直到15年前，成体的心肌还没有作为一种能自我更新的组织而被广泛接受，尽管在成体的心肌细胞中已经观察到存在少量的有丝分裂。成体心肌的自我更新能力很低，然而在成体心肌中少量的潜在的再生能力逐渐引起了人们的关注，人们试图阐明其机制，从而为促进心肌组织的再生和防治相应的疾病提供一种新的治疗策略。

血管的生成开始于胚胎发育早期，卵黄囊发育成血岛后逐渐形成较大的管腔，并逐渐分化形成动脉和静脉，此过程称为血管发生( vasculogenesis)。之后，在已有血管的基础上以出芽的方式产生新的血管分支，称为血管新生( angioenesis)。血管发生在胚胎发育早期的血管形成中起到关键作用。一旦主要血管形成后，血管发生便进入沉默状态，而血管的发育以血管新生为主。胎儿出生后以及正常人体的血管维护和修复主要通过血管新生。很多因素参与了胚胎期及成体血管的发生过程，明确血管再生的调控机制对于血管再生研究和临床血管性疾病的防治起了重要作用。

在胚胎发生早期，脊椎动物的脉管发生起源于胚胎的侧板中胚层，其在原肠胚形成后迅速出现。当迅速特化和向着形成心脏特定细胞类型的分化启动后，一系列复杂的形态学活动发生了。在形成了一个简单的心脏管道后，折纸样的结构出现，最终形成了一个具有四个腔的具备完整功能的器官。脉管系统在心脏开始形成后的短期内开始发育。最早的血管是动脉前体细胞，之后是原始静脉细胞。一旦主要的血管床建立，便出现了精细的分支，最终形成了复杂的血管网络。

很多信号通路调节了在心血管发育中的不同活动，同时，很多转录因子也调节了心血管基因表达并控制了重要形态发生步骤。两个应用领域提升了对于明确心血管转录因子调节的重要性。第一个是先天性心脏病的基因调节。大多数先心病的遗传方式都是在心血管转录因子基因的突变的结果。第二个是整合这些转录因子来重编程体细胞向心肌细胞样状态的分化，为应用再生医学来治疗疾病作了铺垫。

除了转录因子调节以外，表观调控机制对于心血管系统发生也产生了重要影响。通过控制心血管基因的表达，染色质调节在心血管发育中起了关键作用。调节染色质结构的蛋白以一种时间和组织特异性的方式指导了心血管系统的发育，并且有些也直接与心血管疾病发生有关。SWI/SNF样的染色质重塑复合物中的染色质重塑因子Brg1在原始的红细胞生成和血管发育中起了关键作用。条件性地敲除 Brg1的胚胎在妊娠中期就死于贫血，是由于突变的原始红细胞不能转录胚胎α-球蛋白和β-球蛋白而导致其走向了凋亡;此外，胚胎外的卵黄囊的血管重塑也发生了异常，提示含有Brg1的SWI/SWF-样复合物，而不是含有Brm的复合物在原始的红细胞生成和早期血管发育中起了关键的作用。

　缺乏p300的小鼠胚胎出现了低血管化的卵黄囊、严重的心包积液和心肌缺失。Sirt1去乙酰化了Foxo1来抑制其转录活动及它的抗血管形成活动。它还通过修饰NICD而促进了NICD降解和内皮细胞的分支和增殖。在内皮细胞培养中对HDAC的研究提出HDAC可能在胚胎内皮分化和血管发生中起了重要作用。在内皮细胞中沉默HDAC7改变了内皮细胞形态，迁移和毛细血管形成。在内皮细胞中，HDAC7和β-catenin形成了复合物，并防止了β-catenin入核。VEGF内皮生长因子触发了内皮HDAC7的降解和其复合物的扰乱，增加了β-catenin的核定位。HDAC7在Vegf和β-catenin调节的内皮细胞生长和分化中起了重要作用。此外，HDAC1和HDAC2也在调节心脏基因表达和心肌细胞分化中有很多功能。心肌中缺乏HDAC1和HDAC2的小鼠在出生后2周内因心律失常和扩张性心肌病死亡。这些异常可能是由于编码胎儿钙离子通道和骨骼肌特异性收缩蛋白基因的上调所引发。心肌特异性的敲除HDAC3发生了严重的心肌肥大和纤维化，并且在大约3～4个月时死亡。HDAC3在心肌细胞中的过表达刺激了心肌的增殖并导致在新生小鼠中的心肌肥厚。在新生儿心脏中，HDAC3抑制了一些细胞周期依赖性激酶抑制剂的表达，包括Cdkn1a、Cdkn1b、Cdkn1c、Cdkn2b和Cdkn2c。HDAC5或HDAC9的敲除小鼠可以存活到成年期而不会出现心脏缺损，而HDAC5和HDAC9的同时突变在E15. 5引起了死亡。

