JMJD3在内生性软骨瘤和软骨肉瘤发生中的作用和分子机制研究

Enchondromas and chondrosarcomas mostly locate in the metaphysis of long bones. However, the molecular events during the pathogenesis of these tumors are unknown.JMJD3 is an H3K27me3 demethylase and counteracts histone methyltransferase EZH2-mediated transcription repression. We previously detected that homozygous deletion of Jmjd3 resulted in severely decreased proliferation and delayed hypertrophy of chondrocytes in mice. Recently, we observed JMJD3 and EZH2 antagonistically regulated chondrocyte maturation with chondrocyte conditional gene knockout mice. Moreover, conditional deletion of Jmjd3, instead of Ezh2, in chondrocytes resulted in the development of enchondromas and chondrosarcomas. To our knowledge,this is the first report that only one gene knockout can induce both enchondromas and chondrosarcomas. Therefore, this finding may provide key clues to us to exposit the molecular mechanism of the development of enchondromas and chondrosarcomas. Based on the chondrocyte conditional deletion of Jmjd3 and/or Ezh2 mice, we will explore the major molecular events during the pathogenesis of enchondromas and chondrosarcomas in Jmjd3 knockout mice, and validate these molecular events in clinical specimens of enchondromas and chondrosarcomas. Resolution of these questions may help us to develop new methods to treat these diseases.

内生性软骨瘤和软骨肉瘤是常发生于长骨干骺端的软骨肿瘤，目前发病机制还不完全清楚。JMJD3是一个重要的H3K27me3去甲基化酶，拮抗组蛋白甲基转移酶EZH2调节的转录抑制功能。我们前期实验发现JMJD3促进胚胎期软骨细胞增生和肥大，最近采用软骨细胞条件性敲除小鼠发现JMJD3和EZH2拮抗调节软骨细胞成熟，而且，软骨细胞条件性敲除Jmjd3而不是Ezh2导致内生性软骨瘤和软骨肉瘤发生。目前还未见报道敲除一个基因就可以同时产生内生性软骨瘤和软骨肉瘤的实验研究，因此，该发现对提高我们认识内生性软骨瘤和软骨肉瘤发生的分子机制可能具有重要帮助。因此，本项目的研究目标是：以Jmjd3和/或Ezh2条件性敲除小鼠为研究平台，分析Jmjd3敲除导致小鼠发生内生性软骨瘤和软骨肉瘤的主要分子机制，随后验证该机制在临床内生性软骨瘤和软骨肉瘤标本中发生程度，为临床防治提供科学依据。

软骨特异敲除Jmjd3诱发软骨性肿瘤发生，确定肿瘤类型，分析了Jmjd3缺失对软骨发育的影响，通过RNA测序等技术，发现p16是Jmjd3的下游靶基因，基因双敲除Jmjd3和p16小鼠实验证明Jmjd3诱发软骨肿瘤通过p16，而且，软骨中Ezh2和Jmjd3同时敲除非但没有减少软骨肿瘤发生，相反诱发更高的肿瘤发生率，而且肿瘤的分化更差，与此一致，Ezh2抑制剂GSK-126不能抑制Jmjd3软骨中敲除引起的软骨肿瘤增生，临床标本检测p16和Jmjd3在软骨肿瘤中存在交叉性缺失，提示它们在人类软骨肿瘤中也可能发挥作用。 .Jmjd3抑制剂GSK-J4而不是Ezh2抑制剂GSK-126可以时间共线性方式引起小鼠胚胎骨骼发生同源转化，与此一致，Jmjd3在软骨细胞中不同时间敲除，引发类似GSK-J4处理的表型，而Utx敲除不能，说明GSK-J4通过抑制Jmjd3而不是Utx起到时间共线性调节同源转化的现象，而不同时间敲除Ezh2只能诱导腰骶部的同源转化，而且软骨细胞中同时敲除Jmjd3和Ezh2引发类似Jmjd3单独敲除的同源转化表型，进一步证明Ezh2不参与同源转化的时间共线性调节，分子机制分析发现GSK-J4通过时间共线性调节Hox基因表达而诱发同源转化。.Jmjd3基因全身敲除引起脊柱后凸，在软骨中特异敲除Jmjd3，不能诱发脊柱后凸，但是在间充质细胞中敲除Jmjd3诱发类似全身敲除的脊柱后凸，在分析小鼠骨架的时候，偶然发现，小鼠的胸骨和腹部肌肉发育不良，这导致胸腹部体壁相对脊柱和背部发育过短，引起类似“拉弓”一样导致脊柱后凸，组织学检测发现肋骨向胸骨方向迁移延缓，腹壁肌肉发育延缓，分子机制发现Jmjd3敲除导致胸骨Runx2表达下降，而腹肌中Myh3表达下降，最后间充质细胞内同时敲除Ezh2和Jmjd3不产生脊柱后凸，说明Ezh2可以逆转Jmjd3缺失诱发的脊柱后凸现象。.我们还发现软骨中Jmjd3缺失导致骨密度降低，同时敲除Jmjd3和Ezh2导致骨密度更低，说明在对骨密度调节方面，功能并不相反，与上面它们在骨肿瘤中的作用一样，是协同关系。另外，还发现Utx在软骨中缺失导致骨密度增高。