泛素连接酶Smurf2调节骨的发育与骨质疏松的分子机制研究

Bone development and remodeling is determined by the balance between bone formation by osteoblasts and bone resorption by osteoclasts. Functional dysregulation of osteoblasts and/or osteoclasts contributes to the pathogenesis of skeletal disorders, such as osteoporosis.An improved understanding of osteoblast and osteoclast biology is critical to understand the molecular mechanism of osteoporosis.My recent study found that mice lacking ubiquitin E3 ligase Smurf2 reavealed an osteoporosis-like phenotype, showing markedly reduced bone mass. However,molecular mechanism of Smurf2 in the regulation of bone development and osteoporosis is unknown. We propose to construct conditional Smurf2 knockout mice in mesenchymal stem cells, osteoblasts and osteoclasts to identify the cell population affected by Smurf2. In addition, we will extend these studies to identify the ubiquitination target of Smurf2 and will study the mechanism by which Smurf2 E3 ligases and its substrate regulate the differentiation and function of osteoblasts and/or osteoclasts by a combination of biochemical, molecular and cellular biological approaches and in vivo animal model analysis. We will also broaden our focus to include other Nedd4 E3 ligase proteins that might display overlapping functions with Smurf2.

骨的发育和重建过程中，成骨细胞的骨形成功能与破骨细胞的骨吸收功能协调一致，维持骨的平衡。这两种细胞的功能失调，导致多种骨相关疾病，如骨质疏松症。但分子水平上,骨质疏松症的发病机制还有待进一步研究。前期研究表明，泛素连接酶Smurf2基因敲除小鼠，长骨中骨密度降低，产生类似骨质疏松症的症状，但具体的分子机制不清楚。本项目拟在间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞中条件性敲除Smurf2 基因，鉴定Smurf2影响长骨骨密度的关键细胞群。同时，利用生物化学和分子生物学的方法，结合动物模型表型分析和离体细胞培养，鉴定Smurf2介导的蛋白泛素化底物，研究Smurf2及其泛素化底物对成骨细胞、破骨细胞功能的影响，阐明Smurf2调节长骨中骨密度的分子基础，揭示基因敲除Smurf2导致骨质疏松症的分子机制。此外，Smurf2蛋白可能与Nedd4蛋白家族的其它成员有功能上的重叠，我们将对此进行进一步研究。

骨质疏松症是一种严重的退行性疾病，其特征是骨量降低，骨微结构退变，表现为骨脆性增高，易发生骨折。这种骨骼疾病是由于成骨细胞的骨形成与破骨细胞的骨吸收功能失调、骨平衡被破坏而产生的。我们的工作发现Smurf2基因敲除小鼠的骨密度降低，和Smurf1基因敲除小鼠的表型相反，这表明作为同源蛋白的Smurf2与Smurf1在骨量调控上存在差异。围绕“泛素连接酶Smurf2 调节骨的发育与骨质疏松的分子机制”展开研究。通过动物模型表型分析和离体细胞培养，发现Smurf2基因敲除小鼠中破骨细胞功能增强，Rankl表达增加，提示成骨细胞中敲除Smurf2基因可以引起Rankl表达的增加。进一步分子机制研究表明，在成骨细胞中Smurf2通过单泛素化底物蛋白Smad3，破坏了Smad3与Vdr的相互作用，从而抑制VDR下游靶基因Rankl的产生，最终影响了破骨细胞的功能。此研究揭示泛素连接酶SMURF2是TGFβ与维生素D信号途径发生串话的调节因子，从新的角度阐明骨质疏松疾病的可能发病机制，并为骨质疏松的治疗提供了新的靶点和理论基础。文章于2017年2月以基金第一标注发表在Nature Communications上。在项目资助期间，共发表“骨的发育与骨质疏松的分子机制研究”密切相关的通讯作者论文7篇，IF 大于10 的通讯作者论文3 篇。此外，在基金的资助下，鉴定了多个新的骨发育与骨重建的调节因子，并构建了多个疾病动物模型。