cAMP-CREB1-HDAC8通路调控颌骨骨纤维异常增殖症BMSCs的增殖与分化

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骨纤维异常增殖症(fibrous dysplasia,FD)是一种非遗传性、良性骨骼疾病。颅颌面骨与四肢骨是最好发部位,其中颌面骨FD临床表现为面部膨隆畸形、疼痛、牙合功能紊乱和病理性骨折等症状。目前临床治疗主要有外科手术修整与破骨细胞抑制类药物两种方式,其均为对症处理,且远期疗效尚无可靠数据报道。因此,有必要从发病机制角度来研究新的更有效的靶向治疗药物。最近研究表明FD是一种骨髓间充质干细胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)疾病,由于BMSCs的鸟苷酸结合蛋白α活性刺激肽(guanine nucleotide-bindingprotein alpha-stimulating activity polypeptide,GNAS)发生基因突变,导致环磷腺苷-环磷腺苷效应元件结合蛋白(cyclic Adenosine Monophosphate-cAMP-response element binding protein,cAMP-CREB)通路的激活,从而引起FD成骨障碍及细胞高增殖活性的病理表现,但cAMP-CREB通路对FD BMSCs的具体调控机制仍不明确。本课题组前期研究表明组蛋白去乙酰化酶8(HDAC8)可通过表观遗传学修饰抑制BMSCs成骨分化能力,并且我们发现在FD BMSCs中HDAC8呈高表达状态,此外,通过生物信息学软件预测到转录因子CREB1与HDAC8启动子之间存在可能的结合位点。因此,本实验通过检测HDAC8对FD BMSCs生物学行为的影响,并初步研究了cAMP-CREB1-HDAC8通路及其调控的分子机制,为临床治疗FD提供新的思路。  第一部分:颌骨骨纤维异常增殖症来源BMSCs生物学特征  目的:比较正常BMSCs及FD患者BMSCs(FD BMSCs)增殖、凋亡、成骨分化及cAMP、CREB1、p-CREB1、HDAC8等分子表达的差异。  方法:1)利用组织块法体外培养颌骨骨纤维异常增殖症来源FD BMSCs,每三天换一次液,以除去未贴壁细胞的及漂浮的组织块,镜下观察到细胞集落形成并相互融合时进行首次传代;2)经影像学评估、细胞基因组DNA测序及H&E染色来确定FD BMSCs来自FD病灶;3)BrdU实验分析其增殖能力;4)流式细胞仪分析其凋亡能力;5)ELISA实验检测细胞内cAMP水平;6)实时定量PCR及Western blot等方法检测FDBMSCs中相关分子的表达;7)通过矿化诱导FDBMSCs并进行实时定量PCR、Western blot及茜素红染色检测FD BMSCs的成骨分化能力。  结果:(1)三例FD患者的影像学均变现为病灶区骨质膨隆,密度不均,呈典型磨玻璃样改变;基因测序结果显示GNAS基因均存在R201H或R201C位点突变;H&E染色呈现成熟的板状骨被大量纤维组织以及不成熟的、纤薄、英文字母样骨小梁所取代。(2)FD BMSCs较正常BMSCs形态学无明显差异,但增殖活性升高,凋亡能力下降,矿化诱导7天后,成骨分化相关分子表达明显下调且钙结节形成能力减弱。FD BMSCs中cAMP、p-CREB1、HDAC8表达显著增高,TP53表达下降。  结论:本实验通过组织块贴壁培养法获得BMSCs及FD BMSCs,通过比较其生物学行为及关键分子的表达差异,初步表明HDAC8参与调控了FD BMSCs的成骨分化障碍以及增殖能力增强,且增殖能力的增强可能与TP53的表达下调相关。  