成骨细胞特异性Smad4基因剔除导致小鼠早期发生骨质疏松

【摘要】：转化生长因子-β(TGF-β)超家族分子通过调节细胞的增殖、分化、移行和 凋亡而在脊椎动物发育过程中起重要的作用。大量的TGF-β贮于骨基质之中， 是骨骼发育和骨重建的重要调节者。Smad4是TGF-β信号的中心介导者，在胚 胎期和成体的许多组织中广泛表达。完全剔除Smad4基因导致小鼠胚胎发育早 期死亡，其在成骨细胞中的作用尚无明确报导。为了深入研究Smad4基因在成 骨细胞增殖和分化过程中的作用，我们利用Cre-loxP系统构建了成骨细胞特异 性Smad4基因剔除小鼠。 成骨细胞特异性．Smad4基因剔除的纯合型小鼠出生时表型正常，从2周起 生长比对照小鼠延迟，体型矮小，牙齿短小，钙化不良，在3周以后表现更加 明显。青春期和成年纯合型小鼠的骨密度显著降低，特征为骨小梁减少，顶骨 菲薄。16日龄小鼠可见破骨细胞数量减少，并随着小鼠的生长日趋明显。3周 龄小鼠的生长板比对照小鼠缩窄，体内荧光标记提示骨形成减弱。体外细胞培 养提示纯合型小鼠成骨细胞的分化并未受到明显的影响。分别用TGF-β1和 BMP2处理成骨细胞，发现在成骨细胞中剔除Smad4基因阻断了这两条信号通 路。原位杂交的结果显示纯合型小鼠骨组织中Runx2／Cbfa1和多种细胞外基质 基因的表达下调，提示在成骨细胞中剔除Smad4基因影响了细胞外基质的沉积， 导致骨形成下降，成骨细胞明显减少。另一方面，在成骨细胞中剔除Smad4基 因也影响了破骨细胞的形成和分化，表现为破骨细胞数量减少，从而使骨吸收 减弱。 我们的实验结果证实在成骨细胞中剔除Smad4基因同时影响了骨形成和骨 吸收，使小鼠在早期出现了骨质疏松的表型，揭示了Smad4基因在维持成骨细 胞正常功能和骨量中具有重要作用。成骨细胞特异性Smad4基因剔除骨质疏松 小鼠模型可用于深入研究Smad4介导的FGF-β信号通路在维持正常成骨细胞功 能以及骨质疏松发生中的作用及其分子机制，并可用于骨质疏松治疗药物的筛 选和治疗方案的评价。