　组蛋白甲基化同样也影响了心脏发育。H3可以在K4、K9、K27、K36和K79被甲基化，而K4、K36和K79的甲基化与转录激活有关，K9和K27甲基化与基因表达抑制相关。其成员中的SMYD蛋白都含有保守的SET结构域，对甲基转移酶活动是必需的，同时还有一个MYND结构域调节了与HDAC的相互作用来抑制基因表达。在小鼠中敲除Smyd1/Bop引起了心脏的扩大和胚胎的死亡。Wolf-Hirschhorn综合征参与蛋白( WHSC1)编码了一种组蛋白甲基转移酶，三甲基化了H3K36。WHSCI的敲除与Wolf-Hirschhorn综合征相关。大多数Whsc1敲除小鼠在新生时即出现了死亡，伴有生长停滞、骨缺失和心脏异常。

组蛋白去甲基转移酶也是调控心脏发育不可缺失的一个重要家族。Jumonji/Jarid2和Jmjd6/Ptdsr都对心脏的流出道分流有影响。Jarid2敲除的小鼠有心脏畸形，包括心肌致密化不全、室中隔缺损和右心室双出口等。Jmjd6缺失的小鼠显示了室中隔缺损、肺动脉发育不全和右心室双出口。Dot1-样蛋白( Dot1L)甲基化了H3K79，并且调节了端粒的延长和细胞的增殖。Hypb甲基化了H3K36。Hypb沉默损坏了内皮细胞的迁移和管腔形成。

心脏发育中的表观调节是该器官形成的一个重要方面。这些调节的异常在心脏的先天缺失性疾病中尤其明显，强调了在胚胎发育中稳定的染色质水平调节的重要性。

成体心肌的低可塑性，被认为是一种隐藏的心脏的生理特征，这几乎与所有形成体心肌的细胞有关，如心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞以及成纤维细胞。心脏干细胞或前体细胞可能直接参与了特定信号触发的健康和异常功能的心肌组织中的再生过程。心肌细胞的微环境可能通过激活表观遗传学机制，而轻易地调节了心肌细胞的表型，而这种表观遗传学调控诱导了很多因子的表达，包括促进存活的、血管化的以及抗纤维化的和自分泌或旁分泌的调节因子等。微环境对于心肌细胞的表型调节比调节活跃的干细胞的数量更重要。已有的实践中发现在丧失功能的人类心脏中仍旧有很多能分化为心肌细胞的干细胞。促进心脏再生的机制可能更多的是依赖于对心脏微环境做出反应的表观遗传调控的稳定性，而不仅仅是靠被运送到心脏的干细胞量或生长因子的数量而保证的。

一些化合物可以引出类似于对基因表达进行调控而得到的表观遗传学的效应。化学干预的方法可以通过DNA甲基化或者组蛋白的共价修饰而改变表观遗传学的状态。同时，小的非编码RNA通过促进一种抑制性的染色质状态而与改变成体细胞的表观遗传学状态密切相关。研究已经发现组蛋白H4乙酰化对酪酸和维A酸的透明质酸混合酯反应性的增加，伴随了细胞存活的增加。之前的研究也证实了心肌的组蛋白乙酰化和暴露于缺血性的损害后心肌保护之间的关系。组蛋白的乙酰化可能就是心肌细胞用来对抗缺血性微环境的一种表观遗传学“密码”，从而调节了抗凋亡，分化和血管源性因子的表达。

低氧( Hypoxia)诱导了内皮细胞的功能异常，部分通过减少内皮的一氧化氮合酶( eNOS)的表达。有结果显示eNOS基因的下调与eNOS邻近启动子组蛋白下降的乙酰化和赖氨酸的甲基化有关。此外，在慢性地暴露于低氧后，组蛋白被再并入了eNOS的启动子上，但这些组蛋白对于HDAC的活动很敏感。HDAC也可能去乙酰化了非组蛋白，影响了蛋白的稳定性、活动性和基因表达。ClassⅡb家族中的HDAC6可能在内皮细胞中去乙酰化了actin-重塑蛋白皮层蛋白，这与在斑马鱼模型中触发血管形成有关。研究结果也揭示了低氧诱导性因子1( HIF-1)和classⅡHDAC活动之间的关系。HIF1是细胞对于氧含量的反应的一个关键调节因子，其表达在动物和患者的缺血心肌中显著增加了。HIF1可能直接激活了细胞核组蛋白乙酰转移酶B的表达，促进了组蛋白的乙酰化。因此，在缺血条件下自然地发生了快速的组蛋白乙酰化，并且长期的组蛋白乙酰化使成体细胞在低氧压环境下具有较高的抵抗能力。有研究结果证明了暴露于慢性低氧环境下的内皮前体细胞通过增加Jmjd3的表达以及一种H3K27me3的同时下调，从而诱导了其向内皮细胞的分化。

