骨质疏松病理骨髓微环境对间充质干细胞干性的影响机制研究

Till now there is no effective way to treat osteoporosis. By using osteoporotic mouse model in our previous research, we found that the proliferation and multilineage differentiation capability of osteoporotic mesenchymal stem cells (MSCs) are downregulated by pathologic bone marrow microenvironment, indicating the loss of stemness. We hypothesize that restore its stemness would help to promote new bone formation. However the underlying mechanism of stemness loss is unclear. We found that H3K27 trimethylation (H3K27me3) is markedly changed in osteoporotic MSCs, which might be the reason of lost stemness in osteoporotic MSCs. This research will further investigate the molecular mechanisms of lost stemness through, 1st, confirming the lost stemness of MSCs caused by pathologic environment by detecting stemness related indexes under different conditions; 2nd, detecting changes of H3K27me3 profile in MSCs genome, and confirming its correlation to MSC stemness by investigating related gene functions; and 3rd, discussing the molecular mechanisms of lost stemness of MSCs through investigating the expression level, the molecular function, and the binding to related gene promoters of PRC family members EZH2 and Bmi-1, as well as the possible rescue strategies. This research will provide theoretical foundation for clinical treatment of osteoporosis.

骨质疏松危害大，目前尚无有效的治疗方法。前期研究发现，长期处于病理骨髓微环境下的间充质干细胞（MSCs）干性丢失，表现为增殖能力及多项分化潜能下降。该现象可能是导致骨丢失的根本原因。由此推测恢复并维持MSCs干性将能改善骨质疏松表型，但其干性丢失的机制未知。预实验中发现骨质疏松MSCs基因组H3K27三甲基化(H3K27me3)修饰发生较大改变，可能是病理微环境导致其干性丢失的关键。在此基础上，本项目将通过以下研究来深入探讨MSCs干性丢失的机制：①体外检测病理环境下干性相关指标，明确病理微环境对MSCs干性的影响；②检测H3K27me3在骨质疏松MSCs中的改变，并通过探讨相关基因功能来明确该修饰对MSCs干性的影响；③针对H3K27me3修饰的相关因子EZH2及Bmi-1，从其表达量、功能及其对相关基因启动子的结合几个角度探讨环境因子改变H3K27me3修饰的分子机制及可能的挽救措施。

随着生活水平提高和寿命延长，衰老相关疾病已成为严重影响老年人健康和生活质量的严重社会问题。其中骨组织衰老出现的骨质疏松症，在80岁及以上老人患病率达到100%。目前尚无有效防治方法。随年龄增加而出现的干细胞耗竭的现象可能是导致骨形成能力下降的主要原因。然而目前对干细胞耗竭的原因仍然未知。本项目构建小鼠骨质疏松病理模型，发现随年龄增加，骨形成能力下降，骨丢失严重，而MSCs的细胞数量和成骨分化能力也逐渐降低。ChIP-on-chip分析发现衰老MSCs全基因组H3K27甲基化水平下降，可能是导致MSCs生物学特性改变的原因，最终造成干细胞衰老耗竭。深入分析后明确H3K27甲基化修饰改变的基因多集中在细胞周期调控、生长因子信号通路、脂肪代谢以及炎症相关通路，提示相关基因表达水平改变，从而导致MSCs生物学特性被改变。其中改变最明显的基因是与细胞衰老相关的p16Ink4a。过表达及沉默实验证实了p16介导MSCs衰老的效应。由于p16正好是H3K27me3修饰酶Bmi-1的靶基因，而Bmi-1被认为是调控干细胞干性的重要因子。因此我们认为Bmi-1可能是病理微环境下影响MSCs生物学特性改变的关键。后续研究证实了衰老个体MSCs中该因子表达下降明显，而过表达将能明显挽救MSCs的各种生物学表型。由于Bmi-1的表达受到干细胞周围微环境的严密调控，因此我们推测衰老MSCs中Bmi-1表达下降的原因在于病理骨髓微环境。衰老骨髓微环境以慢性炎症为主，尤其是衰老相关的SASP因子明显增加。因此本项目进一步以ELISA分析衰老骨髓中多种SASP炎症因子后发现多种SASP因子蛋白水平增加，其中IL-1α含量增加最为明显。IL-1α能显著抑制Bmi-1的表达，并引发年轻MSCs出现衰老表型，可能是导致衰老个体中骨髓MSC衰老耗竭的关键因子。更重要的是，本项目发现过表达Bmi-1后的MSCs将能抵抗病理微环境的影响以及。因此本项目认为通过人为干预增加MSCs内Bmi-1的表达将能增强MSCs的干性，在病理微环境下能有效促进成骨分化和新骨形成，或将成为临床上有效防治此类疾病的新策略。