Cdc42調(diào)控長骨發(fā)育機制研究.pdf

1、人類疾病中有許多是與骨相關(guān)的，如骨質(zhì)疏松、軟骨發(fā)育不良、骨性關(guān)節(jié)炎等。因此，深入研究骨發(fā)育的分子機制對于疾病診斷、預(yù)防和治療意義重大。
　　脊椎動物的骨形成主要有兩種形式:膜內(nèi)成骨（Intramembranous ossification）和軟骨內(nèi)成骨(Endochondral ossification)。軟骨內(nèi)成骨過程是一個復(fù)雜的多步驟過程，起始于肢芽間充質(zhì)干細胞的增殖和聚集，然后會先后經(jīng)歷軟骨細胞分化、軟骨細胞肥大化、肥大軟骨

2、細胞成熟凋亡、血管入侵及成骨分化步驟。
　　Rho家族的小G蛋白(Rho small GTPase)成員包括Rac1、Cdc42和RhoA，可以在GTP形式與GDP形式間轉(zhuǎn)換，從而作為信號傳導(dǎo)途徑的“分子開關(guān)”調(diào)節(jié)細胞周期、細胞運動、基因轉(zhuǎn)錄活性、信號傳導(dǎo)等重要功能。近幾年有報道指出Rac1可以調(diào)控經(jīng)典Wnt信號促進成骨分化，基因敲除小鼠與體外細胞培養(yǎng)的結(jié)果顯示Rac1與Cdc42調(diào)控軟骨內(nèi)成骨過程，但具體的分子機制尚不完全清楚。

3、
　　我們通過體外細胞學(xué)研究及條件性敲除小鼠研究揭示了Cdc42在軟骨內(nèi)成骨過程中具有重要作用，并對其調(diào)控機制進行了一定的探討，對軟骨內(nèi)成骨的機制及Rho家族小G蛋白的功能進行了很好的補充。
　　小鼠肢芽組織由頂外胚層嵴(Apical ectodermal ridge，AER)信號中心與極化活性區(qū)（Zone of polarizing activity，ZPA）兩部分組成。首先我們通過觀察頂端外胚層嵴敲除Cdc42（Msx2

4、Cre;Cdc42f/f）的轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)Cdc42并不參與調(diào)控頂外胚層嵴的活性。間充質(zhì)細胞敲除Cdc42（PrxCre;Cdc42f/f）的小鼠呈現(xiàn)出四肢短粗、顱骨開放性缺失的表型，進一步的組織切片H&E染色發(fā)現(xiàn)Cdc42敲除的轉(zhuǎn)基因小鼠股骨中心有過度增生的肥大軟骨細胞，不能出現(xiàn)正常的血管入侵。上述表型充分說明Cdc42參與軟骨內(nèi)成骨過程。
　　為了明確小鼠骨發(fā)育異常的原因，首先我們?nèi)rxCre;Cdc42f/f的小鼠股骨做

5、成骨與軟骨分化標記基因的原位雜交，結(jié)果顯示成骨細胞及血管入侵的標記基因基本無異常。另外，在體外細胞學(xué)上我們分別檢測了成骨分化標記基因的表達、成骨分化轉(zhuǎn)錄因子Runx2的熒光素酶報告基因活性，并進行了成骨分化誘導(dǎo)的茜素紅染色明確礦物化結(jié)節(jié)形成能力;在整體動物上我們觀察了成骨細胞特異性敲除Cdc42的轉(zhuǎn)基因小鼠表型，結(jié)果均表明Cdc42基因敲除小鼠的骨骼異常是繼發(fā)于軟骨發(fā)育過程的，Cdc42并不能直接調(diào)控成骨細胞的分化，而是調(diào)控軟骨分化。<