明确心肌再生中的表观调控机制可以为心血管疾病的患者带来新的治愈希望。

神经系统是机体内占据了重要主导作用的调节系统。感受器接收了内、外环境中的各种信息后，通过周围神经将信息传递到脑和脊髓的各级中枢进行整合，然后再由周围神经来控制和调节机体各系统器官的活动，从而维持机体与内、外环境的稳态。神经系统由神经细胞(神经元)和神经胶质所组成，在结构上分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分。前者包括脑和脊髓，后者包括脑神经和脊神经。

神经再生在低等动物中较容易实现，但在高等动物中这种能力则随着生物的逐渐进化而下降。此外，结构的不同也导致了中枢神经系统和周围神经系统的再生能力具有很大差别。周围神经系统相对简单，在一定条件下容易实现再生，而中枢神经系统再生则更为复杂。传统观点认为只有在低等动物中可能存在中枢神经系统的再生，并能恢复一定的功能。但近年来，研究发现中枢神经系统也具有再生的潜能。因此，对于神经再生机制的探讨则成为了当前神经科学研究热点课题之一。研究表明，无论是中枢神经还是周围神经，受损伤后能够成功再生的条件需要具备:①得到良好保护的神经的细胞体，防止不可逆损伤的发生，并维持其可生长的状态。②再生的神经元突起能在受到刺激后发生延伸，能够通过引导作用穿越损伤部位。③轴突前端的生长锥能寻找和识别到相应的靶器官，建立起新的具备功能的突触。

成体神经生成发生在哺乳动物大脑中分散的区域，被各种各样生理性、病理性和药物性刺激密切调节。最近发现多种表观遗传学机制在神经发生过程中基因表达的协同和精密调节中起了重要作用。

DNA的甲基化发生的位置和含量被报道在基因调节上起了重要作用，包括组织特异性的基因表达，X染色体抑制，基因印记和细胞重编程等。缺乏DNA甲基转移酶时可以导致胚胎死亡或其他深远的发育缺陷。最近研究显示DNA甲基化在调节神经发生的过程中起了重要作用。在胚胎发育中，DNMT1对于从神经发生到胶质细胞发生的转换的时机非常重要。条件性地在胚胎皮质的神经前体细胞中敲除DNMT1导致了DNA的低甲基化和星形胶质细胞的过早发育。敲除了DNMT1的增殖性神经前体细胞显示了DNA的低甲基化并且在出生后3周内迅速被淘汰了。因此，正确的DNA甲基化状态对于在早期发育过程中神经前体细胞的维持和命运决定很关键。

甲基-CpG结合蛋白是主要的在调节基因表达过程中DNA甲基化的主要调节因子。甲基-CpG结合结构域蛋白1( Mbd1)无效的小鼠在成体海马的齿状回显示了神经发生中的缺陷。Mbd1直接结合到成纤维细胞生长因子2的启动子区域上，这是一种在体外和体内的成体神经前体细胞的主要的有丝分裂原。最近的研究揭示了更加复杂的调控机制，其中Mbd1抑制了一些microRNAs和两种表观机制的相互作用，帮助控制了在海马中的成体神经前体细胞的增殖和分化中的平衡。甲基-CpG结合蛋白2( Mecp2)在Rett综合征中被检测到发生了突变，这也是在神经系统中基因表达的一个主要调节因子。在发育的大脑中，MeCP2可通过细胞自主性的和细胞非自主性的方式来调节皮质锥体神经元的成熟和树突状分支。在成体齿状突中敲除了Mecp2的敲除小鼠中，新生的神经元显示了在神经元成熟和脊柱形成中的缺陷，暗示了在不同的分化阶段Mecp2的一种保守的功能。Mecp2的一种最广为所知的靶点是脑来源的神经营养因子( Bdnf)，这个因子被报道与调节成体海马神经发生中的几个方面有关，包括神经前体细胞的增殖和很多新生神经元的发育。MeCP2结合到Bdnf启动子上并且抑制了其表达。在神经元激活和膜的去极化之后，两种潜在的机制可能促进了MeCP2从Bdnf启动子上释放出来，促进了它的转录。第一，在培养的原代神经元中，神经元的活动诱导了在特定CpG位点上的DNA去甲基化，导致了MeCP2-组蛋白去乙酰酶-mSin3A复合物从启动子上的脱离，并增加了Bdnf转录。第二，神经元活动诱导的钙流入触发了在丝氨酸421上MeCP2的磷酸化来促进它从启动子上释放以及之后的Bdnf的转录。

DNA去甲基化转移酶Gadd45蛋白也被报道参与了神经发生。Gadd45b敲除小鼠显示了特异的在成体海马中的神经活动诱导的神经前体细胞增殖和新生齿状回细胞的树突状生长缺失。Gadd45b好像在成熟的神经元中而不是在体内增殖的神经前体细胞中大量被诱导，暗示了生境基础上的调节机制而不是一种本质性的基础。因此，Gadd45b依赖的DNA去甲基化可能作为一种翻译环境信号成神经生境中的表观遗传改变的关键机制。

