CircPRKD3/miR-6783-3p 響應機械力促進牽張狀態(tài)牙周膜干細胞成骨

CircPRKD3/miR-6783-3p responds to mechanical force to facilitate the osteogenesis of stretched periodontal ligament stem cells

Keywords: CircPRKD3, miR-6783-3p, ceRNAs, PDLSCs, Mechanical force

外在機械力介導牙槽骨組織重建時，牙周膜干細胞（PDLSCs）是機械力轉化為骨重塑生物信號的關鍵，其經牽張誘導分化為成骨細胞后，可通過調控破骨細胞影響骨重建方向，因此明確其在機械力下的成骨分化機制十分重要。

非編碼 RNA（ncRNAs）因在人類基因組中占比高且功能廣泛受到關注，在此前已明確 miR-21 和 lncRNA SNHG8-EZH2 軸對機械刺激下 PDLSCs 成骨的抑制作用。而環(huán)狀 RNA（circRNAs）因結構穩(wěn)定成為新的研究重點，雖然機械力作用下環(huán)狀 RNA 的表達譜主要集中在轉錄、翻譯、能量代謝、細胞信號傳導及通訊等方面 ，但具體調控模式不明。鑒于環(huán)狀 RNA 可作為微小 RNA “海綿”，結合此前 miR-21 對 PDLSCs 成骨的調控研究，研究人員預測并驗證了與 miR-21 相關的環(huán)狀 RNA，發(fā)現(xiàn) circPRKD3 在機械負荷下的 PDLSCs 中變化zui顯著。

CircPRKD3 是一種 943nt 的環(huán)狀 RNA，目前其功能尚未被研究報道。不過其親本基因 PRKD3 的相關功能已有較多發(fā)現(xiàn)：它在腫瘤發(fā)生時表達異常，是潛在癌基因；能影響肝硬化肝組織中巨噬細胞極化和轉化生長因子 β 生成；還參與 MMP1/13 調控的促炎過程，與軟骨基質降解、多核成熟破骨細胞分化相關，且關聯(lián)骨修復過程。

基于此，山東大學齊魯醫(yī)學院口腔醫(yī)學院的研究團隊通過對 PDLSCs 施加機械刺激，同時利用慢病毒構建體實現(xiàn) circPRKD3 的敲低、利用質粒實現(xiàn) circPRKD3 的過表達，以此研究 circPRKD3 在機械刺激條件下的成骨功能，并闡明其潛在的機械轉導機制。研究成果發(fā)表在Journal of orthopaedic surgery and research期刊，題為“CircPRKD3/miR-6783-3p responds to mechanical force to facilitate the osteogenesis of stretched periodontal ligament stem cells”。

首先，研究人員對分離的 PDLSCs 進行了鑒定并分析其生物學特性。形態(tài)上，分離得到的 PDLSCs 呈長梭形（圖 1A）。流式細胞術顯示其表達間充質干細胞表面標志物（包括 CD73、CD90、CD146 和 STRO-1 ），不表達造血干細胞標志物 CD34 和白細胞標志物 CD45 （圖 1B）。功能上，ALP染色結果顯示 ALP 活性升高（圖 1C、D）；茜素紅染色發(fā)現(xiàn)細胞外基質鈣化增強，這表明 PDLSCs 具有成骨分化能力（圖 1E、F）。這些結果表明該 PDLSCs 具備多向分化潛能，符合間充質干細胞的基本標準。

