论文摘要
骨是一种独特的具有自我修复和再生能力的器官,出生后的骨骼保留了其固有的在机械刺激下能够生长、改建以及在损伤后能够再生的能力。然而,如果出现严重创伤或全身性疾病、病理性骨折、骨和/或周围组织的感染或血液供应受损,骨组织可能会失去这种充分自愈的能力,这可能会导致永久性的骨缺损从而丧失相关部位的功能。此外,这种再生能力也会随着年龄的增长而下降,反映出来就是骨质疏松症,过去一个世纪医学的进步使得人们的平均寿命不断增长,与此同时,罹患骨质疏松的人数也相应的越来越多。而在口腔颌面部,先天畸形、创伤、肿瘤、炎症等所致的颌骨缺损不仅造成颜面畸形,还可能引起语言、咀嚼、呼吸等口腔功能的障碍,给患者在生理、心理方面都会带来许多不良影响。因此,对患者肌肉骨骼疾病的治疗一直受到临床医师的高度重视,而对新治疗方法的追寻也是临床研究者们一直的努力方向。组织工程学是一门从20世纪末期兴起的新兴学科,它是集生物工程、细胞生物学、分子生物学、材料学等于一体的交叉学科,为骨缺损的功能性修复与重建提出了一种新的思路,而随着组织工程与再生医学这一更大范畴理念的深入人心,通过体内或体外进行再生性治疗来恢复患者缺失的组织结构和功能已成为大势所趋,而这一领域中最重要的一个组分莫过于具有多向分化潜能的种子细胞。作为种子细胞的候选人之一,各种干细胞已经纳入学者们的研究之列,目前已经从三个主要来源鉴定了干细胞:胚胎干细胞、成体干细胞和通过基因操纵诱导的多能干细胞。其中成体干细胞因其具有的安全性、低伦理争议及可自体移植等优势成为目前再生医学研究和运用中的主流细胞。间充质干细胞（MSCs）是成体干细胞的一部分,其具有易获取性、高增殖能力和多潜能等优势,在组织再生的临床应用中具有远大前景。MSCs可以来自机体的多种组织器官,但从不同组织获取MSCs所需手段不同,并且不同的组织来源会导致它们的生物学性能存在较大的差异。因此,在众多的干细胞中究竟该选取何种细胞作为骨再生,尤其是口腔颌面部骨再生的种子细胞目前尚无定论。另一方面,细胞定向成骨分化的调控机制也是骨再生过程中尚不明了的一个基础性问题,许多因素通过经典的遗传学或是新发现的表观遗传学等机制调控细胞内基因的表达和蛋白作用的发挥,从而影响着细胞的各种生物学行为。随着目前对基因调控的研究不断深入,人们发现各种各样的调控方式在细胞内层出不穷,其中一个新兴方面就是非编码RNA对基因表达的调控作用。非编码RNA占到转录组的95%以上,其中占很大部分的长链非编码RNAs（lncRNAs）是一类转录本长度超过200个核苷酸的、不编码蛋白的RNA,也是最不被人们所了解的一类非编码RNA。最新的研究表明lncRNAs在个体发育的不同阶段的表达具有时空特异性,并可通过多种机制在基因表达的各个水平发挥调控作用,许多研究也已表明其参与到了干细胞分化过程的调控,但MSCs成骨分化过程中的关键调控性lncRNAs仍尚不明了。本实验首先对口腔、躯体及围产期组织来源的多种MSCs进行分离培养和鉴定,并比较它们的增殖、凋亡抵抗和成骨分化能力,为口腔骨再生选取适合的种子细胞提供参考;其次,分别对牙周膜干细胞（PDLSCs）和牙龈干细胞（GMSCs）成骨诱导过程中mRNAs和lncRNAs的表达谱进行芯片检测,分析这两种MSCs在成骨诱导过程中mRNAs和lncRNAs表达水平的变化,了解并探讨lncRNAs在干细胞分化过程中的作用;再次,比较未诱导的PDLSCs及GMSCs的mRNAs和lncRNAs表达谱差异,探究这两种MSCs基因水平所存在的本质差异;最后,比较PDLSCs和GMSCs成骨诱导过程中的差异mRNAs（DEGs）和lncRNAs（DELs）,筛选出可能的在干细胞成骨分化过程中发挥重要作用的lncRNAs,为探明MSCs成骨分化的调控机制奠定基础,也为种子细胞性能的优化提供潜在的靶点。实验方法:1.从牙髓（DPSCs）、牙周膜、牙龈、牙囊（DFSCs）、骨髓（BM-MSCs）、脐带（华通氏胶）（UCMSCs）和脂肪组织（ADSCs）中分离培养MSCs并进行纯化,随后对所获取细胞进行间充质免疫表型及多向分化能力（成骨、成脂和成软骨）的鉴定;运用细胞增殖-毒性检测试剂盒（CCK-8）和5-乙炔基-2’-脱氧尿苷试剂盒（EdU）检测和比较细胞的增殖能力;运用Annexin V染色法分析细胞在营养缺乏结合氧化应激条件刺激下的凋亡情况,运用western blot检测细胞内主要促进/抵抗凋亡相关蛋白的表达情况;在细胞成骨诱导第14天时通过染色和定量测定检测细胞碱性磷酸酶（ALP）活性,western blot检测成骨分化相关蛋白的表达,在成骨分化第28天进行茜素红染色,检测矿化结节的形成情况,溶解后进行定量分析,检测成骨相关蛋白的表达水平;通过western blot检测成骨诱导7天时各细胞中几条经典的激酶级联信号转导通路的变化情况。2.