除了DNA甲基化外，组蛋白修饰也是调节神经发生中重要的表观机制之一。敲除了一种组蛋白乙酰转移酶中的MYST家族成员Querkopf( Qkf，Myst4，Morf)后，在SVZ中出现了神经前体细胞的增殖下降，而过表达Qkf增加了神经元的产生。在神经前体细胞中敲除HDAC2后显示了在SGZ/海马和SVZ/嗅球中新生神经元的异常成熟，导致了在神经性区域中增加的细胞死亡。

组蛋白甲基化是另一种重要的调节机制，PcG和TrxG蛋白是作用相反的染色质复合物: PcG复合物催化了H3K27me3，导致了暂时的转录抑制;而TrxG复合物被RNA聚合酶Ⅱ招募并催化了H3K4me3。二者都被报道与神经发生有关。例如在敲除了Bmi-1的小鼠中，神经前体细胞，在SVZ中减少了。一个TrxG成员，Mll1编码了H3K4甲基转移酶，对于神经元分化是必需的。

非编码RNA，是被非蛋白编码区域转录的，已经被发现作为一种重要的表观调节因子家族，通过与染色质修饰因子和转录因子相互作用而调节了基因表达。最近有证据显示小RNA家族的很多成员调节了成体神经发生。

miRNA通过转录后修饰机制抑制了基因表达。一个脑组织特异性的miRNA，miR-124，不能在神经前体细胞中被检测到。在成体的SVZ中，从暂时性的扩增细胞向增殖的成神经细胞的过渡中上调了，并且在RMS和嗅球中的不成熟的神经元中上调了。对miR-124的功能进行研究后发现其在暂时的增殖细胞中，促进其分化为成神经细胞并且特异性的调节了细胞系发生的时机。miR-124可以在出生后SVZ神经发生的过程中，调整神经发生的数量和时机，从暂时的扩增细胞到中间神经元。此外，miR-184和mir137也被报道调节了成体的海马神经发生。

总之，成体神经发生过程的每个阶段，从神经前体细胞的维持和激活，命运决定到神经元子代细胞的成熟和发育都被各种各样的表观调节因子精密调节了，各种表观机制本身之间也存在复杂的相互作用。此外，每个表观调节因子可能都有很多靶基因，并影响了成体神经发生的很多过程，尤其是在过渡时期。表观调控机制不仅调节了机体本身发育中阶段特异性的信号通路，还调节了环境生境中的信号通路。

轴突损伤在中枢神经系统( CNS)中导致了长期的功能损害和很多神经紊乱包括脑卒中和脑外伤或脊髓损伤中的残疾。轴突出芽和再生能力的缺乏是导致残疾的主要原因。导致这个有限的内源性的损伤后再生能力的原因主要归结于两个主要因素:首先，神经元的本质特征使得它不能触发一个再生性的反应;其次，神经胶质的环境也抑制了轴突的再生长。尽管轴突再生在CNS中高度受限，通过自发的部分的轴突再生在外周神经系统( PNS)是可以实现的。这个可能是由于在CNS和PNS中的神经元本质特征和神经胶质环境的差异导致的。但是这二者不是两个完全独立的实体，二者可以相互影响。神经胶质的环境可以影响神经元的本质属性，仅仅当神经元处在PNS中时，再生相关基因才可以被启动。这一现象可以被一个背根神经节( DRG)的实验证实:其向PNS和CNS各伸入了一个轴突分支，但只有处于周围神经分支的损伤和疾病可以触发一个促再生的基因表达。除此以外，在CNS自身中，特异的神经元亚群比其他神经元在受损伤后具有对出芽或再生轴突的更强的抵抗能力。其中皮质脊髓束( CST)是相对于红核脊髓和缝核脊髓束轴突来说最难以再生的。

在分子水平上，在周围神经轴突损伤后启动了活跃的再生性转录因子活动。在不成熟的CNS神经元受损后也启动了部分这种活动。在CNS中，红核脊髓和脊髓的轴突显示了较低的回缩程度，相对于CST有更强的出芽潜能并显示了更活跃的轴突再生能力。研究证实了一些在脊髓损伤后促进再生的相关基因( RAGs)，包括 Gap43、 Jun、 Lgals1、 lassⅡβ -tubulin和α -1 tubulin。在轴突损伤后受限的基因表达反应可能是由于转录因子占据靶启动子时的能力受限。成功的轴突再生需要转录在受损细胞中适当地激活，从而促进了细胞骨架重塑和轴突生长。

