力转导 - 代谢 - 表观转录组轴驱动的代谢物依赖性 m6A 甲基化促进骨发育与再生

本文聚焦于骨发育与再生机制，通过构建高细胞适应性水凝胶，发现其可增强人间充质干细胞（hMSCs）间相互作用，经 TCA 循环增加琥珀酸生成，抑制 m6A 去甲基化酶 FTO，提升 m6A 甲基化，加速 hMSCs 成骨分化，为再生医学提供关键指导。

　　

研究背景

膜内成骨是骨发育的重要过程，在颅骨发育中起关键作用。在此过程中，间充质基质细胞（MSCs）会经历形态变化并分化为成骨细胞，细胞外基质（ECM）的及时重排对促进机械转导 - 代谢耦合至关重要。细胞 - 细胞相互作用可增强这种耦合，推动组织再生相关的细胞活动。同时，代谢物在表观遗传和转录后修饰中也具有重要作用，其中 m⁶A 甲基化可调节基质细胞分化。水凝胶常被用作 ECM 仿生材料，但传统水凝胶存在局限性，因此开发具有细胞适应性基质的水凝胶意义重大。

实验设计

本研究制备了基于 γ - 环糊精和香豆素（γ - CD - Cou）可逆主客体相互作用的 ECM 仿生水凝胶。该水凝胶具有高结构适应性，能模拟膜内成骨早期的成骨微环境。研究对比了高适应性水凝胶和低适应性水凝胶对 hMSCs 行为的影响，包括细胞 - 细胞相互作用、代谢活动、m⁶A 甲基化水平以及成骨分化能力等。同时，通过体内实验验证了水凝胶对骨缺损修复的效果。

实验结果

1. 早期发育骨中结构适应性 ECM 与增强的机械转导和 mRNA m⁶A 甲基化相关：对新生和成年大鼠颅骨进行转录组学分析发现，新生大鼠颅骨中与 ECM 组织、细胞 - 细胞信号传导、代谢活动及 RNA 甲基转移酶活性相关的基因显著富集。新生大鼠颅骨的应力松弛时间更短，m⁶A 甲基化水平更高，表明其 ECM 结构适应性与机械转导信号激活和 m⁶A 甲基化升高有关。
2. 仿生合成基质模拟有利于骨发育的机械信号：合成的高适应性水凝胶与低适应性水凝胶相比，具有相似的刚度，但高适应性水凝胶的损耗模量（G″）更高，应力松弛时间更短，自我愈合性能更好，能更好地模拟早期发育骨基质的适应性结构。
3. 高基质适应性驱动的增强机械转导促进 MSCs 凝聚：高适应性水凝胶显著增强了 hMSCs 的星状扩散和细胞 - 细胞相互作用，提高了机械转导信号因子的表达水平，表明其通过 E - cadherin 介导的细胞 - 细胞相互作用增强了机械转导和 hMSCs 的凝聚。
4. 适应性基质中的细胞凝聚促进 AMPK 激活和葡萄糖摄取：高适应性水凝胶促进了 hMSCs 中 AMPK 激活相关标记物和葡萄糖转运蛋白 1（GLUT1）的表达，使细胞葡萄糖摄取增加，表明高基质适应性可促进 AMPK 激活和葡萄糖摄取，进而促进细胞代谢活动。
5. TCA 循环衍生的代谢物琥珀酸抑制 m⁶A 去甲基化：高适应性水凝胶增强了 TCA 循环活性，使琥珀酸生成增加。琥珀酸可抑制 m⁶A 去甲基化酶 FTO，增强 m⁶A 甲基化。通过转录组学、代谢组学及相关实验验证了这一过程。
6. 高基质适应性促进 mRNA m⁶A 甲基化：高适应性水凝胶中 m⁶A 去甲基化相关标记物（FTO）的表达较低，而 m⁶A 甲基化相关标记物（METTL3 等）的表达较高，总 mRNA m⁶A 甲基化水平也更高，表明高基质适应性可增强 hMSCs 的 mRNA m⁶A 甲基化。
7. 升高的 mRNA m⁶A 甲基化促进成骨：高适应性水凝胶通过增强 Runx2 的 m⁶A 甲基化促进成骨。利用 siRNA 下调 FTO 或 METTL3 表达，发现可影响关键成骨标记基因的表达和 Runx2 的核转位，证明 METTL3 通过升高 mRNA 甲基化促进 hMSCs 的成骨分化。
8. m⁶A 甲基化驱动的成骨相关途径被高基质结构适应性激活：MeRIP 测序和转录组分析表明，高适应性水凝胶促进了与成骨相关的 Wnt、MAPK 等信号通路的富集，且关键成骨转录因子 Runx2 的 mRNA 表达和 m⁶A 修饰水平均显著升高，表明高适应性水凝胶通过 m⁶A 甲基化驱动的途径富集促进 MSCs 成骨。
9. 高基质结构适应性通过体内膜内成骨促进骨再生：体内实验显示，高适应性水凝胶增强了细胞 - 细胞相互作用，促进了葡萄糖摄取和琥珀酸生成，增强了 m⁶A 甲基化。微 CT、H&E 染色和免疫组化结果表明，高适应性水凝胶有效促进了骨再生。

研究结论

本研究开发的 ECM 仿生高适应性水凝胶，通过模拟膜内成骨早期的微环境，促进了 hMSCs 的细胞 - 细胞相互作用、代谢活动和琥珀酸生成，进而增强了 mRNA m⁶A 甲基化，加速了成骨分化和骨再生。研究揭示了 ECM 机械信号对细胞代谢和转录后修饰的重要影响，为设计有效的生物材料加速骨再生提供了有价值的指导。此外，研究还指出多种代谢途径参与骨形成过程，未来可开发更多仿生生物材料深入研究机械转导 - 代谢 - 表观遗传学轴，并将成果应用于更多临床领域。但该研究也存在一定局限性，如水凝胶无法完全模拟体内 ECM 的复杂功能，未来需进一步改进。