Park, Jung Hoe;Kwon, Ki-Tak;Park, Byung Keon;Lee, Young-Hoon
International Journal of Oral Biology
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v.40
no.1
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pp.1-9
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2015
Osteocalcin (OC) is the most abundant noncollagenous protein of extracellular matrix in the bone. In an OC deficient mouse, bone formation rates are increased in cancellous and cortical bones. OC is known as a negative regulator of mineral apposition. OC is also expressed in the tooth of the rat, bovine, and human. However, little is known about OC during tooth development in Xenopus. The purpose of this study is to compare the expression of OC with mineralization in the developing tooth of Xenopus, by using von Kossa staining and in situ hybridization. At stage 56, the developmental stage of tooth germ corresponds to the cap stage, and an acellular zone was apparent between the dental papilla and the enamel organ. From stage 57, calcium deposition was revealed by von Kossa staining prior to OC expression, and the differentiated odontoblasts forming predentin were located at adjoining predentin. At stage 58, OC transcripts were detected in the differentiated odontoblasts. At stage 66, OC mRNA was expressed in the odontoblasts, which was aligned in a single layer at the periphery of the pulp. These findings suggest that OC may play a role in mineralization and odontogenesis of tooth development in Xenopus.
Background & Objective : Uncaria rhynchophylla is traditional medicine herb used for enhancing body resistance against various diseases. The aim of this study was to identify if Uncaria rhynchophylla extracts induce osteogenic activity in human osteoblast-like SaOS-2 cells. Methods : The osteogenic activity of Uncaria rhynchophylla was evaluated on cell proliferation assay by WST-8, and osteoblast-specific genes, such as VEGF, type I collagen (Col I), osteocalcin (OCN), and osteopontin (OPN) by RT-PCR analysis and ELISA assay in osteoblasts-like SaOS-2 cells. Bone mineralization was stained with Alizalin red method. Results : Uncaria rhynchophylla had significantly increased cell proliferation at a dose dependent manner in human osteoblast-like SaOS-2 cells. Uncaria rhynchophylla markedly increased alkaline phosphatase (ALP), vascular endothelial growth factor (VEGF) mRNA expression at 7 days and dose dependently increased ALP activity and VEGF secretion in human osteoblast-like SaOS-2 cells. Also, Uncaria rhynchophylla time-dependently increased type I collagen (Col I), osteopontin (OPN), and osteocalcin (OCN) mRNA in SaOS-2 cells. Extracellular accumulation of proteins such as Col I and OCN was maximal increased by Uncaria rhynchophylla at 10 ${\mu}g/ml$. Also, Uncaria rhynchophylla significantly induced mineralization in the culture of SaOS-2 cells. Conclusion : This study showed that Uncaria rhynchophylla had enhanced proliferation, ALP activity, VEGF, bone matrix proteins such as OCN, OPN, and Col I, and mineralization in SaOS-2 cells. These results propose that Uncaria rhynchophylla can play an important role in osteoblastic bone formation, osteogenesis, and may possibly lead to the development of bone-forming drugs.
Cho Young-Eon;Lomeda Ria-Ann R.;Kim Yang-Ha;Ryu Sang-Hoon;Choi Je-Yong;Kim Hyo-Jin;Beattie John H.;Kwun In-Sook
Nutritional Sciences
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v.8
no.4
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pp.242-249
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2005
It is well established that zinc plays an important role in bone metabolism and mineralization. The role of zinc in bone formation is well documented in animal models, but not much reported in cell models. In the present study, we evaluated zinc deficiency effects on osteoblastic cell proliferation, alkaline phosphatase activity and expression, and extracellular matrix bone nodule formation and bone-related gene expression in osteoblastic MC3T3-E1 cells. To deplete cellular zinc, chelexed-FBS and interpermeable zinc chelator TPEN were used. MC3T3-E1 cells were cultured in zinc concentration-dependent (0-15 ${\mu}M\;ZnCl_2$) and time-dependent (0-20 days) manners. MC3T3-E1 cell proliferation by MTT assay was increased as medium zinc level increased (p<0.05). Cellular Ca level and alkaline phosphatase activity were increased as medium zinc level increased (p<0.05). Alkaline phosphatase expression, a marker of commitment to the osteoblast lineage, measured by alkaline phosphatase staining was increased as medium zinc level increased. Extracellular calcium deposits measured by von Kossa staining for nodule formation also appeared higher in Zn+(15 ${\mu}M\;ZnCl_2$) than in Zn-(0 ${\mu}M\;ZnCl_2$). Bone formation marker genes, alkaline phosphatase and osteocalcin, were also expressed higher in Zn+ than in Zn-. The current work supports the beneficial effect of zinc on bone mineralization and bone-related gene expression. The results also promote further study as to the molecular mechanism of zinc deficiency for bone formation and thus facilitate to design preventive strategies for zinc-deficient bone diseases.
