SATB2-Nanog-mTOR轴调控BMSCs衰老及其在颌骨增龄性骨量丢失中的作用

Aging-related bone loss resulting from bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) senescence has significant deleterious effects on bone regeneration and repair in jaws. Progressive attenuation of stemness and activation of mTOR are key pathogenic drivers underlying this process. However, the detailed functions of pluripotency factor Nanog and mTOR pathway during BMSCs senescence remains largely unknown. Our previous studies have revealed that SATB2 plays vital roles in stmness and senescence regulation of mandibular BMSCs. In the present study, firstly, the temporospatial expression patterns of SATB2-Nanog-mTOR signaling axis will be analyzed in aging mandibular BMSCs. Secondly, the models of cellular senescence in vitro and the aging rats are employed to explore the roles and associated regulatory mechanisms of SATB2-Nanog-mTOR axis by SATB2 overexpression/ knockdown in combined with rapamycin inhibitor. Lastly, the therapeutic effects of SATB2-modified BMSCs in vivo transplantation are further determined to reverse BMSCs senescence as well as to promote osteogenesis and inhibit osteoclastogenesis, thus improving the bone microstructure. Collectively, our findings may provide insights into the biological roles of BMSCs senescence behind aging-related bone loss, and offer novel therapeutic target to prevent aging-related bone loss in jaws.

因骨髓间充质干细胞（BMSCs）衰老引起的增龄性骨量丢失直接影响颌骨再生修复，其中干性衰减和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激活是BMSCs衰老的关键因素。然而，决定干性特征的Nanog和mTOR通路在BMSCs衰老中的调控机制仍不清楚。我们前期研究发现：核基质蛋白SATB2在颌骨BMSCs干性维持与衰老中具有重要作用。本项目拟在分析颌骨BMSCs衰老过程中SATB2-Nanog-mTOR通路分子时空表达规律的基础上，构建体外细胞衰老和大鼠衰老模型，采用SATB2过表达/基因沉默等手段，阐明SATB2-Nanog-mTOR调控轴在BMSCs衰老过程中的作用机制，并探索SATB2修饰BMSCs移植以逆转BMSCs衰老、促进成骨、抑制破骨、改善颌骨骨结构的可行性和有效性。本研究不仅有助于深入认识BMSCs衰老机制及其在颌骨增龄性骨量丢失中的作用，而且有可能为防治颌骨增龄性骨量丢失提供新的策略和靶点。

本研究以颌骨增龄性骨量丢失为背景，探讨SATB2-Nanog通路在BMSCs衰老和颌骨增龄性骨量丢失过程中的调控作用，分析不同年龄段人和大鼠颌骨BMSCs生物学差异及SATB2-Nanog通路相关分子的时空表达规律，采用染色质免疫沉淀（Chip）、双荧光酶活性报告基因系统验证SATB2对Nanog转录调控机制，最后分析，移植SATB2基因修饰BMSCs对治疗增龄性骨量丢失的可行性和有效性。结果表明：.（1）与年轻颌骨BMSCs相比，老年BMSCs的增殖和成骨能力明显下降，而衰老和成脂能力明显增强。大鼠的颌骨组织学结果显示，老年大鼠的成骨细胞和骨量明显下降，而破骨细胞功能明显增强。在分子水平上，老年BMSCs的干性相关因子SATB2和Nanog，成骨相关因子Runx2和OCN明显下降，而衰老相关蛋白P53/γ-H2AX表达明显增强。.（2）在SATB2调控BMSCs衰老中的作用和分子机制的研究中发现，敲减/过表达SATB2会促进/抑制BMSCs的衰老，CHIP和双荧光实验证实，转录因子SATB2直接结合干性因子Nanog的启动子区促进其表达。此外，我们还证实了，在去势大鼠模型中，雌激素受体ER2通过直接结合SATB2的启动子区调控其表达，并影响相关干性和衰老的表达。.（3）SATB2介导BMSCs调控破骨细胞的功能，衰老BMSCs中，破骨抑制因子OPG表达显著下降，而破骨促进因子的RANKL的表达明显增强；而过表达SATB2可以促进OPG，抑制RANKL的表达。此外，我们还证实了，衰老BMSCs通过外泌体的形式分泌miR-31，从而增强破骨细胞的功能和活性，通过靶向抑制骨髓微环境中的miR-31，可以有效预防骨质疏松，延缓骨量的丢失。.（4）在去势和自然衰老大鼠颌骨骨量丢失模型基础上，尾静脉移植过表达SATB2的BMSCs，通过示踪GFP研究BMSCs的分布及转归，结果表明基因修饰的BMSCs可以有效缓解颌骨的骨量丢失，并且破骨细胞的活性也是显著降低。.通过本项目的研究，加深了对颌骨BMSCs衰老机制及雌激素缺乏和增龄性骨量丢失机制的理解，而且为设计颌骨骨质疏松等疾病防治及骨再生修复提供新思路和实验依据。