Notch-зависимая активация остеогенного потенциала клеток периодонта

Актуальность и цель. Стволовые клетки периодонта — перспективный материал для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Сигнальный путь Notch является одним из ключевых в отношении поддержания стволовых и дифференцировочных свойств стволовых клеток. Целью данной работы было выяснить, каким образом сигнальный путь Notch влияет на остеогенный потенциал периодонтальных стволовых клеток (СК). Материалы и методы. В работе использовали лентивирусную трансдукцию периодонтальных СК, добавляя различное количества вируса (1, 3, 5, 15 MOI), несущего последовательность, кодирующую активированный внутриклеточный домен рецептора Notch1 — NICD. С помощью метода ПЦР в реальном времени анализировали изменения уровней экспрессии остеогенных маркеров (RUNX2, COL1A1, OGN, POSTN) в зависимости от силы активации сигнального пути Notch. Мы определяли степень активации Notch, детектируя уровень экспрессии гена-мишени — HEY1 — через 48 и 120 часов после индукции остеогенной дифференцировки. Используя методику экстракции красителя ализаринового красного, проводили количественную оценку интенсивности минерализации культур периодонтальных СК на финальной стадии остеогенной дифференцировки. Результаты. Установлено, что активация сигнального пути Notch ведет к усилению экспрессии остеогенных маркеров уже на ранних этапах индукции остеогенной дифференцировки, что, в свою очередь, приводит к развитию финальной стадии остеогенной дифференцировки, характеризующейся формированием кальцификатов. Более того, чем большее количество лентивирусных частиц было использовано при трансдукции клеток, тем, соответственно, интенсивнее был изначальный запуск Notch, и в ответ на это мы отмечали более эффективное прохождение процессов остеогенной дифференцировки клеток. Заключение. Активация сигнального пути Notch приводит к повышению остеогенного потенциала периодонтальных СК дозозависимым образом и индуцирует в клетках процессы, связанные с накоплением кальцификатов, интенсивность образования которых напрямую зависит от «силы сигнала» Notch. Полученные в данной работе результаты убеждают в том, что Notch способен модулировать остеогенную дифференцировку, влияя на ее эффективность, по-видимому, за счет интенсивности сигнала, передающегося от одной клетки к другой.

1. Semenova D, Bogdanova M, Kostina A, et al. Dose-dependent mechanism of Notch action in promoting osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Cell Tissue Res. 2019;379(1):169–179

2. Trubiani O, Pizzicannella J, Caputi S, et al. Periodontal Ligament Stem Cells: Current Knowledge and Future Perspectives. Stem Cells Dev. 2019;28(15):995–1003.

3. De Strooper B, Annaert W, Cupers P, et al. A presenilin-1-dependent gamma-secretase-like protease mediates release of Notch intracellular domain. Nature. 1999;398(6727):518–522.

4. Hori K, Sen A, Artavanis-Tsakonas S. Notch signaling at a glance. J Cell Sci. 2013;126(Pt 10):2135–2140.

5. Schroeter EH, Kisslinger JA, Kopan R. Notch-1 signalling requires ligand-induced proteolytic release of intracellular domain. Nature. 1998; 393(6683):382–386.

6. Jarriault S, Brou C, Logeat F, et al. Signalling downstream of activated mammalian Notch. Nature. 1995; 377(6547):355–358.

7. Iso T, Kedes L, Hamamori Y. HES and HERP families: Multiple effectors of the notch signaling pathway. J Cell Physiol. 2003; 194(3):237–255.

8. Grego-Bessa J, Luna-Zurita L, del Monte G, et al. Notch signaling is essential for ventricular chamber development. Dev Cell. 2007; 12(3):415–429.

9. Krebs LT, Deftos ML, Bevan MJ, Gridley T. The Nrarp gene encodes an ankyrin-repeat protein that is transcriptionally regulated by the notch signaling pathway. Dev Biol. 2001;238(1):110–119.

10. Rangarajan A, Talora C, Okuyama R, et al. Notch signaling is a direct determinant of keratinocyte growth arrest and entry into differentiation. EMBO J. 2001; 20(13):3427–3436.

11. Sahlgren C, Gustafsson M V, Jin S, et al. Notch signaling mediates hypoxia-induced tumor cell migration and invasion. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(17):63926397.

12. Timmerman LA, Grego-Bessa J, Raya A, et al. Notch promotes epithelial-mesenchymal transition during cardiac development and oncogenic transformation. Genes Dev. 2004; 18(1):99–115.