Tumor necrosis $factor-{\alpha}\;(TNF-{\alpha})$ has been implicated in skeletal diseases by promoting bone loss in inflammatory bone diseases. In the present study, we examined the effects of $TNF-{\alpha}$ on osteoblastic differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMSCs). $TNF-{\alpha}$ dose-dependently promoted matrix mineralization of hBMSCs with a maximal stimulation at 2ng/ml. $TNF-{\alpha}$ increased expression of alkaline phosphatase, which plays a crucial role for the matrix deposition. The $TNF-{\alpha}-stimulated$ osteoblastic differentiation was not affected by $NF_kB$ inhibitors, BAY and SN50. However, a JNK-specific inhibitor, SP600125 completely abolished the $TNF-{\alpha}-stimulated$ matrix mineralization and expression of alkaline phosphatase. These results suggest that $TNF-{\alpha}$ enhances osteoblastic differentiation of hBMSCs through JNK-dependent pathway.
In the process of bone remodeling, mineral phase of bone is dissolved by osteoclasts, resulting in elevation of calcium concentration in micro-environment. This study was performed to explore the effect of high extracellular calcium ($Ca{^{2+}}_e$) on mineralized nodule formation and on the expression of progressive ankylosis (Ank), plasma cell membrane glycoprotein-1 (PC-1) and osteopontin by primary cultured mouse calvarial cells. Osteoblastic differentiation and mineralized nodule formation was induced by culture of mouse calvarial cells in osteoblast differentiation medium containing ascorbic acid and ${\beta}$-glycerophosphate. Although Ank, PC-1 and osteopontin are well known inhibitors of mineralization, expression of these genes were induced at the later stage of osteoblast differentiation during when expression of osteocalcin, a late marker gene of osteoblast differentiation, was induced and mineralization was actively progressing. High $Ca{^{2+}}_e$(10 mM) treatment highly enhanced mRNA expression of Ank, PC-1 and osteopontin in the late stage of osteoblast differentiation but not in the early stage. Inhibition of p44/42 MAPK activation but not that of protein kinase C suppressed high $Ca{^{2+}}_{e^-}$induced expression of Ank, PC-1 and osteopontin. When high $Ca{^{2+}}_e$(5 mM or 10 mM) was present in culture medium during when mineral deposition was actively progressing, matrix calcifiation was significantly increased by high $Ca{^{2+}}_e$. This stimulatory effect was abolished by pyrophosphate (5 mM) or levamisole (0.1-0.5 mM), an alkaline phosphatase inhibitor. In addition, probenecid (2mM), an inhibitor of Ank, suppressed matrix calcification in both control and high $Ca{^{2+}}_{e^-}$treated group, suggesting the possible role of Ank in matrix calcification by osteoblasts. Taken together, these results showed that high $Ca{^{2+}}_e$ stimulates expression of Ank, PC-1 and osteopontin as well as matrix calcification in late differentiation stage of osteoblasts and that p44/42 MAPK activation is involved in high $Ca{^{2+}}_{e^-}$induced expression of Ank, PC-1 and osteopontin.
During bone remodeling, there is requirement of differentiation of osteoblastic cells. Previously, we identified proteins differentially expressed in soft tissue during bone healing. Of these proteins, we focused the effect of LTF on differentiation of osteoblast. In order to analyze the osteogenic ability of LTF, we treated conditioned media collected from human LTF-stably transfected HEK293T cells into osteoblastic MC3T3-E1. The results showed that the activity and expression of alkaline phosphatase were increased in MC3T3-E1 cells treated with conditioned media containing LTF in dose- and time-dependent manner. At the same time, we observed the significant increase of the expression of osteoblastic genes, such as ALP, BSP, COL1A1, and OCN, and along with matrix mineralization genes, such as DMP1 and DMP2, in LTF conditioned media-treated groups. Moreover, the result of treating recombinant human LTF directly into osteoblastic MC3T3-E1 showed the same pattern of treating conditioned media containing LTF. Our study demonstrated that LTF constitutively enhances osteoblastic differentiation via induction of osteoblastic genes and activation of matrix mineralization in MC3T3-E1 cells.
