Purpose: Periodontal ligament (PDL) cell differentiation into osteoblasts is important in bone formation. Bone formation is a complex biological process and involves several tightly regulated gene expression patterns of bone-related proteins. The expression patterns of bone related proteins are regulated in a temporal manner both in vivo and in vitro. The aim of this study was to observe the gene expression profile in PDL cell proliferation, differentiation, and mineralization in vitro. Methods: PDL cells were grown until confluence, which were then designated as day 0, and nodule formation was induced by the addition of 50 ${\mu}g$/mL ascorbic acid, 10 mM ${\beta}$-glycerophosphate, and 100 nM dexamethasone to the medium. The dishes were stained with Alizarin Red S on days 1, 7, 14, and 21. Real-time polymerase chain reaction was performed for the detection of various genes on days 0, 1, 7, 14, and 21. Results: On day 0 with a confluent monolayer, in the active proliferative stage, c-myc gene expression was observed at its maximal level. On day 7 with a multilayer, alkaline phosphatase, bone morphogenetic protein (BMP)-2, and BMP-4 gene expression had increased and this was followed by maximal expression of osteocalcin on day 14 with the initiation of nodule mineralization. In relationship to apoptosis, c-fos gene expression peaked on day 21 and was characterized by the post-mineralization stage. Here, various genes were regulated in a temporal manner during PDL fibroblast proliferation, extracellular matrix maturation, and mineralization. The gene expression pattern was similar. Conclusions: We can speculate that the gene expression pattern occurs during PDL cell proliferation, differentiation, and mineralization. On the basis of these results, it might be possible to understand the various factors that influence PDL cell proliferation, extracellular matrix maturation, and mineralization with regard to gene expression patterns.
Chromatin is an intelligent building block that can express either external or internal needs through structural changes. To date, three methods to change chromatin structure and regulate gene expression have been well-documented: histone modification, histone exchange, and ATP-dependent chromatin remodeling. Recently, a growing body of literature has suggested that histone tail cleavage is related to various cellular processes including stem cell differentiation, osteoclast differentiation, granulocyte differentiation, mammary gland differentiation, viral infection, aging, and yeast sporulation. Although the underlying mechanisms suggesting how histone cleavage affects gene expression in view of chromatin structure are only beginning to be understood, it is clear that this process is a novel transcriptional epigenetic mechanism involving chromatin dynamics. In this review, we describe the functional properties of the known histone tail cleavage with its proteolytic enzymes, discuss how histone cleavage impacts gene expression, and present future directions for this area of study.
Purpose: Runx2 (runt-related transcription factor 2), a bone-specific transcription factor, is a key regulator of osteoblast differentiation and its expression is induced by the activation of BMP-2 signaling. This study examined whether zinc modulates BMP-2 signaling and therefore stimulates Runx2 and osteoblast differentiation gene expression. Methods: Two osteoblastic MC3T3-E1 cell lines (subclones 4 as a high osteoblast differentiation and subclone 24 as a low osteoblastic differentiation) were cultured in an osteogenic medium (OSM) as the normal control, Zn-($1{\mu}M$ Zn) or Zn+($15{\mu}M$ Zn) for 24 h. The genes and proteins for BMP-2 signaling (BMP-2, Smad-1/p-Smad-1), transcription factors (Runx2, osterix), and osteoblast differentiation marker proteins were assessed. Results: In both cell lines, BMP-2 mRAN and protein expression and extracellular BMP-2 secretion all decreased in Zn-. The expression of Smad-1 (downstream regulator of BMP-2 signaling) and p-Smad-1 (phosphorylated Smad-1) also downregulated in Zn-. Furthermore, the expression of the bone-specific transcription factors, Runx2 and osterix, decreased in Zn-, which might be due to the decreased BMP-2 expression and Smad-1 activation (p-Smad-1) by Zn-, because Runx2 and osterix both are downstream in BMP-2 signaling. Bone marker gene expression, such as alkaline phosphatase (ALP), collagen type I (COLI), osteocalcin, and osteopontin were also downregulated in Zn-. Conclusion: The results suggest that a zinc deficiency in osteoblasts suppresses the BMP-2 signaling pathway via the suppression of Smad-1 activation, and this suppressed BMP-2 signaling can cause poor osteoblast differentiation.