圖1    PDLSCs 的鑒定及生物學特性。

為了研究機械刺激對 PDLSCs 及 circPRKD3 的影響，研究人員對PDLSCs 施加牽張刺激。體外機械刺激的PDLSCs 示意圖如圖 2A 所示 。結果顯示，與未受牽張誘導、排列雜亂的 PDLSCs（圖 2B）相比，受到機械力作用的 PDLSCs 沿受力方向排列，形態(tài)呈牽張狀態(tài)（圖 2C），機械力的施加增強了 PDLSCs 的成骨潛能（圖 2E-I）。同時，機械刺激會使 circPRKD3 的表達上調（圖 2D），提示其可能參與牽張誘導的 PDLSCs 成骨過程。此外，通過數(shù)據(jù)庫查詢和結構分析發(fā)現(xiàn)，circPRKD3 存在特定剪接連接點（圖 2J），且具有最小自由能的 circPRKD3 預測出兩種結構（圖 2K-O），這表明 circPRKD3 的 RNA 二級結構具有多樣性。  
 

圖2    機械刺激的 PDLSCs 成骨發(fā)育過程中 circPRKD3 表達上調。

接著，研究了 circPRKD3 在機械刺激下 PDLSCs 成骨過程中的功能，研究人員選擇下調效果佳的序列靶點 57219-1，設計并合成了慢病毒載體（圖 3A）。后續(xù)的熒光成像（圖 3B）和 qRT-PCR （圖 3C） 分析結果證實，通過該病毒轉染能有效敲低 circPRKD3。為了明確下調 circPRKD3 對機械刺激下 PDLSCs 成骨分化潛能的影響，研究人員對陰性對照（sh-NC）和 circPRKD3 敲低（sh-circPRKD3）兩組 PDLSCs 施加 24 小時機械力刺激。結果顯示，circPRKD3 敲低后，成骨相關分子 ALP 和 RUNX2 在轉錄及翻譯水平的表達均顯著降低（圖 3D-3H），由此證實下調 circPRKD3 會抑制牽張誘導的 PDLSCs 成骨。

為了進一步明確 circPRKD3 的功能，研究人員在之前 circPRKD3 敲低實驗的基礎上開展了過表達實驗。通過擴增 circPRKD3 全長序列，利用EcoRI 和 BamHI 兩種限制酶將其連接到 pLC5-ciR 載體（圖 3I）。合成序列無雜峰和重疊條帶（圖 3I），表明 circPRKD3 的基因片段已成功插入 pLC5-ciR 載體。隨后將相關質粒保存于甘油菌中，借助氨芐青霉素篩選出含circPRKD3 過表達質粒的純凈大腸桿菌（圖 3K）。從大腸桿菌中提取質粒并驗證純度后，檢測circPRKD3 在 293T 細胞和 PDLSCs 中的過表達效率（圖 3L、M），發(fā)現(xiàn) PDLSCs 轉染效率顯著低于 293T 細胞，推測與原代細胞和細胞系對轉染試劑的反應性差異有關。

然后，為了進一步探究 circPRKD3 的成骨作用，研究人員對陰性對照載體（pLC5-ciR-NC）和 circPRKD3 過表達載體（pLC5-circPRKD3）兩組 PDLSCs 施加 24 小時機械力刺激。結果顯示，circPRKD3 過表達后，RUNX2 在轉錄和翻譯水平的表達均增強（3O、P、R），ALP 僅在 mRNA 水平表達上調（圖 3N、P、Q）。這一結果初步證明了 circPRKD3 在牽張誘導的 PDLSCs 成骨過程中發(fā)揮促進作用。

圖3    circPRKD3 的調控對機械刺激下 PDLSCs 成骨的影響。

接下來，為進一步探究 circPRKD3 的功能機制，研究人員研究了 circPRKD3 在細胞核與細胞質中的分布情況。首先通過核質分布研究發(fā)現(xiàn)，盡管 circPRKD3 在細胞核和細胞質中均有分布（圖 4A），但在 PDLSCs 的細胞質中占比更高（圖 4B）�；�于細胞質中 miRNAs 可與 circRNAs 形成 “海綿” 作用的特性，研究借助四種算法預測出 225 個可能與 circPRKD3 相互作用的 miRNAs，經 miRDB 數(shù)據(jù)庫進一步篩選至 34 個（圖 4C）。隨后隨機選取 10 個 miRNAs 驗證，最終發(fā)現(xiàn) miR-761、miR-6783-3p、miR-6516-5p、miR-7855-5p 和 miR-214-3p 這 5 個機械敏感 miRNAs 在機械力作用下表達上調（圖 4D），且這一趨勢與 circPRKD3 在牽張誘導下的上調趨勢一致。

