骨骼作为重要的人体器官具有独特且不可替代的关键作用,包括为软组织提供机械支持、作为承担肌肉活动的杠杆、保护中枢神经系统和维持细胞外液离子环境等。多种原因如衰老、骨折、炎症以及肿瘤均可致使骨骼完整性遭到破坏,最终导致骨骼功能的丧失。骨骼的结构完整和矿化平衡的维持是通过骨组织稳态实现的。骨组织稳态受全身和局部释放的多种细胞因子和生长因子调节,其中骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)已被揭示为骨稳态的关键调节因子,通过影响成骨细胞谱系细胞和破骨细胞的分化,调节骨形成和骨吸收的动态平衡,进而维持骨组织稳态。BMP信号通路对骨组织的调控作用十分精细且复杂,对不同胚胎来源和发育阶段的骨组织及对不同分化程度的骨组织细胞呈现差异性的作用。BMP信号通路受体中的I型BMP受体ACVR1参与调控BMP信号通路的转导,在骨重塑中具有重要意义。ACVR1基因的点突变与进行性骨化性纤维结构不良这一严重致残性疾病相关,提示ACVR1在病理性异位骨化中的关键作用。而ACVR1在骨重塑中的生理作用及机制仍尚未明确,因此明确ACVR1介导的BMP信号通路在骨重塑中的作用,对探讨BMP信号在骨组织中的作用机理具有重要的理论意义,对防治骨吸收破坏性疾病具有潜在的临床意义。为了明确ACVR1在骨重塑中的作用,利用条件性基因敲除(conditional knockout,c KO)小鼠动物模型,在早期分化的成骨细胞谱系细胞(Osx-Cre)中敲除Acvr1基因,发现出生后21天(postnatal day 21,PN21)和PN42的cKO小鼠体型减小,体重减轻。采用micro-CT和组织学观察PN21和PN42小鼠股骨的骨量和骨组织的矿化,结果显示小鼠股骨骨量下降,且具有年龄依赖性。除成骨和破骨细胞数量下降外,脂肪细胞的数量显著增加。同时,小鼠股骨成骨和破骨分化相关基因表达下调,成脂分化相关基因表达上调,提示股骨骨髓间充质细胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)的细胞命运改变。在体外研究中,Acvr1基因敲除的BMSCs的ALP染色阳性区域面积下降,矿化能力减弱,脂滴形成数量增多,表明其成骨向分化下降,成脂向分化增强。研究提示ACVR1介导的BMP信号通路参与调控股骨BMSCs的细胞分化命运,即促进BMSCs的成骨向分化并抑制其成脂向分化,在维持股骨的骨量中发挥重要作用。由于下颌骨在胚胎来源、骨化方式、组织成分、机械刺激和细胞特性等方面与股骨相比均有差异,提示下颌骨的骨重塑在Acvr1基因敲除小鼠中可能与股骨不同。Micro-CT检测发现PN21和PN42小鼠下颌骨骨量下降,且具有年龄依赖性。下颌骨中成骨细胞数量减少,且成骨分化相关基因下调,与股骨的表型相同。然而,下颌骨中破骨细胞数量增加,破骨分化标志基因表达上调,且在c KO小鼠下颌骨中RANKL在基因和蛋白水平均有上升,提示破骨细胞数量增加可能与RANKL的上调有关。在体外研究中,Acvr1基因敲除的下颌骨BMSCs成骨分化减弱;在成骨-破骨细胞直接和间接共培养体系中均表现出破骨分化增强,且在间接共培养体系中破骨细胞分化增强更明显,大破骨细胞(细胞核>10个)占比增加,提示分泌型蛋白在其中发挥重要作用。进一步利用ELISA检测到小鼠血清和细胞培养上清中RANKL蛋白水平上升,提示上升的RANKL蛋白以可溶性形式(soluble RANKL,sRANKL)存在。而在条件培养基中加入RANKL的中和抗体后,消除了破骨细胞形成的差异,说明破骨细胞数量增加是由缺乏Acvr1基因的BMSCs分泌的sRANKL增加介导的。上述结果表明ACVR1正向调控下颌骨BMSCs成骨向分化,并通过下调成骨细胞分泌sRANKL抑制破骨细胞分化,从而维持下颌骨骨量。本研究结果表明,利用Osx-Cre特异性敲除Acvr1基因后,导致敲除组小鼠体型减小、体重减轻,股骨和下颌骨骨量下降,且呈年龄依赖性,但其机制有所差异:股骨骨量下降主要源于BMSCs细胞命运改变,造成成骨-成脂分化不平衡,导致骨髓中脂肪细胞过量累积;下颌骨骨量下降则是由于成骨分化减弱,促进其分泌sRANKL,导致破骨细胞分化增强。综上,ACVR1介导的BMP信号通路正向调控小鼠股骨和下颌骨骨量,其机制具有骨解剖部位特异性。