Purpose: Under different culture conditions, periodontal ligament (PDL) stem cells are capable of differentiating into cementoblast-like cells, adipocytes, and collagen-forming cells. Several previous studies reported that because of the stem cells in the PDL, the PDL have a regenerative capacity which, when appropriately triggered, participates in restoring connective tissues and mineralized tissues. Therefore, this study analyzed the genes involved in mineralization during differentiation of human PDL (hPDL) cells, and searched for candidate genes possibly associated with the mineralization of hPDL cells. Methods: To analyze the gene expression pattern of hPDL cells during differentiation, the hPDL cells were cultured in two conditions, with or without osteogenic cocktails (${\beta}$-glycerophosphate, ascorbic acid and dexamethasone), and a DNA microarray analysis of the cells cultured on days 7 and 14 was performed. Reverse transcription-polymerase chain reaction was performed to validate the DNA microarray data. Results: The up-regulated genes on day 7 by hPDL cells cultured in osteogenic medium were thought to be associated with calcium/iron/metal ion binding or homeostasis (PDE1A, HFE and PCDH9) and cell viability (PCDH9), and the down-regulated genes were thought to be associated with proliferation (PHGDH and PSAT1). Also, the up-regulated genes on day 14 by hPDL cells cultured in osteogenic medium were thought to be associated with apoptosis, angiogenesis (ANGPTL4 and FOXO1A), and adipogenesis (ANGPTL4 and SEC14L2), and the down-regulated genes were thought to be associated with cell migration (SLC16A4). Conclusions: This study suggests that when appropriately triggered, the stem cells in the hPDL differentiate into osteoblasts/cementoblasts, and the genes related to calcium binding (PDE1A and PCDH9), which were strongly expressed at the stage of matrix maturation, may be associated with differentiation of the hPDL cells into osteoblasts/cementoblasts.
Kim, Jung-Ha;Yoo, Hong-Il;Oh, Min-Hee;Yang, So-Young;Kim, Min-Seok;Kim, Sun-Hun
International Journal of Oral Biology
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v.37
no.2
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pp.51-56
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2012
Tooth development involves bud, cap, bell and hard tissue formation stages, each of which is tightly controlled by regulatory molecules. The aim of this study was to identify genes that are differentially expressed during dental hard tissue differentiation. Sprague-Dawley rats at postnatal days 3, 6 and 9 were used in the analysis. Differential display RT-PCR (DD-PCR) was used to screen differentially expressed genes between the 2nd (root formation stage, during mineralization) and 3rd (cap stage, before mineralization) molar germs at postnatal day 9. The DNA detected in the 2nd molar germs showed homology to osteonectin only (GenBank accession no. NM_012656.1). The level of osteonectin mRNA expression was much higher in the 2nd molar germs than in the 3rd molar germs and was found to increase in a time-dependent manner from the early bell stage to the root formation stage in the 2nd molar germs. The pattern of osteonectin protein expression was consistent with these RT-PCR results. Osteonectin protein was found by immunofluorescent analysis to localize in odontoblasts and preodontoblasts rather than the dentin matrix itself. Further studies are needed to validate the involvement of osteonectin in mineralization and root formation.
Kim, Jeongsun;Cho, Seon-Ho;Park, Jong-Tae;Yu, Sun-Kyoung;Kim, Su-Gwan;Kim, Do Kyung
International Journal of Oral Biology
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v.39
no.2
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pp.121-128
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2014
Sambucus sieboldiana (SS) is a member of the family Caprifoliaceae and has been recommended as a functional material because of its several bioactivities. Although numerous literatures are available on the pharmacological and biological activities, the biological activity of SS in bone regeneration process has not yet been well-defined. Therefore, in this study, the effect of SS was investigated in the proliferation and differentiation of MC3T3-E1 osteoblastic cell line. The treatment of SS did not significantly affect the cell proliferation in MC3T3-E1 cells. SS significantly accelerated the mineralization and significantly increased the expression of alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin (OC) mRNAs, compared to the control, in the differentiation of MC3T3-E1 cells. SS significantly accelerated the decrease of osteonectin (ON) mRNA expression as compared with the control in a time-dependent manner in the differentiation of MC3T3-E1 cells. These results suggest that the SS facilitate the osteoblast differentiation and mineralization in MC3T3-E1 osteoblastic cells. Therefore, there may be potential properties for development and clinical application of bone regeneration materials.
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