Background: Secretory leukocyte protease inhibitor (SLPI) protects tissues from proteases and promotes cell proliferation and healing. SLPI also reduces periodontal inflammation and alveolar bone resorption by inhibiting proinflammatory cytokine expression in rat periodontal tissues and osteoblasts. However, little is known of the role of SLPI in the expression of osteoclast regulatory factors from osteoblasts, which are crucial for the interaction between osteoblasts and osteoclasts. Therefore, we aimed to determine the effects of SLPI on the regulation of osteoclasts and osteoblasts in LPS-treated alveolar bone and osteoblasts. Methods: Periodontitis was induced in rats using LPS. After each LPS injection, SLPI was injected into the same area. Immunohistochemical analysis was performed with antibodies against SLPI, RANKL, OPG, and Runx2 in the periodontal tissue. RT-PCR and western blotting were performed to determine the expression levels of SLPI, RANKL, OPG, and Runx2 in LPS- and SLPI/LPS-treated MC3T3-E1 cells. SLPI/LPS-treated MC3T3-E1 cells were also stained with Alizarin Red S. Results: Immunohistochemical analysis showed that the expression levels of SLPI, OPG, and Runx2 were higher while that of RANKL was lower in the LPS/SLPI group relative to those in the LPS group. The mRNA and protein expression of SLPI, OPG, and Runx2 was higher in SLPI/LPS/MC3T3-E1 cells than in LPS/MC3T3-E1 cells, and RANKL expression was lower. During differentiation, OPG and Runx2 protein levels were higher whereas RANKL levels were lower in SLPI/LPS/MC3T3-E1 than in LPS/MC3T3-E1 cells on days 0, 4, 7, and 10. In addition, mineralization and matrix deposition were higher in SLPI/LPS/MC3T3-E1 than in LPS/MC3T3-E1 on days 7 and 10. SLPI decreased RANKL expression in LPS-treated alveolar bone and osteoblasts but increased the expression of OPG and Runx2. Conclusion: SLPI can be considered as a regulatory molecule that indirectly regulates osteoclast activation via osteoblasts and promotes osteoblast differentiation.
Phosphodiesterase (PDE) 4 is an enzyme that degrades intracellular cAMP. In the present study, the effect of rolipram, a specific phosphodiesterase (PDE) 4 inhibitor, on osteoclast formation was investigated. Rolipram induced osteoclast formation in cocultures of mouse bone marrow cells and calvarial osteoblasts. This activity was not observed in the absence of calvarial osteoblasts, suggesting that calvarial osteoblasts are likely target cells of rolipram. Osteoclast formation by rolipram was completely blocked by the addition of osteoprotegerin (OPG), a soluble decoy receptor for the osteoclast differentiation factor, TNF-related activation-induced cytokine (TRANCE, identical to RANKL, ODF, and OPGL). Northern blot analysis revealed the effect of rolipram to be associated with the increased expression of TRANCE mRNA in mouse calvarial osteoblasts. Collectively, these data indicate that PDE4 inhibitor up-regulates the TRANCE mRNA expression in osteoblasts, which in turn controls osteoclast formation.
Dlx3 is a homeodomain protein and is known to playa role in development and differentiation of many tissues. Deletion of four base pairs in DLX3 (NT3198) is causally related to tricho-dento-osseous (TDO) syndrome (OMIM # 190320), a genetic disorder manifested by taurodontism, hair abnormalities, and increased bone density in the cranium. Although the observed defects of TDO syndrome involves bone, little is known about the role of Dlx3 in bone remodeling process. In this study, we examined the effect of wild type DLX3 (wtDlx3) expression on osteoclast differentiation and compared it with that of 4-BP DEL DLX3 (TDO mtDlx3). To examine whether Dlx3 is expressed during RANKL-induced osteoclast differentiation, RAW264.7 cells were cultured in the presence of receptor activator of nuclear factor-B ligand (RANKL). Dlx3 protein level increased slightly after RANKL treatment for 1 day and peaked when the fusion of prefusion osteoclasts actively progressed. When wtDlx3 and TDO mtDlx3 were overexpressed in RAW264.7 cells, they enhanced RANKL-induced osteoclastogenesis and the expression of osteoclast differentiation marker genes such as calcitonin receptor, vitronectin receptor and cathepsin K. Since osteoclast differentiation is critically regulated by the balance between RANKL and osteoprotegerin (OPG), we examined the effect of Dlx3 overexpression on expression of RANKL and OPG in C2C12 cells in the presence of bone morphogenetic protein 2. Overexpression of wtDlx3 enhanced RANKL mRNA expression while slightly suppressed OPG expression. However, TDO mtDlx3 did not exert significant effects. This result suggests that inability of TDO mtDlx3 to regulate expression of RANKL and OPG may contribute to increased bone density in TDO syndrome patients. Taken together, it is suggested that Dlx3 playa role as a positive regulator of osteoclast differentiation via up-regulation of osteoclast differentiation-associated genes in osteoclasts, as well as via increasing the ratio of RANKL to OPG in osteoblastic cells.