Dlx3 and Dlx5 are homeobox domain proteins and are well-known regulators of osteoblastic differentiation. Since possible reciprocal relationships between osteogenic and adipogenic differentiation in mesenchymal stem cells exist, we examined the regulatory role of Dlx3 and Dlx5 on adipogenic differentiation using human dental pulp stem cells. Over-expression of Dlx3 and Dlx5 stimulated osteogenic differentiation but inhibited adipogenic differentiation of human dental pulp stem cells. Dlx3 and Dlx5 suppressed the expression of adipogenic marker genes such as $C/EBP{\alpha}$, $PPAR{\gamma}$, aP2 and lipoprotein lipase. Adipogenic stimuli suppressed the mRNA levels of Dlx3 and Dlx5, whereas osteogenic stimuli enhanced the expression of Dlx3 and Dlx5 in 3T3-L1 preadipocytes. These results suggest that Dlx3 and Dlx5 exert a stimulatory effect on osteogenic differentiation of stem cells through the inhibition of adipogenic differentiation as well as direct stimulation.
Kang, Joo Ae;Kang, Hyun Sup;Bae, Kwang-Hee;Lee, Sang Chul;Oh, Kyoung-Jin;Kim, Won Kon
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제30권2호
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pp.306-312
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2020
Despite the importance of brown adipocytes as a therapeutic target for the prevention and treatment of obesity, the molecular mechanism underlying brown adipocyte differentiation is not fully understood. In particular, the role of post-translational modifications in brown adipocyte differentiation has not been extensively studied. Histidine phosphorylation is increasingly recognized an important process for protein post-translational modifications. In this study, we show that histidine phosphorylation patterns change during brown adipocyte differentiation. In addition, the expression level of protein histidine phosphatase 1 (PHPT1), a major mammalian phosphohistidine phosphatase, is reduced rapidly at the early phase of differentiation and recovers at the later phase. During white adipocyte differentiation of 3T3-L1 preadipocytes, however, the expression level of PHPT1 do not significantly change. Knockdown of PHPT1 promotes brown adipocyte differentiation, whereas ectopic expression of PHPT1 suppresses brown adipocyte differentiation. These results collectively suggest that histidine phosphorylation is closely linked to brown adipocyte differentiation and could be a therapeutic target for obesity and related metabolic diseases.
Objectives: The aim of this study was to investigate the expression of 7 different sirtuin genes (SIRT1-SIRT7) in human dental pulp cells (HDPCs), and to determine the role of SIRTs in the odontoblastic differentiation potential of HDPCs. Materials and Methods: HDPCs were isolated from freshly extracted third molar teeth of healthy patients and cultulred in odontoblastic differentiation inducing media. Osteocalcin (OCN) and dentin sialophosphoprotein (DSPP) expression was analyzed to evaluate the odontoblastic differentiation of HDPCs by reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR), while alizarin red staining was used for the mineralization assay. To investigate the expression of SIRTs during odontoblastic differentiation of HDPCs, real time PCR was also performed with RT-PCR. Results: During the culture of HDPCs in the differentiation inducing media, OCN, and DSPP mRNA expressions were increased. Mineralized nodule formation was also increased in the 14 days culture. All seven SIRT genes were expressed during the odontogenic induction period. SIRT4 expression was increased in a time-dependent manner. Conclusions: Our study identified the expression of seven different SIRT genes in HDPCs, and revealed that SIRT4 could exert an influence on the odontoblast differentiation process. Further studies are needed to determine the effects of other SIRTs on the odontogenic potential of HDPCs.