為了明確受 circPRKD3 調控的 miRNAs，研究人員發(fā)現(xiàn) circPRKD3 過表達會使 miR-6783-3p 和 miR-7855-5p 表達下降（圖 4E），但 circPRKD3 敲低對二者無顯著影響（圖 4F）。其中 miR-6783-3p 在轉錄水平變化zui明顯，通過數(shù)據(jù)庫預測到它與 circPRKD3 存在潛在結合位點（圖 4G）。進一步的熒光素酶報告基因實驗證實，miR-6783-3p 模擬物可降低野生型 circPRKD3 報告基因的熒光素酶活性，而對突變型無影響（圖 4H），由此確定 circPRKD3 與 miR-6783-3p 能夠相互結合。

圖4    circPRKD3 下游靶點的篩選與驗證 免疫熒光染色。

然后，為了探究 miR-6783-3p 與 circPRKD3 的相互作用對機械刺激下 PDLSCs 成骨的影響，研究人員首先合成 miR-6783-3p 模擬物并確認其能增強該 miRNA 的調控功能（圖 5A）。對轉染該模擬物的 PDLSCs 施加24小時機械刺激后發(fā)現(xiàn)，miR-6783-3p 可使 RUNX2 轉錄表達升高（圖 5C），但 ALP 的表達水平變化并不顯著（圖 5B）。不過，RUNX2 與 ALP 在蛋白質水平的表達均顯著增加（圖 5D-F）。這一結果證實，在機械負荷下，miR-6783-3p 和 circPRKD3 一樣，均能對 PDLSCs 的成骨過程起到促進作用。

最后，實驗進一步驗證了 miR-6783-3p 與 circPRKD3 的 “海綿” 關系。共轉染二者的 PDLSCs 成骨蛋白表達水平低于單獨轉染組（圖 5G-I），說明 miR-6783-3p 可吸附 circPRKD3 調控牽張誘導的 PDLSCs 成骨。同時，針對 RUNX2 的檢測顯示，circPRKD3 和 miR-6783-3p 并不直接結合其蛋白序列（圖 5J）。最終證實，circPRKD3 與 miR-6783-3p 通過相互 “海綿” 作用，間接調控機械刺激下 PDLSCs 的成骨過程。綜上，circPRKD3 與 miR-6783-3p 通過相互 “海綿” 作用間接調控機械刺激下 PDLSCs 的成骨過程（圖 5K）。

圖 5 miR-6783-3p 與 circPRKD3 的相互作用調控機械刺激下牙周膜干細胞（PDLSCs）的成骨

總之，該研究明確了 circPRKD3 在機械力介導的 PDLSCs 成骨分化中表達上調，且其通過吸附 miR-6783-3p作為競爭性內源 RNA 來調控成骨過程。同時證實 miR-6783-3p 對骨形成有正向作用�；�于這些發(fā)現(xiàn)，circPRKD3 作為關鍵成骨調控因子，未來在牙周組織再生和正畸牙齒移動等領域具有應用潛力。

參考文獻：Liu J, Liu R, Wang H, Zhang Z, Wang J, Wei F. CircPRKD3/miR-6783-3p responds to mechanical force to facilitate the osteogenesis of stretched periodontal ligament stem cells. J Orthop Surg Res. 2024 Apr 22;19(1):257. doi: 10.1186/s13018-024-04727-7. PMID: 38649946; PMCID: PMC11036753.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38649946/
Impact Factor: 2.8
ISSN: 1749-799X

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