Poncirus trifoliata fruit (PTF) affects the digestive and cardiovascular systems, and kidney function. The authors studied the effects of ethyl acetate (EtOAc) extract of PTF on the activities of osteoblasts and in an animal model. The main compounds of the EtOAc extract, naringin and poncirin have been confirmed by HPLC and NMR analysis. Effects of osteoblastic differentiation were measured by alkaline phosphatase (ALP) activity, osteopontin (OPN) protein expression and osteoprotegerin (OPG) mRNA expression in MC3T3-E1 cells. Also, osteoclast differentiation was measured by multinucleated cells (MNCs) formation through tartrate resistance acid phosphatase (TRAP)-positive staining. Bone mineral density (BMD) was measured before and after treatment with EtOAc extract of PTF in prednisolone-induced osteoporotic mice. Dexamethasone (DEX) decreased OPN and OPG expression level in MC3T3-E1 cells and ALP activity was decreased by DEX dose-dependently. EtOAc extract of PTF recovered the levels of ALP activity, and the expression of OPN and OPG in MC3T3-E1 cells treated with DEX. In osteoclast differentiation, multinucleated TRAP-positive cell formation was significantly suppressed by the EtOAc extract of PTF. Total body BMD was restored by EtOAc extract of PTF in prednisolone-induced osteoporotic mice. In conclusion, EtOAc extract of PTF recovered DEX-mediated deteriorations in osteoblastic and osteoclastic functions, and increased BMD in glucocorticoid-induced osteoporosis.
본 연구를 통하여 여주 추출물은 세포 증식을 제외하고는 조골세포에 긍정적인 영향을 미치지 못하였지만 머위 추출물은 세포의 증식, ALP 활성, bone nodule의 형성이 대조군과 비슷한 결과를 나타내거나 높은 경향을 나타냄으로써 조골세포의 골 형성 과정인 증식, 기질의 성숙, 기질의 석회화의 세 단계에서 유효성을 증명하였다. 또한 OPG mRNA의 2배 이상의 증가는 조골세포의 골 형성에 주요 매개 물질로서 가능성이 있음을 밝혔다. 따라서 머위 추출물은 골수의 미세 환경에서 세포의 조절작용을 하는 물질로 여겨지며, 골다공증을 포함한 각종 골 결손 질환의 예방과 치료약 개발에 긍정적인 가능성을 제시할 것이라 사료된다.
P2Y receptors, a type of P2 receptor family, are G-protein coupled receptors and 8 subtypes have been characterized ($P2Y_1$, $P2Y_2$, $P2Y_4$, $P2Y_6$, $P2Y_{11-14}$). Recently, several studies have shed light on the role of P2Y receptors in bone biology. Among them, little is known on the role of $P2Y_6$ receptor on osteoclast differentiation. Thus, we investigated the role of $P2Y_6$ receptor on osteoclastogenesis using $P2Y_6$ receptor selective antagonist, MRS 2578. When osteoblasts and bone marrow cells were co-cultured in the presence of $VitD_3$ and $PGE_2$, $P2Y_6$ antagonist increased the formation of TRAP positive osteoclasts. To elucidate the target cells of $P2Y_6$ antagonist, we first checked the effect of MRS 2578 on osteoblasts. Treatment of MRS 2578 did not affect OPG : RANKL mRNA ratio in osteoblasts. Next, we checked the effects of $P2Y_6$ antagonist on osteoclast precursors using mouse bone marrow macrophages (BMMs). Addition of MRS 2578 increased the number of osteoclasts in RANKL-treated BMMs. Although $P2Y_6$ antagonist had no effect on RANKL-induced NFATc1, c-Fos and MafB expression levels, it significantly stimulated RANKL-induced Blimp1 mRNA expression in BMMs. Taken together, these data indicate that $P2Y_6$ antagonist increases osteoclast formation by upregulation of Blimp1 expression.
