mTOR复合物在软骨细胞机械转导中的作用研究

Many cartilage diseases are a result of disturbances in chondrocyte homeostasis, of which Mechanical loading plays a vital role. Activation of mechanotransduction complexes (mechanosomes) is considered to be the main step of mechanotransduction. However, the molecular nature of the mechanosomes in chondrocytes needs to be elucidated. The mammalian target of rapamycin (mTOR) is a highly conserved cytoplasmic protein kinase. Using a 3D primary chondrocyte culture mechanical loading system, we found that the activation of both mTOR complex 1 (mTORC1) and mTOR complex 2 (mTORC2) signaling is necessary for mechanical induction of chondrocyte proliferation and differentiation. Furthermore, deficiency of SH2-containing protein tyrosine phosphatase 2 (Shp2) enhances mechanical stimulation of mTORC1. Therefore, we hypothesize that activation of the mTOR signaling pathway is required for mechanical regulation of chondrocyte proliferation and differentiation. To test this hypothesis we will use both loss- and gain-of function molecular and pharmacological approaches to further define the role of mTORC1 and mTORC2 in mechanical regulation of chondrocyte differentiation. Our study will provide insight into molecular mechanisms underlying mechanical regulation of cartilage homeostasis, thereby benefiting cartilage tissue engineering and regenerative medicine.

软骨细胞内稳态遭到破坏是许多软骨疾病的发生基础 ，机械应力在维护软骨细胞内稳态方面发挥着非常重要的作用。机械小体活化被认为是机械信号细胞内转导的主要步骤，但目前分子机制不详。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一个高度保守的蛋白激酶，它和其它蛋白在胞浆内形成复合物。我们的前期实验提示，mTOR复合物1 （mTORC1）和复合物2（mTORC2）信号通路被激活可能是机械刺激调控的软骨细胞增殖和分化必需环节；Shp2能够负面调节被机械负荷激活的mTOR信号。在此基础上，本项目拟采用软骨细胞三维立体培养、循环往复性机械刺激、药物干预、siRNA细胞转染等综合技术，以原代软骨细胞为主要研究对象，重点研究mTORC1和mTORC2的生物功能，确定它们在机械刺激调控的软骨细胞分化过程中对信号通路上下游目标的调节作用，完善软骨细胞机械转导机制。研究成果为软骨组织工程和再生医学服务。

软骨细胞内稳态遭到破坏是许多软骨疾病的发生基础 ，机械应力在维护软骨细胞内稳态方面发挥着非常重要的作用。机械小体活化被认为是机械信号细胞内转导的主要步骤，但目前具体机制不详。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一个高度保守的蛋白激酶，它和其它蛋白在胞浆内形成复合物。我们的前期实验提示，mTOR复合物1 （mTORC1）和复合物2（mTORC2）信号通路被激活可能是机械刺激调控的软骨细胞增殖和分化必需环节；Shp2能够负面调节被机械负荷激活的mTOR信号。本项目采用软骨细胞三维立体培养、循环往复性机械刺激、药物干预、siRNA细胞转染等综合技术，以原代软骨细胞为主要研究对象，对相关机制进行了探索性研究。我们得到了以下结果：消除机械刺激和mTOR激活都会抑制软骨生长和软骨细胞增殖；消除机械刺激抑制了生长板软骨细胞mTOR的活性以及软骨形成的标志性基因的表达；机械加载激活初级生长板软骨细胞中的mTOR信号通路；mTOR通路的机械性活化取决于加载幅度和时程，但不依赖于生长因子和营养物；机械活化的细胞增殖和Ihh基因表达取决于mTOR活动；缺乏酪氨酸磷酸酶Shp2致敏机械刺激的mTOR和软骨形成；破坏ATDC5软骨祖细胞原发性纤毛结构抑制机械负载诱导的机械敏感性基因的表达；用生物方法降低纤毛软骨细胞数量可以减少但未能消除机械负载刺激的软骨细胞肥大化；原代纤毛的化学去除抑制肥大软骨细胞中的循环负载诱导的X型胶原（Col X）mRNA；我们的结果明确了mTOR在机械负载调控的软骨细胞分化中的重要作用，完善了软骨细胞机械转导相关机制，为软骨组织工程和再生医学未来发展奠定了理论基础。