成肌细胞外泌体microRNA对成骨分化的促进作用及其机制

Accumulating evidence supports that muscle and bone tissues can modulate the differentiation of each other by secreting a series of regulators. In this project, we focus on the modulating mechanisms of muscle toward bone, and propose that except for secretory proteins and small molecular metabolites, muscle-derived exosomes may also play an important role during this process. Our previous results indicate that exosomes from mouse myoblast C2C12 can enter pre-osteoblast MC3T3-E1 cells, release exosomal miRNAs, and promoting the osteogenesis of the recipient cells. In this study, we aim to further investigate the role of myoblast exsomes-mediated microRNAs in osteogenesis, and plan to perform the following works: (1) To validate if myoblast-derived exsomes can exert the same promoting effect on mesenchymal stem cells as pre-osteoblasts; (2) To confirm if miR-27a-3p is the key effector during myoblast exosomes modulating osteogenesis; (3) To identify other novel myoblast exosome-derived and osteogenesis-promoting microRNAs. This study is expected to build upon a basis to establish the new mechanisms for muscle-bone crosstalk, and provide novel treatment strategies for the degenerative and aging diseases such as sarcopenia and osteoporosis.

近年来研究发现，肌肉与骨骼可以分泌一些活性因子相互调控。本项目针对肌肉对骨的调控，提出除了分泌蛋白和小分子代谢物之外，肌细胞释放的外泌体（exosome）也有可能参与这一过程。我们的前期研究提示，小鼠成肌细胞C2C12可以释放外泌体进入到前成骨细胞MC3T3-E1内，释放其中的miRNA，促进后者的成骨分化。本项目将在此基础上，围绕“成肌细胞外泌体介导的miRNA促成骨分化作用及其机制”这一科学问题，进一步开展以下研究（1）验证除了前成骨细胞，成肌细胞外泌体是否也会促进间充质干细胞的成骨分化？（2）在细胞和动物水平验证miR-27a-3p是否是成肌细胞外泌体促成骨作用的关键效应分子？（3）发现成肌细胞外泌体中存在的其他具有促成骨作用的miRNA。预期研究结果将有助于确立外泌体调控肌-骨相互作用的新机制，也将为寻找肌少症、骨质疏松等衰老和退行性运动系统疾病的防治新策略提供依据。

肌肉与骨骼可以分泌一些活性因子相互调控。本项目提出“骨骼肌细胞分泌的外泌体可能通过其携带的microRNA来调控成骨细胞的分化及骨的重塑”这一科学假说。我们的研究发现，成肌细胞C2C12分泌的外泌体中含有丰富的肌源性microRNA，在共培养体系中成肌细胞的外泌体可以进入到前成骨细胞中，改变其microRNA的组成特别是miR-27a的表达水平，继而提高了β-catenin信号通路的活性，促进成骨分化。我们还在患有肌萎缩性疾病脊髓侧索硬化症的病人的血清外泌体中也检测到肌源性外泌体miR-27a的表达下降。针对肌源性microRNA，我们又构建了miR-23-miR-27a-miR-24-2 microRNA cluster骨骼肌条件敲除（Ckmm-cre）小鼠模型。但与预期不同的是，骨骼肌靶向敲除miR-23-miR-27a-miR-24-2 cluster后，小鼠的骨重塑表型没有发生显著的变化。我们的结论支持成肌细胞来源的外泌体可能对骨骼发育和重塑具有调节作用，即外泌体可以介导肌骨相互作用，这一发现有助于确立外泌体调控肌-骨相互作用的新机制，也将为寻找肌少症、骨质疏松等衰老和退行性运动系统疾病的防治新策略提供依据。虽然我们发现生理条件下miR-27a等肌源性microRNA对外泌体对骨重塑的调控可能不起决定性作用，后续研究中我们还会探讨在衰老和骨质疏松等病理条件下，肌细胞外泌体介导的miR-27a等肌源性microRNA的缺失是否可能发挥重要的作用，同时我们还将在后续的研究中继续从其他外泌体的成分中筛选新的肌源性成骨分子。本项目的主要发现共发表5篇学术论文。