分别对PDLSCs和GMSCs进行成骨分化诱导,并同时培养未诱导细胞作为各自的对照组,在第7天时收集细胞提取总RNA,运用Affymetrix GeneChip（?）Human Transcriptome Array 2.0 芯片对 PDLSCs 和 GMSCs 成骨分化过程中mRNAs及lncRNAs的表达谱进行检测,进行差异的显著性和聚类分析;通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）对DEGs和DELs的代表进行表达验证;运用生物信息学分析方法,对DEGs进行基因本体论（GO）分析和信号通路分析,认识DEGs的主要功能;构建编码-非编码共表达（CNC）网络,预测与成骨分化相关的功能性lncRNAs。3.对PDLSCs和GMSCs未进行分化诱导组的芯片结果进行差异显著性和聚类分析,通过qRT-PCR验证芯片结果;对两种细胞各自特异性高表达的基因进行GO分析和信号通路分析;构建CNC网络,预测与细胞种类相关的特异性lncRNAs。4.比较PDLSCs和GMSCs成骨分化过程中的DEGs和DELs,得出共同的及细胞特异性的DEGs和DELs,将其与之前相关部分实验的GO和信号通路分析结果进行比对,观察细胞共同和特异性的DEGs的功能,根据细胞性能特点,预测成骨分化调控的关键mRNAs和lncRNAs。实验结果:1.运用相似的方法从身体的不同组织获取了 MSCs,它们在相同的培养条件下都具有自我更新和多向分化能力,并且表达相似的免疫表型,符合MSCs的标准。PDLSCs具有强于BM-MSCs和ADSCs的增殖能力,强于GMSCs、DFSCs、BM-MSCs和UCMSCs的凋亡抵抗能力,同时也具备强于DPSCs、GMSCs和UCMSCs的成骨分化能力,GMSCs和UCMSCs成骨能力最低。诱导7天时不同的激酶级联信号转导通路在不同细胞内的激活情况不同。2.PDLSCs成骨诱导过程中差异表达了487个mRNAs及1 19个lncRNAs,通过生物信息学分析,我们发现DEGs主要富集在细胞内各种氨基酸和蛋白质代谢相关的生物过程。同时我们也发现在多个与干细胞成骨分化直接相关的生物过程及信号通路中有DEGs的富集情况,根据这些mRNAs及CNC网络,预测了39个可能参与PDLSCs成骨分化调控的lncRNAs。3.GMSCs是所检测MSCs中成骨分化能力最低的MSCs之一,其在成骨分化诱导过程中有112个mRNAs和66个lncRNAs的表达发生了变化,明显少于PDLSCs。通过生物信息学分析发现,这些DEGs富集至成骨直接相关的生物过程和信号通路较少,相反可见它们富集至较多神经系统功能相关的生物过程。根据mRNAs功能预测了29个可能与GMSCs分化相关的lncRNAs。4.通过比较PDLSCs与GMSCs未诱导细胞的mRNAs和lncRNAs表达谱,我们得到在PDLSCs中有133个mRNAs和99个lncRNAs特异性高表达,在GMSCs中有76个mRNAs和437个lncRNAs特异性高表达,细胞间的DELs明显多于DEGs及单种细胞分化过程中的DELS。经过GO分析发现,两种MSCs中表达不同的mRNAs与其功能特性有关,通过CNC网络预测了37个可能参与控制细胞类型特异性的lncRNAs。5.通过对比PDLSCs和GMSCs的DEGs和DELs并将结果在之前生物信息学分析结果中进行比对,我们筛选出一系列在成骨分化能力较强的PDLSCs成骨分化过程中具有特异性变化的mRNAs和lncRNAs。结论:1.在所研究的七种MSCs中,PDLSCs最具有替代BM-MSCs应用于骨再生治疗的潜力;此外,经典的细胞内蛋白激酶级联信号转导通路发挥作用的方式具有细胞类型特异性。2.PDLSCs成骨分化的早期过程是一个大量氨基酸和蛋白质代谢改变的过程,DELs与DEGs存在相互作用关系,说明lncRNAs可能参与了细胞分化的调控。3.GMSCs成骨分化较弱可能源于其对常规成骨分化诱导刺激的不敏感性,在诱导条件刺激下仍具有一定的多潜能性;可通过寻找新的更加适合的诱导手段或进行基因编辑增强其成骨分化能力。4.细胞间mRNAs表达的差异导致了细胞间不同的特性,lncRNAs可能广泛参与了这一现象的调控,并且其在这方面的作用比在调控细胞分化方面更加重要和复杂。5.PDLSCs中存在多个与成骨分化相关的特异性DEGs,可能是PDLSCs成骨分化能力明显强于GMSCs的关键调控因子,与之相关的lncRNAs也可能成为细胞成骨分化的重要开关,对它们进行深入研究还可为增强GMSCs的成骨分化能力提供基因编辑靶点。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 张云鹏
导师: 徐欣,文勇
关键词: 组织工程与再生医学,间充质干细胞,成骨分化,长链非编码
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,医药卫生科技
专业: 生物学,基础医学
单位: 山东大学
分类号: R329.2
总页数: 183
文件大小: 15827K
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标签：组织工程与再生医学论文; 间充质干细胞论文; 成骨分化论文; 长链非编码论文;