染色质的修饰被报道在CNS发育、成体神经发生、认知、视觉、学习和记忆以及一些发育性和神经退化性紊乱中发挥了一种基本的作用。最近，实验结果证实了表观遗传学调控在成体CNS的有丝分裂后的神经元的轴突生长和再生中具有一种关键作用，并且差异性地存在于CpG岛附近。与神经生物学有关的MBPs包括MECP2( Rett综合征)和MBD1。它们与DNA甲基转移酶相互作用，并且在一个结合在甲基化的DNA片段上的转录抑制性复合物中，为不同的染色质修饰酶和转录因子提供了一个联系平台，与基因的抑制高度相关。MBD2和MECP2被报道与组蛋白去乙酰转移酶HDAC1和HDAC2相互作用，而MBD1与组蛋白甲基转移酶SUV39H1相互作用。过去针对MECP2的研究证明了MBPs和DNA甲基化在脑相关的功能和神经性紊乱中的重要作用。上调或者下MECP-2的表达可以引起各种各样的神经精神紊乱，如智力低下、自闭症和Angelman综合征。研究最多的是Mecp2的扰乱或突变，这个影响了DNA的结合从而导致了X-相关的Rett综合征，这是一种出生后的神经系统的紊乱，与认知及共济失调有关，包括轴突生长的缺陷和自闭症。MECP2表达于神经元以及胶质细胞中。在脑来源的神经营养因子( Bdnf)中发现了差异性的DNA甲基化，其表达在Mecp2-缺乏的小鼠中减少，并可能导致了轴突生长的缺陷。

神经元性活动依赖的膜的去极化触发了钙依赖的MECP2的磷酸化及其从Bdnf启动子上的释放，因此促进了Bdnf的转录。在去极化后在神经元中Bdnf的合成与CpG岛甲基化的下降以及MECP2-SIN3A抑制性复合物从其启动子上的释放有关。MECP2结合到Bdnf启动子上也通过EP300和SIRT1而被乙酰化和去乙酰化调节。此外，MECP2也与转录性的激活因子环腺苷酸( cAMP)反应元件结合1( CREB1)在活跃的靶基因的启动子上组成了一个复合物，如生长激素释放抑制剂。而由于CREB1可能是一个重要的轴突再生中的转录调节子，因此研究MECP2在神经受损后的作用可能很有意义。已知MBPs在神经发育和认知功能是必需的，可能它们也在神经损害后，在调节轴突再生相关的基因表达上起了一定作用。

DNMTs在脑、脊髓和DRG中丰富表达。在成体脑组织中相对其他组织有更高的总体DNA甲基化水平。DNA甲基化和DNMT1被报道影响了神经元的可塑性和记忆形成。最近的研究显示DNA甲基化与通过叶酸新陈代谢和一个功能性的甲基化循环增加了CNS的修复有关。叶酸是DNMTs的底物，在大鼠中系统性地导入叶酸诱导了轴突再生。叶酸的这种效应是依赖于一个功能性的甲基化循环，并且影响了总体的和基因特异性的DNA甲基化以及重头甲基化的DNA甲基转移酶。

被神经营养因子刺激的NGF受体信号通路诱导了PCAF的磷酸化和细胞核转位，以及在神经样PC-12细胞中的H3K9的乙酰化。PCAF-CBP /P300( CREBBP /EP300，KAT3A/KAT3B)复合物与转录激活因子，如FOS，JUN，MYBHIF1A，TRP53或KLF13相互作用，其中的一些与轴突再生有关。EP300在神经分化中扮演了一种NEUROD1共激活子的角色。除了H3乙酰化以外，CBP特异性的结合到磷酸化的CREB1上，这是个在轴突再生中很重要的因子，并且增加了它朝着cAMP反应性基因的转录活动。表观对于CREB1调节的转录活动的调控可能对于轴突再生以及感觉神经损伤有关。

组蛋白去乙酰转移酶在成体神经发生中已明确了部分作用。通过丙戊酸抑制HDAC的活动导致了在海马中成体前体细胞增殖的下降，以及神经元分化的增加。在皮质神经元中，HDAC3与细胞核受体共抑制因子2相互作用，此因子控制了神经元对一些转录因子的反应，从而调节了神经性和神经保护性的通路。HDAC1/2和EP300与RELA相互作用的平衡对于施万细胞分化和周围神经细胞中合适的髓鞘形成是必需的，这也是在轴突再生中的一个主要条件。CBP /P300和PCAF与转录因子TRP53在原代神经元中形成了一个转录复合物，从而在促再生的启动子上增加了其可接近性。这个转录复合物激活了一些RAGs的表达，包括RAB13，CORO1B和GAP43，触发了一个本质的促轴突生长的活动。除此以外，在视神经损伤后，不能再生其轴突的视网膜神经节细胞显示了下降的HAT EP300的表达和H3K18乙酰化的降低。当过表达EP300时，可以在视神经损伤后促进轴突的再生。

