利用条件基因敲除技术研究PI3K/Akt信号通路维持关节软骨完整性的机制

Osteoarthritis (OA) is the most common articular disease that greatly compromise human health. The molecular mechanisms underlying the initiation and progression of OA still remain unclear, partially due to the lack of genetic mice models of OA. Existing in vitro studies regarding whether PI3K/Akt signaling is beneficial or harmful to OA are still under controversial. In this study, we will clarify the causal relationship between PI3K/Akt signaling and OA by tissue-specific gene knockout experiments in which PI3K/Akt signaling is activated within the articular chondrocytes of Col2a1-Cre;Ptenfl/fl mice, or inhibited within the Col2a1-Cre;Akt1fl/fl mice, respectively. The detailed molecular mechanisms how PTEN-regulated PI3K/Akt signaling maintains articular cartilage intact will be uncovered by a compound application of molecular biology technologies, and will be verified within human samples as well. More importantly, therapeutic strategies targeting PI3K/Akt pathway will be practically tested and verified via employing these genetic mice models. Our studies can provide us with novel OA animal models and help us gain a profound understanding of osteoarticular diseases.

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是最常见且严重危害人类健康的关节疾患之一，但OA发生的分子机制尚未明确，遗传小鼠模型也十分有限。已有的体外研究关于PI3K/Akt信号通路在OA发生中的作用一直存在争议。本研究利用组织特异性条件基因敲除技术，在小鼠关节软骨细胞中特异性地敲除Pten基因或Akt1基因，在体内过度激活或阻断PI3K/Akt信号通路，从正反两方面直接明确该信号通路与OA发生之间的因果联系。综合利用各种分子生物学技术手段，我们将深入探索PTEN调节的PI3K/Akt信号通路维持关节软骨完整性的分子机制，并在人类OA标本中验证这些分子机制的变化。更重要的是，我们将利用本OA小鼠模型，探索以PI3K/Akt信号通路为靶标防治OA的可能性。本研究将有助于我们更全面的认识骨关节疾病发生的分子机制，为研究相关疾病提供新颖的实验动物模型和新的治疗思路。

在体外实验中，PI3K/Akt信号通路可保护软骨细胞免于凋亡，并且促进软骨细胞的增殖，但另一方面，PI3K/Akt信号通路也可能通过触发衰老信号通路缩短软骨细胞的寿命，这种双刃剑作用使得人们很难认清PI3K/Akt信号通路在骨关节炎（osteoarthritis，OA）发生过程中的真实作用。本研究拟通过基因敲除的方法研究PI3K/Akt信号通路在OA发生及进展过程中的重要生理功能及其所包含的分子机制。我们首先检测了PI3K/Akt信号通路在人类OA标本中，以及在实验性小鼠OA模型中的活化情况。我们发现PI3K/Akt信号通路的激活在OA的发生及进展过程中十分普遍。为了确证PI3K/Akt信号通路与OA发生的因果关系，我们在小鼠关节软骨细胞中特异性地敲除了Pten或者Akt1基因。在Col2a1-Cre;Ptenfl/fl条件基因敲除小鼠中，持续激活的PI3K/Akt信号通路导致持续进展的OA表型，而Col2a1-Cre;Akt1fl/fl条件基因敲除小鼠在接受了膝关节半月板切断手术后，与接受手术的野生型小鼠相比，OA的进展被显著延迟了。在研究PI3K/Akt信号通路导致OA发生的分子机制过程中，我们发现激活的PI3K/Akt信号通路导致关节软骨细胞内发生氧化应激，并因此导致关节软骨细胞发生早熟衰老。我们的研究首次提供体内的遗传学证据表明PI3K/Akt信号通路的激活破坏关节软骨细胞的稳态维持，通过氧化应激引起关节软骨细胞的衰老和OA的发生。