CDC42調控長管骨中軟骨發育的信號機制研究

《CDC42調控長管骨中軟骨發育的信號機制研究》是依託浙江大學，由吳希美擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：CDC42調控長管骨中軟骨發育的信號機制研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：吳希美
• 項目類別：面上項目

項目摘要

我們以前的研究（Wu X. et al. Cell 2008;133:533-544）表明Rho 小G蛋白Rac1通過調節beta-catenin的細胞核內堆積而實現對經典Wnt信號和肢芽發育的調控，Rac1調控經典Wnt信號和肢芽發育是Rho 小G蛋白普遍現象還是Rac1所特有的尚不清楚。我們探索性的研究表明在胚胎肢芽的頂外胚層嵴信號中心敲除Rho 小G蛋白另一成員 CDC42不調控經典Wnt信號和肢芽發育，而在胚胎肢芽的極化活性區的間充質幹細胞敲除CDC42導致顯著的軟骨發育不良的表型，以此為依據，本項目進一步探索CDC42調控間充質幹細胞成軟骨細胞分化過程中的間充質幹細胞condensation、間充質幹細胞向軟骨細胞分化以及軟骨細胞進一步向肥大軟骨細胞分化的信號機制，以及可能的上、下游信號事實。通過本研究，為Rho小G蛋白和Wnt信號調控骨骼發育提供新的理論和實踐依據。

結題摘要

Rho家族的小G蛋白（Rho small GTPase）成員包括Rac1、Cdc42和RhoA作為 “分子開關”調節細胞周期、細胞運動、生長、粘附、基因轉錄活性、信號傳導等重要功能。我們通過體外細胞學研究及條件性基因敲除小鼠研究了Cdc42在軟骨內成骨過程中具有重要作用，並探討其作用機制。首先，頂端外胚層嵴敲除Cdc42（Msx2Cre;Cdc42f/f）的轉基因小鼠中， Cdc42並不參與調控頂外胚層嵴的發育。間充質細胞敲除Cdc42（PrxCre;Cdc42f/f）的小鼠呈現出四肢短粗、顱骨開放性缺失的表型，進一步H&E染色發現Cdc42敲除的轉基因小鼠股骨中心有過度增生的肥大軟骨細胞，不能出現正常的血管入侵。取PrxCre;Cdc42f/f胎鼠股骨進行成骨與軟骨分化標記基因的原位雜交，結果提示Cdc42通過調控軟骨分化過程而不是成骨細胞的分化而調控長管骨發育。Sox9是軟骨發生早期階段的主要決定因子， Sox9的whole mount原位雜交顯示在E12.5野生型小鼠中Sox9表達於尺、橈骨及跖骨形狀的細胞聚集區及其軟骨結構的部位，而缺失Cdc42的轉基因小鼠中Sox9的表達彌散於整個肢芽結構。小鼠胚胎成纖維細胞（C3H10T1/2）的微團培養結果顯示敲降Cdc42可以抑制BMP-2所誘導的細胞聚集，而持續激活Cdc42可以增強BMP-2的誘導作用。以上實驗結果均說明Cdc42在間充質細胞聚集過程中扮演了重要的角色。進一步探討Cdc42調控間充質細胞聚集的機制，我們揭示了Cdc42調控間充質細胞聚集過程是通過BMP-2/Pak1/p38/Smad信號通路實現的。間充質細胞聚集後會向軟骨細胞分化，然後發生肥大化。我們分別檢測了軟骨分化標記基因Col2a1的表達，軟骨分化轉錄因子Sox9螢光素酶報告基因活性，肥大軟骨細胞敲除Cdc42的轉基因小鼠表型等，結果提示Cdc42同樣參與軟骨細胞分化過程，但不參與軟骨細胞的肥大化及成熟過程。Cdc42調控間充質幹細胞向軟骨細胞分化的信號機制為TGF-β/Pak1/AKT/Sox9。綜上所述，Cdc42通過BMP-2/Pak1/p38/Smad信號通路正向調控間充質細胞聚集，同時Cdc42通過TGF-β/Pak1/AKT/Sox9信號通路調控軟骨細胞的分化，但不影響軟骨細胞肥大化。