钙振荡介导的calcineurin-NFAT信号通路在骨细胞力学信号转导中的作用研究

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基本信息

  • 批准号:
    31500760
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1001.生物力学与生物流变学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Bone can remodel its own structure to adapt to the external mechanical environment, and failure of normal bone adaptation is known to play a significant role in the etiology of metabolic bone diseases such as osteoporosis and osteopetrosis. Abundant evidence has substantiated that osteocytes play a significant role in bone mechanosensing. Our study for the first time demonstrates that osteocytes response to the mechanical stimuli via unique calcium oscillations with multiple robust calcium peaks, and osteocytes behave more active in calcium signaling than osteoblasts in response to mechanical signals. Our results provide direct evidence that osteocytes are qualified as the major "mechanical sensor" in bone. To date, however, how osteocytes decode and transduce the unique calcium oscillations and how calcium oscillations affect the cellular functions of osteocytes remain unknown. Several previous studies have shown that NFAT acts as a critical decoder for low-frequency calcium oscillations in cardiomyocytes and lymphocytes. Thus, the objective of the present study is to investigate the spatiotemporal characteristics of intracellular calcium and NFAT in osteocytes via real-time fluorescence imaging of calcium and NFAT molecules under mechanical loading. Moreover, the correlation of NFAT activities with the frequency and intensity of calcium oscillations will be also systematically analyzed. Then, the changes of osteocytic biological functions and secretions of cytokines related with bone remodeling will be also investigated after the inhibition of the NFAT signaling. The present study aims to decipher the intracellular decoding mechanism of osteocytes for the unique calcium oscillations, which contributes to uncovering the mechanism about how bone senses and transduces mechanical signals, and thus advancing our fundamental knowledge of bone adaptation and bone mechanotransduction.
骨能对外界应力环境发生适应性变化,骨适应能力的缺失是骨质疏松、骨硬化症等代谢骨病发生的重要原因。诸多研究揭示骨细胞(OCY)在骨力学信号响应中起重要作用,我们首次发现OCY是通过独特多尖峰钙振荡响应应力刺激的,且OCY应力响应敏感性远高于成骨细胞,该发现为揭示OCY是骨中最核心应力感受器提供了直接证据。但OCY是如何解码和转导这种独特钙振荡,钙振荡是如何影响OCY功能的,仍不得而知。NFAT被证实是心肌、淋巴细胞重要的低频钙振荡解码分子,本课题拟通过钙和NFAT实时荧光成像分析应力作用下OCY钙和NFAT时空变化规律,明确NFAT与钙振荡频率和强度的关系;随后分别阻断体外/体内OCY的NFAT信号,分析应力作用下OCY生物功能及其分泌的重要骨代谢调控因子的变化。本课题旨在明确OCY对力致钙振荡的解码机制,回答骨骼是如何响应和转导应力刺激这一重要问题,丰富对骨适应和骨力学信号转导机制的认识。