骨骼缺损可由很多原因导致，如疾病、感染、发育异常、创伤或肿瘤切除手术等。对于缺损骨的修复一直是研究热点课题之一。然而现在临床对于大范围的骨缺损的修复仍未寻找到一种特别有效的途径予以解决。

骨水泥或骨填充材料的应用可以在骨损伤较轻时加快其愈合，但当骨损伤严重时则需要进行骨移植手术。骨移植根据材料和来源可分为自体骨移植和异体骨移植。自体骨移植由于骨源取自患者自身，因此数量有限，有存在并发症的可能性，同时二次手术也给患者带来较大的创伤。而异体骨移植则由于容易带来疾病并存在免疫反应等问题，所以其应用也受到很大限制。因此，基于自体干细胞实现的骨再生一直是再生医学的研究热点。

根据国内外骨缺损修复生物学的研究报道，影响骨再生的因素主要包括以下四个方面:①使用的种子细胞必须具有分化和增殖能力。②辅助应用可以调控骨发生的多种生物活性物质，包括细胞因子及其受体。③适合细胞生长并利于恢复其原有的骨形态及骨连续性的微环境和框架结构。④机体本身所提供的血供和营养成分。

现在，骨组织工程应用的战略可分为两种:一种是在体外将载体材料与成骨因子组装后再植入体内，辅以成骨因子诱导具成骨分化能力的细胞成骨，进而生成新骨。另一种是利用体外细胞培养技术获得足够数量的成骨性细胞，并与载体材料在体外组装后植入骨缺损部位。

骨组织工程中，种子细胞多采用骨膜的成骨细胞和骨髓基质干细胞。骨膜成骨细胞的成骨能力很强，而骨髓基质干细胞则不仅可以在体内自动分化为成骨细胞，还可以在体外施加了特定成骨诱导因子(如BMP)的情况下，分化为成骨细胞。二者相比，骨髓间充质干细胞由于具有较强的多向分化潜能，取材较容易，扩增能力强等优点，受到了研究者的广泛关注。围绕骨髓间充质干细胞在骨再生中的应用展开了广泛研究，并取得了很多成果，同时越来越多的研究者开始关注对骨髓间充质干细胞成骨分化起到重要调控作用的表观遗传学。

研究者在细胞系和原代细胞中，都发现了成骨分化的细胞中HDAC1和HDAC2在核酸水平和蛋白水平都出现了下降。同时，总体的HDAC酶学活动也下降了，而HDAC3、HDAC5和HDAC6的核酸水平轻度上升或不变。有研究也报道说成骨分化过程中H3和H4乙酰化增加。也发现在分化细胞中的Sp7和OCN启动子的H3和H4乙酰化显著增加，因此，组蛋白H3和H4的乙酰化和去乙酰化的修饰可能在细胞成骨分化过程中起了重要调控作用。使用HDAC抑制剂探究了HDAC在MSCs成骨中的作用，发现骨髓基质细胞对于HDAC抑制剂很敏感。小鼠和人的BMSCs在体外培养时使用HDAC抑制剂后，都出现了DNA损害、细胞周期阻滞和凋亡。但一旦这些细胞分化为成熟的成骨细胞后，HDAC抑制剂却变为了促进成骨。因此，对于成骨发生中组蛋白的乙酰化修饰发挥的具体作用还需要进一步的研究予以明确。但目前可以明确的是，组蛋白修饰的保持对于骨骼正常发育是必不可少的。在扰乱HDAC4基因时，引起了软骨细胞的肥大，从而导致了异常的骨骼发育。

Cbfa1/Runx2是一个调控间充质干细胞成骨分化的关键的特异性转录因子，它参与调节了一系列成骨标志基因的序列表达。Cbfa1的敲除小鼠不能成骨。组蛋白去乙酰化酶HDAC中有很多成员如HDAC1被检测到结合到了Runx2上，调节了成骨细胞的分化活动。组蛋白乙酰转移酶之一的p300/CBP相关因子( PCAF)乙酰化了Runx2，促进了成骨细胞分化。

除成骨以外，对于骨重塑很关键的破骨细胞也受到了表观遗传学的调控。研究者发现HDAC3和HDAC7在成骨发生中发挥了相反的调控作用，其中，HDAC7通过抑制破骨细胞分化的关键转录因子Mitf的活动而抑制了破骨细胞的分化，而HDAC3则促进了破骨细胞的分化。

