微重力下CKIP-1调节骨代谢和成骨分化的力学生物学机理研究

Casein kinase 2 interacting protein 1 (CKIP-1), discovered in recent years, is a negative regulator gene in bone formation and Wnt signal pathway is one of the important ways to regulate bone metabolism and osteogenic differentiation. Taking CKIP-1 as a target and Wnt as the main pathway, to study the countermeasure and mechanism of bone loss induced by space microgravity, is very significant. In the simulated microgravity conditions, through animal experiment, by observing the bone metabolic changes of CKIP-1 gene knockout mice and the key molecular targets of Wnt signaling pathway, this study investigate the molecular mechanism of CKIP-1 regulating bone metabolism under microgravity conditions. Then through cell experiment, by comparing osteogenic differentiations of BMSCs from normal mice, CKIP-1 knockout mice and CKIP-1 overexpression, and the signal molecule expression of Wnt signaling pathway, this study investigates the mechanism of CKIP-1 regulation of BMSCs osteogenic differentiation. The study will explore the mechanism of CKIP-1 regulating bone metabolism and bone differentiation exposed to microgravity, providing new ideas for the treatment of osteoporosis caused by microgravity in astronauts.

酪蛋白激酶2相互作用蛋白1（Casein kinase 2 interacting protein 1，CKIP-1）是近年发现的一种骨形成的负调控基因，Wnt信号途径是调节骨代谢和BMSCs成骨分化的重要途径之一。以CKIP-1为靶标，以Wnt为主要途径，研究太空微重力所致骨丢失的对抗措施及其机理，具有重要意义。在模拟微重力条件下，本研究首先通过动物实验，检测CKIP-1基因敲除小鼠骨代谢的改变，并研究Wnt信号途径的关键分子指标，探讨微重力条件下CKIP-1对小鼠骨代谢影响的分子机制；通过细胞实验，比较正常小鼠、CKIP-1敲除和CKIP-1高表达BMSCs成骨分化能力和Wnt信号途径信号分子表达，探讨CKIP-1调节BMSCs成骨分化的机制。本研究将深入探讨微重力条件下CKIP-1在调节骨代谢和成骨分化中的作用和机制，为宇航员对抗微重力导致骨质疏松的治疗提供新的思路。

本课题在动物及细胞水平构建了微重力条件模型。分别在动物实验/细胞实验层面开展研究，探讨了微重力条件下CKIP-1 对骨代谢及成骨分化的力学生物学机理，以及对抗相关废用性骨质疏松的方法及策略。.尾吊小鼠表现出骨质疏松症状，骨质变稀薄，骨力学性能显著下降，成骨活性减弱，破骨增强；小鼠CKIP-1 基因敲除后可增强成骨效应，促进新骨形成，改善骨质微观结构，提高骨质力学性能，可以有效对抗微重力导致的骨质流失。.开展不同强度力学载荷对微重力条件下骨组织代谢的实验研究，发现生理性载荷（2500με）可有效对抗微重力条件下导致的骨质疏松，过载（5000με）也有一定的对抗作用，但结果与尾吊组小鼠相比没有显著性差异。.建立基因-力学载荷偶联实验因素模型，发现单独因素均可有效对抗微重力条件下导致的骨流失症状，而且二者联合作用效果大于单独因素的作用效果，且两种实验因素之间无相互作用关系，说明生理载荷和CKIP-1敲除的联合作用，可更好地促进骨修复或维持骨量保持平衡。.微重力条件下，MC3T3-E1细胞分化受到明显抑制，细胞分泌IL-6增多，构成“细胞分泌炎性因子→NF-κB信号通路活化→促进炎性因子分泌”循环，微重力条件下通过激活NF-κB信号通路抑制MC3T3-E1成骨细胞的分化。.微重力条件下，CKIP-1作为调控因子负调节MSCs的成骨分化，敲除 CKIP -1 基因后 BMSCs细胞成骨分化能力增强，BMP/Smad信号通道表达增强，成骨相关基因及蛋白的信号表达增强，而微重力环境中该趋势受到抑制。