Nature 子刊 | 中国航天员科研训练中心李英贤团队揭示骨重塑的力学调控新机制

2022-03-03 1430CNGBdb

骨组织细胞对力学信号的感应、传递与解析是骨代谢调控领域最为重要的问题,尤其在航天失重性骨丢失与长期卧床导致的骨丢失发生过程中更为关键。中国航天员科研训练中心李英贤团队长期致力于失重生理效应作用机制研究。2022年2月24日,该团队关于骨重塑力学调控机制的研究成果“Mechanosensitive lncRNA Neat1 promotes osteoblast function through paraspeckle-dependent Smurf1 mRNA retention”在《Bone Research》(IF:13.567)以原创论著形式发表。

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该研究揭示长链非编码RNA Neat1在成骨细胞的力学信号感应过程中发挥着重要调控作用,对模拟失重信号的响应尤为敏感。定位于成骨细胞核内的Neat1长链Neat1-2通过液-液相分离形成无膜细胞器-核旁斑,相分离的形成受超重、失重、流体剪切力、软硬基质胶等不同力学信号的影响,介导了力学信号对骨形成的关键调控作用。

研究内容

研究人员通过对回转模拟失重效应的成骨细胞RNA进行深度测序分析,筛选到一系列差异表达的长链非编码RNA,其中Neat1变化最为明显。在回转模拟失重、超重、流体剪切力及软硬基质胶等不同的力学刺激条件下,Neat1在成骨细胞中呈现不同的变化特征。以Neat1为核心形成的相分离结构—核旁斑(paraspeckle),其数目和形态与不同力学刺激密切相关。模拟失重条件下,成骨细胞内核旁斑数目减少,面积变小。相反,在超重状态下,核旁斑数目增多,面积增大,呈现凝聚状态。流体剪切力及硬基质胶均可促进核旁斑的形成。Neat1的表达水平及核旁斑的数目随着成骨细胞分化呈现逐渐增多的趋势。干扰Neat1的表达或者破坏核旁斑的结构均会抑制成骨细胞功能。

在骨质疏松病人的骨组织中NEAT1的水平显著低于正常人,在去负荷导致失重性骨丢失的小鼠骨组织中,Neat1的水平也显著降低。然而,在运动锻炼的小鼠骨组织中,NEAT1的水平是明显增加的。通过对Neat1基因敲除小鼠的骨表型分析发现,Neat1缺失导致小鼠骨密度及骨强度显著下降,皮质骨的厚度变薄,骨形成速率显著降低,骨组织及血清中的成骨标志因子明显下降。Neat1基因敲除的成骨细胞,其成骨能力显著降低。

为了进一步揭示Neat1促成骨的作用机制,该团队利用RIP-Seq对核旁斑滞留的mRNA进行测序(👉 测序数据见于国家基因库生命大数据平台CNGBdb,项目编号为:CNP0002309),通过KEGG分析发现这些mRNA大多与泛素介导的蛋白降解及RNA的运输相关。通过RNA pull-down、核质分离及原位杂交实验证实了E3泛素连接酶Smurf1在介导Neat1和核旁斑对成骨细胞功能调控过程中发挥关键作用。核旁斑将Smurf1 mRNA滞留在核内,阻止其出核翻译成蛋白,从而降低了Smuf1对靶蛋白RUNX2的泛素化降解,实现了其促进成骨细胞功能的作用。

体外细胞实验证实,Neat1基因缺失的成骨细胞中核旁斑消失,同时Neat1基因缺失的成骨细胞对回转模拟失重、超重、流体剪切力及软硬基质胶等力学刺激不再发生响应性变化。并且Neat1基因敲除抑制了力加载对小鼠骨形成能力的促进作用。同样,对去负荷导致的骨丢失效应也变得不明显。体内、外实验共同说明了以长链非编码RNA Neat1为核心的相分离结构在介导力学刺激对成骨功能的影响中发挥着关键的调控作用。

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研究意义

该研究发现是骨组织细胞响应力学信号机制的新突破。在此之前,该团队发现细胞膜机械力敏感的离子通道蛋白Piezo1在成骨细胞和骨细胞的力学感应中发挥着决定性的作用,细胞内质网钙通道蛋白TMCO1通过对胞质钙的调控介导了失重性骨丢失的发生,miR-214等非编码蛋白在该过程中也发挥着重要的调控作用。本次发现进一步揭示了在成骨细胞的细胞核里,由Neat1介导形成的核旁斑在细胞响应力学信号过程中发挥着关键的作用。由此可见,在骨组织内骨/成骨细胞感应力信号、传导力信号并进一步解析力信号是一个复杂的过程,深入解析其发生机制是航天失重性骨丢失检测及对抗防护的基础。我国空间站的建设将为后续真实失重条件下的研究提供更多的机会。

中国航天员科研训练中心助理研究员柳彩芝、研究生高行程和助理研究员李玉恒为该文章共同第一作者,中国航天员科研训练中心李英贤研究员、凌树宽研究员和厉建伟副研究员为文章共同通讯作者。该项工作得到了空间站工程航天医学实验领域项目和国家自然科学基金委项目的支持。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41413-022-00191-3
参考文献:
Liu C, Gao X, Li Y, Sun W, Xu Y, Tan Y, Du R, Zhong G, Zhao D, Liu Z, Jin X, Zhao Y, Wang Y, Yuan X, Pan J, Yuan G, Li Y, Xing W, Kan G, Wang Y, Li Q, Han X, Li J, Ling S, Li Y. The mechanosensitive lncRNA Neat1 promotes osteoblast function through paraspeckle-dependent Smurf1 mRNA retention. Bone Res. 2022 Feb 24;10(1):18. doi: 10.1038/s41413-022-00191-3.

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