有报道使用DNA甲基化的抑制剂5-氮杂胞苷( 5AC)对细胞表型产生了深远的影响。在用BMP2诱导的C2C12细胞的成骨分化过程中，出现了DNMTs的差异表达，提示了DNA甲基化标记在此过程中的重塑。使用5AC的处理导致了关键成骨转录因子的激活，同时还伴有其启动子区域的去甲基化。但是在BMP2诱导的成骨分化过程中，这些相同转录因子的上调并不伴有其启动子区域DNA甲基化方式的变化。全基因组范围内MeDIP和Pol-ⅡChIP on chip的分析结果显示了在细胞系特异性基因的总体启动子上，DNA甲基化水平上没有出现能够检测到的变化，提示可能DNA甲基化限制了C2C12细胞的自发成骨和成脂分化。5AC诱导了Dlx5和Sp7启动子区域明显的去甲基化和mRNA的上调，提示了成骨的关键转录因子在其中的作用。但仅有一小部分5AC处理的细胞分化成了ALP阳性的成骨细胞，这可能是因为5AC处理后再启动子甲基化水平的异质性导致。因此，可能仅在有限数量的细胞中，Dlx5和Sp7的表达水平可以高到诱导成骨发生的水平，而其他细胞系的关键调控因子的上调可以抑制Dlx5和或Sp7阳性细胞中的成骨发生。

在C2C12细胞中的DNA甲基化水平反映出一个防止细胞自发成骨的微妙平衡，但在生长因子的刺激下，这种平衡又可以使细胞能向成骨方向分化。因此，DNA甲基化很可能具有对基因表达进行精密微调的潜能。Collas的团队曾提出，启动子的甲基化方式可能组成了一种基因激活潜能的“基态”，而细胞系特异性的启动子的高甲基化可能对分化来说是一种障碍，而低甲基化则可能具有多种潜能，并不一定就意味着分化。

总体的DNA甲基化方式在干细胞和前体细胞的终末分化过程中保持稳定。在全能的ESC和多能的成体干细胞以及分化的细胞之间，甲基化谱存在差异。DNA甲基化的改变主要描述了全能的ESC细胞向一个更受限制的、多能的状态分化，而对于终末的分化状态则维持了一种相对稳定的状态。其他表观遗传修饰机制如组蛋白修饰或microRNAs的表达，可能在晚代分化中起了更重要的作用。很多microRNAs以及其他的一些组蛋白修饰，尤其是对H3和H4乙酰化和去乙酰化修饰，以及H3赖氨酸的甲基化对于成骨分化中基因的调节起了重要作用。

　在骨质疏松或者一种高骨量的表型的发展中存在MSCs向成骨细胞和成脂细胞分化的转换开关。

Runx2是调节成骨发生和成软骨发生的一个关键转录因子。研究发现Runx2被一些特定的miRNAs调节了。miR-204及其同系物miR-211在不同的间充质前体细胞系和BMSCs中表达，并且成脂肪分化也诱导了这些miR的表达。进一步功能实验阐明了miR-204/211通过直接结合到Runx2的3’-UTR中的很多位点上，作为Runx2的负性调节因子，在前体细胞和BMSCs中对抗了成骨细胞的分化。

miR-133在成体心脏和骨骼肌组织中特异性表达，在C2C12细胞中的成肌分化过程中显著上调。最近，miR-133被发现在BMP-2处理的C2C12细胞中表达下降了，并且miR-133也被报道调节了一个含400bp Runx2 3’UTR片段和Runx2的蛋白水平。此外，miR-133也调节了成骨标记基因，如Alp和Osteocalcin的表达。

miR-125b在小鼠的间充质ST2干细胞中抑制了骨形态蛋白-4( BMP4)诱导的成骨细胞分化。miR-26也在人脂肪组织来源的干细胞中调节了成骨分化，同时，miR-223也被报道在RAW 264. 7细胞中调节了破骨细胞的发生。miR-141和200a通过以Dlx5为靶基因调节了BMP2诱导的小鼠的成骨前体细胞的分化，由于Dlx5被报道调节了BMP2刺激的Runx2和Osx表达，因此，miR-141和200a对于Dlx5表达的影响则更显重要。

众多的表观遗传学调控机制在骨再生的过程中相互作用，共同维持了成骨破骨等的平衡。要实现成功的骨再生，必须从一个整体的角度去评价和应用相关的表观遗传学调节机制，才可能实现骨再生，为患骨相关疾病的患者带来希望。

软骨缺损和发育畸形都是临床常见疾病，此外关节软骨损伤还可以引起关节面不平整，诱发骨关节炎。在我国，因自然衰老和各种创伤及先天性疾病造成的软骨缺损或畸形的患者数目惊人。同时，据报道在美国，关节炎和其他骨骼系统疾病是导致16～72岁人群丧失劳动力的原因之一，也是65岁以上人群致残的原因之一。因此，寻找有效防治软骨疾病和恢复软骨功能的方法对于缓解患者痛苦，保证生存质量和提高社会生产力都具有重要意义。然而，由于软骨组织缺乏血供和神经滋养，损伤后的自我修复和再生能力很有限，软骨缺损的修复也因此一直是临床治疗的一大难题。