Periodontal ligament(PDL) cells have been known as playing an important roles in periodontal regeneration and gingival fibroblasts are also important to periodontal regeneration by forming connective tissue attachment. There were rare studies about the gene expression patterns of PDL cells and gingival fibroblasts, therefore in this study, we tried cDNA microarray-based gene expression monitoring to explain the functional differences of PDL cells and gingival fibroblasts in vivo and to confirm the characteristics of PDL cells. Total RNA were extracted from PDL cells and gingival fibroblasts of same person and same passages, and mRNA were isolated from the total RNA using Oligotex mRNA midi kit(Qiagen) and then fluorescent cDNA probe were prepared. And microarray hybridization were performed. The gene expression patterns of PDL cells and gingival fibroblasts were quite different. About 400 genes were expressed more highly in the PDL cells than gingival fibroblasts and about 300 genes were more highly expressed in the gingival fibroblasts than PDL cells. Compared growth factor- and growth factor receptor-related gene expression patterns of PDL cells with gingival fibroblasts, IGF-2, IGF-2 associated protein, nerve growth factor, placental bone morphogenic protein, neuron-specific growth- associated protein, FGF receptor, EGF receptor-related gene and PDGF receptor were more highly expressed in the PDL cells than gingival fibroblasts. The results of collagen gene expression patterns showed that collagen type I, type III, type VI and type VII were more highly expressed in the PDL cells than gingival fibroblasts, and in the gingival fibroblasts collagen type V, XII were more highly expressed than PDL cells. The results of osteoblast-related gene expression patterns showed that osteoblast specific cysteine-rich protein were more highly expressed in the PDL cells than gingival fibroblasts. The results of cytoskeletal proteins gene expression patterns showed that a-smooth muscle actin, actin binding protein, smooth muscle myosin heavy chain homolog and myosin light chain were more highly expressed in the PDL cells than gingival fibrobalsts, and ${\beta}-actin$, actin-capping protein(${\beta}$ subunit), actin- related protein Arp3(ARP) and myosin class I(myh-1c) were more highly expressed in the gingival fibroblasts than PDL cells. Osteoprotegerin/osteoclastogenesis inhibitory factor(OPG/OCIF) was more highly expressed in the PDL cells than gingival fibroblasts. According to the results of this study, PDL cells and gingival fibroblasts were quite different gene expression patterns though they are the fibroblast which have similar shape. Therefore PDL cells & gingival fibroblasts are heterogeneous populations which represent distinct characteristics. If more studies about genes that were differently expressed in each PDL cells & gingival fibroblasts would be performed in the future, it would be expected that the characteristics of PDL cells would be more clear.
The fibroblasts are the principal cells in the periodontal ligament of peridontium. As the periodontal ligament fibroblasts (PDLF) show similar phenotype with osteoblasts, the PDLF are thought to play an important role in alveolar bone remodeling. Cell-to-cell contacted signaling is crucial for osteoclast formation. Recently it has been reported that PDLJ enhance the bone resorbing activity of osteoclasts differentiated from hematopoietic preosteoclasts. The aims of this study were to $clarify\;^{1)}$ the mechanism of PDLF-induced osteoclastogenesis $and\;^{2)}$ whether we can use preosteoclast cell line instead of primary hematopoietic preosteoclast cells for studying the mechanism of PDLF-induced osteoclastogenesis. Osteoclastic differentiation of mouse macrophage cell line RAW264.7 was compared with that of mouse bone marrow-derived M-CSF dependent cell (MDBM), a well-known hematopoietic preosteoclast model, by examining, 1) osteoclast-specific gene expression such as calcitonin receptor, M-CSF receptor (c-fms), cathepsin K, receptoractivator nuclear factor kappa B (RANK) ,2) generation of TRAP(+) multinucleated cells (MNCs), and 3) generation of resorption pit on the $OAAS^{TM}$ plate. RAW264.7 cultured in the medium containing of soluble osteoclast differentiation Factor (sODF) showed similar phenotype with MDBM-derived osteoclasts, those are mRNA expression pattern of osteoclast-specific genes, TRAP(+) MNCs generation, and bone resorbing abivity. Formation of resorption pits by osteoclastic MNCs differentiated from sODF-treated RAW264.7, was completely blocked by the addition of osteoprotegerin (OPG), a soluble decoy receptor for ODF, to the sODF-containing culture me야um. The effects of PDLF on differentiation of RAW264.7 into the TRAP(+) multinucleated osteoclast-like cells were examined using coculture system. PDLF were fxed with paraformaldehyde, followed by coculture with RAW264.7, which induced formation of TRAP(+) MNCs in the absence of additional treatment of sODF. When compared with untreated and fixed PDLF (fPDLF), IL-1 ${\beta}$-treated, or lipopolysaccha-ride-treated and then fixed PDLF showed two-folld increase in the supporting activity of osteoclastogenesis from RAW264.7 coculture system. There were no TRAP(+) MNCs formation in coculture system of RAW264.7 with PDLF of no fixation. These findigs suggested that we can replace the primary hematopoietic preosteoclasts for RAW264. 7 cell line for studying the mechanism of PDLF-induced osteoclastogenesis, and we hypothesize that PDLF control osteoclastogenesis through ODF expression which might be enhanced by inflammatory signals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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