第二部分:cAMP-CREB1-HDAC8通路调控颌骨骨纤维异常增殖症BMSCs增殖与成骨分化  目的:应用cAMP抑制剂、激动剂及HDAC8敲减等手段干预cAMP-CREB1-HDAC8通路,分析其对FD BMSCs增殖活性、成骨分化的影响,并探讨该通路调控FD发病的相关机制。  方法:1)外源性cAMP处理正常BMSCs,cAMP抑制剂处理FD BMSCs,HDAC8抑制剂处理FD BMSCs,HDAC8敲减慢病毒载体转染FD BMSCs,通过实时定量PCR及Western blot检测通路相关分子的表达;2)BrdU实验分析其增殖能力变化;3)流式细胞仪分析其凋亡能力变化;4)实时定量PCR、Western blot及茜素红染色方法检测不同处理组细胞的体外成骨分化能力;5)小干扰RNA敲减CREB1,通过实时定量PCR及Western blot方法检测CREB1、p-CREB1、HDAC8、TP53的表达变化;6)ChIP实验分析CREB1与HDAC8启动子区DNA序列的结合位点;7)双荧光素酶报告基因实验验证CREB1与HDAC8分子间可能存在的结合和调控关系。  结果:(1)正常BMSCs在cAMP处理后p-CREB1、HDAC8表达增高,TP53表达降低,细胞增殖能力增强,细胞凋亡能力减弱,成骨相关分子表达降低,矿化诱导成骨能力下降。(2)与上述结果相反,FD BMSCs在加入cAMP抑制剂后p-CREB1、HDAC8表达下降,TP53表达增高,细胞增殖能力减弱,细胞凋亡能力增强,成骨相关分子表达增高,矿化诱导成骨能力增强。(3)HDAC8抑制剂处理FD BMSCs后TP53表达增高,细胞增殖能力减弱,细胞凋亡能力增强,成骨相关分子表达增高,矿化诱导成骨能力增强。(4)与结果(3)一致,HDAC8敲减慢病毒载体转染FD BMSCs后TP53表达增高,细胞增殖能力减弱,细胞凋亡能力增强,成骨相关分子表达增高,矿化诱导成骨能力增强。(5)小干扰RNA敲减CREB1后CREB1、p-CREB1、HDAC8表达下降,TP53表达增高。(6)ChIP实验结果显示CREB1与HDAC8启动子区四个结合位点发生结合。(7)双荧光素酶报告基因实验证实四个阳性结合位点中CREB1与HDAC8启动子区第1、3号结合位点发生结合并参与调控基因表达。  结论:HDAC8是FD BMSCs异常生物学行为的关键性调控因子,且HDAC8受到了cAMP-CREB1的转录激活调控,本实验证实了cAMP-CREB1-HDAC8的存在且对FD的发病起到关键调控作用。  第三部分:HDAC8抑制对颌骨骨纤维异常增殖症BMSCs裸鼠异位骨形成的影响  目的:观察HDAC8抑制剂及HDAC8敲减等干预手段对FD BMSCs异位成骨的影响,并探索干预HDAC8对FD可能的治疗作用。  方法:1)构建HA/TCP/BMSCs复合载体,分为BMSCs组、FD BMSCs组、LeV-scramble组、LeV-shHDAC8组及PCI-34051(HDAC8抑制剂)组,将载体移植至裸鼠背部皮下;2)移植八周后,处死裸鼠,取材、固定、包埋、切片,以备组织学染色,H&E和Masson三色染色分析不同组细胞异位形成的骨基质,免疫组织化学染色分析不同组载体中成骨细胞的活性。  结果:与阴性对照组比,HDAC8敲减组和HDAC8抑制剂组载体中FD BMSCs形成了更多的骨基质且成骨细胞活性明显强于阴性对照组。而阴性对照组中仅见大量纤维组织,极少骨基质形成和成骨细胞活性。  结论:HDAC8抑制能促进FD BMSCs裸鼠体内异位成骨,HDAC8干预可成为临床治疗FD疾病的潜在手段。
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