软骨是一种高度分化的结缔组织，由软骨组织及其周围面的软骨膜构成。软骨组织由软骨细胞、基质及胶原纤维构成。根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三种，其中以透明软骨的分布较广，结构也较典型。在胚胎时期，大部分骨骼都是由软骨组成的。人和脊椎动物特有的胚胎性骨骼可分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨。发育至成年后，主要在关节面、肋骨的尖端、椎骨连接面、外耳、气管和鼻尖处分布。

软骨再生可能通过以下途径实现:

　软骨细胞的次序分化和成熟是被诸如Sox、Runx基因和TGF-β等转录因子和生长因子调节的。Sox9编码了一个高动力的DNA结合结构域，被认为是软骨发生中一个主要的转录因子。

成软骨相关基因如Sox9、Runx2、软骨调节素I和成纤维细胞生长因子受体3的CpG岛丰富的启动子在滑膜来源的软骨发生过程中是低甲基化的。此外，软骨调节素I启动子的去甲基化状态与软骨调节素I基因表达相关。Col2a1基因也在软骨细胞中相对成纤维细胞是低甲基化的。α1( X)胶原(即Col10a1)的CpG甲基化基础上的基因沉默是分化的软骨细胞的一个肥大的标志，与在软骨组织和关节软骨细胞中的一致。然而，Col10a1启动子的去甲基化与在MSCs来源的软骨发生中的Col10a诱导相关。这些报告提示DNA甲基化状态调节了成软骨基因表达和细胞沿着成软骨方向分化。

基因的甲基化也与一些人类疾病例如ATR-X、Fragile X和ICF综合征有关。DNA甲基化在决定骨关节炎软骨细胞的基因表达方式很重要。另一方面，CpG的甲基化好像不能在关节软骨的聚焦蛋白聚糖( aggrecan)启动子活动的开关中起到一个中心的作用。

　组蛋白折叠结构域的外面有大约25%的核心组蛋白包含在组蛋白尾部结构域中间。最近的研究鉴定出了一些多亚单位的HAT复合物如共激活因子p300和其同源物CREB-结合蛋白，MYST家族和GNAT超家族成员。多功能的共激活物p300在基因表达和细胞分化中起了一种重要作用。p300作为一种蛋白支架和一种桥梁因子装配了转录装置。此外，p300的HAT活动又通过调节染色质结构来促进了转录活动的潜能。在软骨发生过程中，p300刺激了转录因子调节的染色质扰乱。P300直接与主要成软骨因子Sox9相互作用并激活了Sox9依赖的转录活动。之前有研究报道Sox9依赖的转录激活是被p300调节的染色质的组蛋白乙酰化诱导的。体外转录和S1细胞核实验揭示了p300在一个染色质DNA模板上促进了Sox9依赖的转录并且与组蛋白的高乙酰化有关。

此外，在人类软骨细胞中使用HDAC抑制剂TSA增加了Sox9调节的软骨基质基因表达( COL2A1和aggrecan)。P300也作为一个软骨同源异型蛋白-1( Cart1)转录激活因子发挥作用，这与骨骼发育有关，通过直接与Cart1相互作用而实现。软骨低聚物基质蛋白( COMP)的基因激活编码了一个主要在软骨中表达的非胶原蛋白，这个被Sox9、Sox5、Sox6和p300协同调节。这个COMP启动子含有一个正性和负性的调节元素。Sox9直接结合到正性调节元件并通过与p300的相互作用激活了COMP的表达。另一方面，白血病/淋巴瘤相关因子转录抑制剂通过招募HDAC1而抑制了COMP基因表达。Tat相互作用蛋白60 ( Tip60)是MYST家族的成员之一，与各种各样的有机体中很多调节因子的功能有关。其主要乙酰化H4增加了Sox9/Sox5依赖的Col2a1的转录。

HDAC缺乏本质的DNA结合活动，是通过其与转录激活因子的直接相互作用而被招募到靶基因上的，同时他们还整合到多蛋白的转录复合物中。HDAC4在骨骼发育中起到了一种中心的作用。它在肥大前的软骨细胞中表达，通过和Runx2的相互作用并抑制其活动而调节了软骨细胞的肥大和软骨内的骨形成。HDAC4的敲除小鼠由于较早诱导了软骨细胞的肥大而出现了骨的提前骨化，并且由于异位成骨而在第一周即死亡，因为这种异位成骨妨碍了胸腔的扩展而引起了呼吸障碍。HDAC4的过表达促进了滑液干细胞来源的软骨发生并抑制了其肥大分化。组蛋白乙酰化和去乙酰化被很多转录复合物精确调控，从而保证了软骨分化和成熟的正常进行。

软骨本身的结构导致了其很难在受损后能自我修复，如果能明确在软骨再生中的表观调控机制将为未来软骨再生提供一种有力的支持，为广大罹患软骨疾病的患者带来福音。