl基因敲除小鼠及体外Hif1α、Vhl基因敲除的骨髓基质细胞、成骨细胞分别与骨髓源性破骨细胞前体细胞共培养等模型研究在骨塑建和骨改建过程中HIF1α蛋白对成骨细胞-破骨细胞功能耦联的调控机制，研究发现成骨细胞条件性敲除Vhl基因后Hif1α基因高表达导致骨量和骨密度增加；成骨细胞条件性敲除Hif1α基因后导致骨量和骨密度降低。HIF1α蛋白可直接结合破骨细胞活性的核心调控因子-骨保护素（osteoprotegerin, OPG）的上游启动子区域CGTG从而抑制破骨细胞产生和吸收活性，调节骨塑建和骨改建的过程。生长和分化因子11（Growth and differentiation factor 11，GDF11)属TGF-β家族，在骨塑建和骨改建中发挥重要作用。GDF11在骨质疏松小鼠和老年小鼠的胞浆和骨髓中表达明显下降。本项目运用骨质疏松小鼠模型、骨质疏松患者研究GDF11在骨质疏松中的调控机制。研究发现GDF11通过促进PPAR-γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ）的SUMO化修饰而抑制PPAR-γ活性，促进骨髓间充质细胞的成骨细胞分化潜能而抑制骨髓间充质细胞的脂肪细胞分化潜能。因此，HIF1α和GDF11均是骨质疏松发生发展的负向调控因子，可作为骨质疏松预防和治疗的潜在药物靶点。此外，研究发现血清25-(OH)D3随着绝经年限的增加而降低，50~60岁绝经后女性应及时补充维生素D3，预防和延缓骨折的发生。