MMSET促进MSC成骨分化和抗衰老的染色体修饰机制研究

20250113

卫生和社会工作

本课题初步揭示褪黑素是造成BMSC成骨能力下降的一个重要原因，并且对老龄BMSCs的成骨能力具有调控作用；NSD2对BMSCs增殖和衰老以及对BMSCs成骨分化有影响；NSD2对BMSCs成骨能力调控的组蛋白修饰机制；褪黑素通过激活NSD2介导染色质修饰和转录谱重编程促进老年性骨髓间充质干细胞成骨的机制，从而确立了一种新的衰老和骨质疏松的参考诊断依据，为临床转化提供基础。

可国（境）内外转让

除了学术上的成果，我们也致力于将研究成果与相关药企合作分享，探讨短期或者长期研究应用于临床方面，致力于减轻骨质疏松患者的痛苦和经济负担。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在目前的研究中，我们报道了骨髓中褪黑素以衰老相关的方式减少，褪黑素治疗可以通过组蛋白甲基转移酶NSD2介导的表观遗传调控机制逆转衰老BMSCs受损的成骨潜能。因此，我们的研究支持褪黑素作为预防衰老相关骨质疏松症的有效治疗剂的应用。 已知褪黑素可以调节BMSCs的骨形成和成骨细胞分化。研究表明，褪黑素可以通过上调成骨细胞特异基因蛋白的稳定性和表达来促进成骨分化。通过抑制ERK通路来减少高糖培养的成骨细胞中的自噬激活并改善糖尿病诱导的骨质疏松症。然而，褪黑素如何促进衰老的BMSCs的成骨潜能尚不清楚。在本研究中，我们发现骨髓中的褪黑素随着年龄的增长而减少，而NSD2 (又称MMSET或WHSC1)是介导褪黑素作用的重要因子。褪黑素处理有效地提高了衰老BMSCs中NSD2的表达，并重新平衡了H3K36me2和H3K27甲基化修饰在成骨基因启动子上的分布，从而调节了成骨基因的染色质可及性。相反，RNA干扰介导的NSD2敲除减弱了褪黑素逆转的成骨分化。NSD2是一种组蛋白甲基转移酶，催化组蛋白H3和H4的赖氨酸甲基化NSD2过表达导致整个基因组中H3K36me2的增加和H3K27甲基化的抑制，导致染色质结构更加松散。然而，NSD2与衰老和骨质疏松之间的关系尚未见报道，这是首次描述该介质在BMSC衰老中的重要性。我们的研究结果建立了NSD2表达与衰老之间的联系。我们鉴定了约40个在人BMSC衰老过程中表达发生改变的基因，其中大多数与干细胞特性或衰老相关，如CCDC28B，SLC19A1，SOX9，ABCG2，NANOG，RUNX2和CDKN2A。本研究结果还显示，NSD2在老年供体来源的衰老BMSCs中显著降低，在老年小鼠来源的BMSCs中也同样如此。我们的研究还表明，在衰老的BMSCs中下调NSD2伴随着成骨潜能的降低，并且NSD2的敲除有效地消除了褪黑素增强的衰老BMSCs的成骨分化。因此，NSD2下调似乎是衰老BMSCs的一个重要特征，它削弱了BMSCs的成骨分化潜能。SOP产生于与多种基因异常表达相关的多种年龄相关事件，越来越多的证据表明衰老相关的骨质疏松与表观遗传学改变有关。表观遗传机制在干细胞获得细胞命运方面非常重要。鉴于NSD2是组蛋白甲基转移酶，我们推测其通过表观遗传机制影响成骨分化。大量证据表明，H3K36me2在TSS区域附近调节转录活性，如通过H3K27甲基化拮抗Polycomb Repression Complex 2介导的转录沉默，并作为保障转录保真性。我们的Ch IPseq和ATAC - seq数据显示，褪黑素重新平衡了H3K36me2和H3K27甲基化修饰在成骨基因启动子上的分布。因此，褪黑素通过改变成骨基因启动子TSS区域附近的染色质可及性状态，增强RUNX2和BGLAP的转录活性，从而改善骨丢失。而其他距离TSS区域较远的顺式作用元件或增强子则无明显变化。这些结果强烈表明NSD2通过表观遗传机制促进BMSCs向成骨细胞分化。虽然我们的研究表明，NSD2是褪黑素治疗改善骨质流失的关键反应者，但它可能只是衰老后果的一部分，也可能具有普遍的相关性，因为表达的丧失导致了对骨质流失的普遍影响。其他在成骨过程中发挥重要作用的基因，或者在褪黑素刺激下的综合作用，都应该考虑。 综上所述，我们的研究确定了NSD2是褪黑素介导成骨分化的调节剂。褪黑素通过改变BMSCs中成骨基因启动子的染色质重塑来促进骨形成。尽管如此，目前的研究主要集中在使用褪黑素恢复和加强骨形成，但体内骨动态包括成骨细胞衍生的骨形成和破骨细胞驱动的骨吸收。因此，除了评估褪黑素对骨形成的影响外，本研究还没有对骨的残余成分进行研究，尽管最近的报道揭示了褪黑素对破骨细胞生成的抑制作用。尽管褪黑素对衰老相关的骨质疏松有益处，但本研究还没有研究褪黑素对雌激素缺乏诱导的骨质疏松的影响，值得进一步研究。