6、br>　　軟骨分化過程起始于間充質(zhì)細胞的增殖和聚集，而Sox9是軟骨發(fā)生早期階段的主要決定因子，對于間充質(zhì)細胞的聚集是必須的。首先我們檢測了Sox9的whole mount原位雜交，結(jié)果顯示在E12.5天時Sox9應(yīng)表達于尺、橈骨及跖骨形狀的細胞聚集區(qū)及其軟骨結(jié)構(gòu)的部位，而缺失Cdc42的轉(zhuǎn)基因小鼠中Sox9的表達彌散于整個肢芽結(jié)構(gòu)。然后我們通過小鼠胚胎成纖維細胞(C3H10T1/2)的微團培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)敲降Cdc42可以抑制BMP-2所誘導(dǎo)

7、的細胞聚集，而持續(xù)激活Cdc42可以增強BMP-2的誘導(dǎo)作用。同時熒光定量PCR的結(jié)果顯示敲降Cdc42后顯著抑制細胞聚集的標記基因N-cadherin的表達。以上實驗結(jié)果均說明Cdc42在間充質(zhì)細胞聚集過程中扮演了重要的角色。
　　為了進一步探討Cdc42調(diào)控間充質(zhì)細胞聚集的機制，我們在C3H10T1/2細胞上開展了一系列的研究。Western blot的結(jié)果顯示敲降Cdc42或抑制Pak1均抑制BMP-2誘導(dǎo)的Smad1/5與

8、p38的磷酸化水平;核質(zhì)分離結(jié)果顯示抑制p38或Pak1后抑制了Smad1/5的入核能力;免疫共沉淀的結(jié)果顯示p38與Smad5存在相互結(jié)合。上述結(jié)果說明Cdc42調(diào)控間充質(zhì)細胞聚集可能是通過Pak1/p38/Smad信號通路。為了驗證此信號通路對細胞聚集的影響，我們再次利用C3H10T1/2細胞做微團培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲降Smad4或抑制p38的活性都會抑制BMP-2誘導(dǎo)的細胞聚集，同時我們發(fā)現(xiàn)敲降Cdc42引起的聚集受抑制表型可以通過添

9、加p38的激動劑挽救。最后我們選取PrxCre;Cdc42f/f的小鼠E11.5天的肢芽做免疫組化和westernblot，結(jié)果顯示，與同窩仔比間充質(zhì)細胞敲除Cdc42的小鼠肢芽中磷酸化的Smad與p38的水平有一定的下降。上述結(jié)果提示我們Cdc42調(diào)控間充質(zhì)細胞聚集過程是通過BMP-2/Pak1/p38/Smad信號通路實現(xiàn)的。
　　間充質(zhì)細胞聚集后會向軟骨細胞分化，然后發(fā)生肥大化。實時熒光定量PCR的結(jié)果顯示，敲降Cdc42或

10、抑制Pak1抑制TGF-β所誘導(dǎo)的軟骨分化的標記基因Col2a1的表達;熒光素酶報告基因檢測結(jié)果顯示軟骨分化的轉(zhuǎn)錄因子Sox9的熒光素酶報告基因活性同樣受到了抑制。結(jié)果提示Cdc42同樣參與軟骨細胞早期分化過程。進一步的體外細胞學(xué)實驗結(jié)果表明敲降Cdc42或抑制Pak1均對AKT1的活性及Sox9的磷酸化有一定的抑制作用，而且持續(xù)激活A(yù)KT1則能挽救敲降Cdc42導(dǎo)致的Sox9活性受抑制的結(jié)果。細胞核質(zhì)分離的結(jié)果顯示敲降Cdc42或Pa

11、k1顯著降低了Sox9的入核能力。表明Cdc42調(diào)節(jié)軟骨細胞早期分化是通過Pak1激活A(yù)KT1所支配的Sox9的轉(zhuǎn)錄實現(xiàn)的。
　　同時我們檢測了肥大軟骨細胞的標記基因Col10的表達、肥大軟骨細胞成熟的轉(zhuǎn)錄因子Runx2的轉(zhuǎn)錄活性等，均未發(fā)現(xiàn)Cdc42對其有影響。我們通過肥大軟骨細胞缺失Cdc42（Col10Cre;Cdc42f/f）的轉(zhuǎn)基因小鼠骨骼制備及H&E染色驗證了Cdc42缺失不參與軟骨細胞的肥大化及成熟過程。