结项摘要

我们前期研究发现骨细胞在应力刺激下表现出独特的多尖峰钙振荡特性,但是骨细胞是如何解码和转导这种钙振荡,钙振荡是如何影响骨细胞功能的,仍是未知。本研究中,我们首先构建了程控式细胞流体剪切力系统,发现了NFAT拮抗剂(环孢霉素A)对MLO-Y4细胞进行干预后,剪切力诱发的骨细胞凋亡的降低、Wnt/β-catenin通路的激活和RANKL/OPG表达下调均被显著抑制;其次,我们分别对小鼠胫骨原位骨细胞和MLO-Y4细胞系中NFAT各亚型(NFATc1~4)进行了检测,我们发现体外/原位骨细胞中NFATc3的亚型表达最高;随后,我们通过构建HA-NFAT-GFP转染质粒协同rhod-2/AM钙荧光探针染色实现了钙和NFAT实时双通道荧光成像,以胞核NFAT(NFATNuc)与胞浆NFAT(NFATCyt)比值计算NFAT活性,我们发现正常的具有多尖峰钙振荡的骨细胞NFATNuc/NFATCyt呈现逐渐增加的趋势,而施加了ER或P2R阻断剂的细胞(钙尖峰数量显著降低)NFAT增加趋势不显著,证实了NFAT充当应力刺激下骨细胞钙振荡解码器的角色;随后,我们使用基因沉默技术阻断了骨细胞NFATc3表达,发现剪切力诱发的骨细胞凋亡率的降低被显著抑制,且剪切力诱发的Wnt3a、β-catenin与OPG上调以及SOST、RANKL下调同样被显著抑制,进一步证实了NFAT在骨细胞力学信号转导和力学生物学调控中同样发挥关键作用;最后,我们构建了新颖的活体小鼠长骨应力加载系统,通过尾静脉注射NFAT拮抗剂,发现了NFAT阻断后应力对于骨中骨细胞功能活性的调控被显著抑制,进一步证实了NFAT在骨细胞力学信号转导中起关键作用。本研究进一步丰富了骨细胞力学信号转导机制的认识,并有望为更加系统认识骨是如何响应和转导应力刺激这一重要科学问题提供有力依据。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Low-1 level mechanical vibration improves bone microstructure, tissue mechanical properties and porous titanium implant osseointegration by promoting anabolic response in type 1 diabetic rabbits
低 1 级机械振动通过促进 1 型糖尿病兔的合成代谢反应来改善骨微结构、组织机械性能和多孔钛种植体骨整合。
  • DOI:
    10.1016/j.bone.2017.10.001
  • 发表时间:
    2018-01-01
  • 期刊:
    BONE
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Jing, Da;Yan, Zedong;Luo, Erping
  • 通讯作者:
    Luo, Erping
基于LabVIEW的细胞剪切力加载系统的设计及其实验验证
  • DOI:
    10.7687/j.issn1003-8868.2017.11.005
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    医疗卫生装备
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    颜泽栋;罗二平;王盼;刘梦婉;翟明明;张旭慧;刘曦雨;景达
  • 通讯作者:
    景达
Pulsed electromagnetic fields preserve bone architecture and mechanical properties and stimulate porous implant osseointegration by promoting bone anabolism in type 1 diabetic rabbits
脉冲电磁场​​可保护 1 型糖尿病兔的骨结构和机械性能,并通过促进骨合成代谢来刺激多孔植入物骨整合。
  • DOI:
    10.1007/s00198-018-4392-1
  • 发表时间:
    2018-05-01
  • 期刊:
    OSTEOPOROSIS INTERNATIONAL
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Cai, J.;Li, W.;Jing, D.
  • 通讯作者:
    Jing, D.
Fluid shear stress improves morphology, cytoskeleton architecture, viability, and regulates cytokine expression in a time-dependent manner in MLO-Y4 cells.
流体剪切应力改善 MLO-Y4 细胞的形态、细胞骨架结构、活力,并以时间依赖性方式调节细胞因子表达。
  • DOI:
    10.1002/cbin.11032
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Cell Biol Int
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yan Z;Wang P;Wu J;Feng X;Cai J;Zhai M;Li J;Liu X;Jiang M;Luo E;Jing D
  • 通讯作者:
    Jing D
轴向压缩载荷作用下大鼠胫骨表面应变分布的三维有限元分析
  • DOI:
    10.7687/j.issn1003-8868.2016.11.015
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    医疗卫生装备
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘曦雨;罗二平;曹璐;杨永青;邵希;颜泽栋;张旭慧;景达
  • 通讯作者:
    景达

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其他文献

低强度振动载荷对兔长骨再生速率的影响
  • DOI:
    10.3969/j.issn.1005-202x.2016.04.008
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国医学物理学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    佟世超;唐振宏;刘娟;申广浩;翟明明;景达;李小康;郭征;罗二平
  • 通讯作者:
    罗二平
不同占空比低强度脉冲电磁场对大鼠成骨细胞的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    中国医学物理学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李飞江;李娟;景达;申广浩;罗二平
  • 通讯作者:
    罗二平
组织块法培养SD大鼠的成骨细胞及鉴定
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    中国组织工程研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李娟;申广浩;程光;罗二平;李飞江;景达;费舟;陈晓燕
  • 通讯作者:
    陈晓燕
脉冲电磁场协同多孔钛合金对兔长骨缺损修复效果的微观结构分析
  • DOI:
    10.13336/j.1003-6520.hve.2014.12.020
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    高电压技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    景达;佟世超;翟明明;李小康;申广浩;罗二平
  • 通讯作者:
    罗二平
脉冲电磁场对糖尿病大鼠外周神经病变的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    中国医学物理学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    申广浩;雷涛;罗二平;姜茂刚;谢康宁;景达;李飞江;吴小明;汤池
  • 通讯作者:
    汤池

其他文献

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景达的其他基金

基于α-SNAP的成骨细胞和骨细胞应力敏感性差异机制及骨力学增敏新策略研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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基于α-SNAP的成骨细胞和骨细胞应力敏感性差异机制及骨力学增敏新策略研究
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    12172378
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  • 项目类别:
    面上项目
骨细胞内质网SERCA钙泵功能损伤在2型糖尿病骨骼应力敏感性降低中的作用及机制研究
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相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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