Arraystar DNA甲基化芯片用于干細胞移植改善骨質疏松表觀機制的研究
施松濤教授任職于賓夕法尼亞大學，長期從事口腔再生醫學及其臨床轉化方面的研究工作。近期其研究團隊利用Arraystar DNA甲基化芯片研究移植間充質干細胞（MSC）通過表觀遺傳調控Notch信號改善紅斑狼瘡患者的骨質疏松。這一重要研究發現發布在Cell Metabolism雜志（IF：17.565）上（DNA甲基化芯片實驗由康成生物提供技術服務） 。
研究背景
近年來，系統性紅斑狼瘡患者低骨密度和脆性骨折的發病率逐年增加。目前廣泛認為系統性紅斑狼瘡可以增加骨折的風險，并且大量臨床研究發現系統性紅斑狼瘡患者易發生骨質疏松。而具有自我更新并分化成多種細胞類型能力的骨髓間充質干細胞移植（BSCT）能夠有效增加局部骨量，提高骨密度，改善局部骨質疏松情況，糾正骨代謝失衡，減少骨量丟失，增加成骨，為局部骨質疏松的治療提供了一種新方法。但是對間充質干細胞移植治療改善骨質疏松的分子機制仍不清楚。DNA甲基化是機體通過表觀遺傳機制調控基因表達的重要方式，許多研究證明DNA甲基化可以參與多種信號通路，在成骨和骨質疏松發展進程中發揮重要功能。本次研究目的在于探究移植間充質干細胞對于改善系統性紅斑狼瘡引發的骨質疏松的表觀機制，尤其是DNA甲基化的調控作用，為干細胞移植治療提供理論依據。
研究思路
在本課題中，研究人員采用正常小鼠、MRL/lpr小鼠（系統性紅斑狼瘡模型）和用骨髓間充質干細胞移植（MSCT）治療的小鼠作為實驗材料，分別采用DNA甲基化芯片和microRNA芯片對3個樣本的基因啟動子甲基化水平和microRNA表達譜進行分析。發現Notch信號通路相關基因啟動子區域在疾病組中呈現低甲基化，相應蛋白水平升高。而疾病組中microRNA29b表達明顯上調，結合以往研究背景，研究人員鎖定DNMT1為microRNA靶基因。進一步機制研究表明，疾病組中microRNA表達升高是因為缺乏Fas蛋白，Fas缺乏會引起miR-29b無法釋放，因而提高了細胞內miR-29b的水平，并會在MRL/lpr
BMMSCs中下調DNA甲基轉移酶1（Dnmt1）的表達。這會導致Notch1啟動子的低甲基化并激活Notch信號通路，轉而損害了成骨細胞分化。不僅如此，實驗還發現，由MSCT分泌的外泌體，會轉移Fas到受體MRL/lpr
BMMSCs中，降低細胞內miR-29b的水平，這會恢復Dnmt1介導的Notch1啟動子的甲基化，從而改善MRL/lpr BMMSC的功能。
技術路線
結果展示
圖1：左圖為正常小鼠MSC成骨分化結果，紅色染色區域為形成的新骨；中圖為骨質疏松小鼠MSC成骨分化結果，其紅色染色區域面積明顯低于左圖，表明成骨分化能力較弱；右圖為骨質疏松小鼠接受正常MSC治療后，其MSC成骨分化能力已經恢復正常水平，與左圖相似。
圖2：將綠色熒光標記的外泌體靜脈注射到疾病小鼠體內24小時后，對小鼠骨髓細胞檢測觀察，發現外泌體可被疾病小鼠骨髓細胞吸收。紅色為細胞膜，綠色為吸收入細胞內的外泌體，藍色為細胞核。
圖3：MA分析DNA甲基化芯片檢測結果顯示與正常C3H/HeJ小鼠相比，MRL/lpr系統性紅斑狼瘡疾病組小鼠整體啟動子區甲基化下降，經過間充質干細胞移植治療后，甲基化水平有顯著回升。
圖4：文章機制模式圖。MRL/lpr小鼠中miR-29b升高，下調DNMT1，引發Notch1啟動子區域低甲基化，Notch表達升高，骨質疏松。MSCT治療后，MSC分泌的外泌體可攜帶Fas蛋白進入受體間充質干細胞中。Fas蛋白可降低miR-29b，起到治療骨質疏松的作用。
作者介紹
施松濤，博士，教授。國際口腔醫學界知名科學家、再生醫學研究權威，國家教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，美國南加州大學奧斯特魯夫牙科學院教授，美國南加州大學牙科學院顱面分子生物學研究中心教授。長期從事口腔再生醫學及其臨床轉化方面的研究工作，尤其在干細胞基礎與應用領域已取得很多開創性的研究成果。
原文出處
Liu SY, et al. (2015) MSC Transplantation Improves Osteopenia via
Epigenetic Regulation of Notch Signaling in Lupus. Cell Metabolism. 22,
1-13.
http://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(15)00409-X