Deumaya Shrestha;Eunbin Kim;Krishna K. Shrestha;Sung-Suk Suh;Sung-Hak Kim;Jong Bae Seo
Journal of Animal Science and Technology
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제66권1호
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pp.204-218
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2024
Elsholtzia fruticosa (EF) is present in tropical regions throughout South Asian countries as well as the Himalayas. Although it has been used as a traditional medicine to treat digestive, respiratory, and inflammatory issues, its effect on preadipocyte differentiation is unknown. In this study, we examined the effects of a methanol extract prepared from EF on the differentiation of 3T3-L1 preadipocytes. Cell differentiation was assessed by microscopic observation and oil-red O staining. The expression of adipogenic and lipogenic genes, including PPARγ and C/EBPα, was measured by western blot analysis and quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR), to provide insight into adipogenesis and lipogenesis mechanisms. The results indicated that EF promotes the differentiation of 3T3-L1 preadipocytes, with elevated lipid accumulation occurring in a concentration-dependent manner without apparent cytotoxicity. EF enhances the expression of adipogenic and lipogenic genes, including PPARγ, FABP4, adiponectin, and FAS, at the mRNA and protein levels. The effect of EF was more pronounced during the early and middle stages of 3T3-L1 cell differentiation. Treatment with EF decreased C/EBP homologous protein (CHOP) mRNA and protein levels, while increasing C/EBPα and PPARγ expression. Treatment with EF resulted in the upregulation of cyclin E and CDK2 gene expression within 24 h, followed by a decrease at 48 h, demonstrating the early-stage impact of EF. A concomitant increase in cyclin-D1 levels was observed compared with untreated cells, indicating that EF modulates lipogenic and adipogenic genes through intricate mechanisms involving CHOP and cell cycle pathways. In summary, EF induces the differentiation of 3T3-L1 preadipocytes by increasing the expression of adipogenic and lipogenic genes, possibly through CHOP and cell cycle-dependent mechanisms.
Suppression of bone morphogenetic protein (BMP) signaling induces neural induction in the ectoderm of developing embryos. BMP signaling inhibits neural induction via the expression of various neural suppressors. Previous research has demonstrated that the ectopic expression of dominant negative BMP receptors (DNBR) reduces the expression of target genes down-stream of BMP and leads to neural induction. Additionally, gain-of-function experiments have shown that BMP downstream target genes such as MSX1, GATA1b and Vent are involved in the suppression of neural induction. For example, the Vent1/2 genes are involved in the suppression of Geminin and Sox3 expression in the neural ectodermal region of embryos. In this paper, we investigated whether PV.1, a BMP downstream target gene, negatively regulates the expression of FoxD5b, which plays a role in maintaining a neural progenitor population. A promoter assay and a cyclohexamide experiment demonstrated that PV.1 negatively regulates FoxD5b expression.
MicroRNAs are potential key regulators in mesenchymal stem cells chondrogenic differentiation. However, there were few reports about the accurate effects of miRNAs on chondrogenic differentiation. To investigate the mechanisms of miRNAs-mediated regulation during the process, we performed miRNAs microarray in MSCs at four different stages of TGF-${\beta}3$-induced chondrogenic differentiation. We observed that eight miRNAs were significantly up-regulated and five miRNAs were downregulated. Interestingly, we found two miRNAs clusters, miR-143/145 and miR-132/212, kept on down-regulation in the process. Using bioinformatics approaches, we analyzed the target genes of these differentially expressed miRNAs and found a series of them correlated with the process of chondrogenesis. Furthermore, the qPCR results showed that the up-regulated (or down-regulated) expression of miRNAs were inversely associated with the expression of predicted target genes. Our results first revealed the expression profiles of miRNAs in chondrogenic differentiation of MSCs and provided a new insight on complicated regulation mechanisms of chondrogenesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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