13. Weng AP, Millholland JM, Yashiro-Ohtani Y, et al. c-Myc is an important direct target of Notch1 in T-cell acute lymphoblastic leukemia/lymphoma. Genes Dev. 2006; 20(15):2096–2109.

14. Canalis E. Notch in skeletal physiology and disease. Osteoporos Int. 2018;29(12):2611–2621.

15. Ugarte F, Ryser M, Thieme , et al. Notch signaling enhances osteogenic differentiation while inhibiting adipogenesis in primary human bone marrow stromal cells. Exp Hematol. 2009; 37(7):867–875.

16. Shimizu T, Tanaka T, Iso T, et al. Notch signaling pathway enhances bone morphogenetic protein 2 (BMP2) responsiveness of Msx2 gene to induce osteogenic differentiation and mineralization of vascular smooth muscle cells. J Biol Chem. 2011;286(21):19138–19148.

17. Doi H, Iso T, Sato H et al. Jagged1-selective notch signaling induces smooth muscle differentiation via a RBP-Jkappa-dependent pathway. J Biol Chem. 2006; 281(39):28555–28564.

18. Tezuka K-I, Yasuda M, Watanabe N, et al. Stimulation of Osteoblastic Cell Differentiation by Notch. J Bone Miner Res. 2002; 17(2):231–239.

19. Bai S, Kopan R, Zou W, et al. NOTCH1 regulates osteoclastogenesis directly in osteoclast precursors and indirectly via osteoblast lineage cells. J Biol Chem. 2008; 283(10):6509–6518.

20. Hilton MJ, Tu X, Wu X, et al. Notch signaling maintains bone marrow mesenchymal progenitors by suppressing osteoblast differentiation. Nat Med. 2008; 14(3):306–314.

21. Shindo K, Kawashima N, Sakamoto K et al. Osteogenic differentiation of the mesenchymal progenitor cells, Kusa is suppressed by Notch signaling. Exp Cell Res. 2003; 290(2):370–380.

22. Engin F, Yao Z, Yang T et al. Dimorphic effects of Notch signaling in bone homeostasis. Nat Med. 2008; 14(3):299–305.

23. Salie R, Kneissel M, Vukevic M, et al. Ubiquitous overexpression of Hey1 transcription factor leads to osteopenia and chondrocyte hypertrophy in bone. Bone. 2010; 46(3):680–694.

24. Liu P, Ping Y, Ma M, et al. Anabolic actions of Notch on mature bone. Proc Natl Acad Sci. 2016;113(15):21522161.

25. Cao J, Wei Y, Lian J et al. Notch signaling pathway promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells by enhancing BMP9/Smad signaling. Int J Mol Med. 2017; 40(2):378–388.

26. Liao J, Wei Q, Zou Y et al. Notch Signaling Augments BMP9-Induced Bone Formation by Promoting the Osteogenesis-Angiogenesis Coupling Process in Mesenchymal Stem Cells (MSCs). Cell Physiol Biochem. 2017; 41(5):1905–1923.

27. Liao J, Yu X, Hu X, et al. lncRNA H19 mediates BMP9-induced osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) through Notch signaling. Oncotarget. 2017; 8(32):53581–53601.

28. Cui J, Zhang W, Huang E, et al. BMP9-induced osteoblastic differentiation requires functional Notch signaling in mesenchymal stem cells. Lab Invest. 2019; 99(1):58–71.

29. Andersson ER, Sandberg R, Lendahl U. Notch signaling: simplicity in design, versatility in function. Development. 2011; 138(17):3593–3612.

30. Yamamoto S, Schulze KL, Bellen HJ. Introduction to Notch signaling. Methods Mol Biol. 2014; 1187:1–14.

31. Guruharsha KG, Kankel MW, Artavanis-Tsakonas S. The Notch signalling system: recent insights into the complexity of a conserved pathway. Nat Rev Genet. 2012; 13(9):654–666.

32. Malashicheva A, Kanzler B, Tolkunova E et al. Lentivirus as a tool for lineage-specific gene manipulations. Genesis. 2007; 45(7):456–459.

33. Canalis E. Notch signaling in osteoblasts. Sci Signal. 2008;1(17):pe17.

34. Regan J, Long F. Notch signaling and bone remodeling. Curr Osteoporos Rep. 2013; 11(2):126–129.

35. Kostina A, Shishkova A, Ignatieva E, et al. Different Notch signaling in cells from calcified bicuspid and tricuspid aortic valves. J Mol Cell Cardiol. 2018;114:211–219.