As the periodontal ligament cells show similar phenotype with osteoblasts, periodontal ligament cells are thought to play an important role in alveolar bone remodeling. According to recent studies, receptor activation of nuclear factor $^{\kappa}B$ ligand (RANKL) and osteoprotegerin (OPG) are expressed in periodontal ligament cells during tooth movement. Also periodontal ligament cells is known to play an important role in the progression of periodontal disease. This study was designed how the expression of RANKL and OPG in periodontal ligament cells was regulated by IL-1 ${\beta}in$ the concentration of $0.01{\sim}10$ ng/ml. The results are as follows; 1. Periodontal ligament cells which stimulated by 1L-1 ${\beta}$ increased soluble RANKL synthesis by dose-dependent pattern in the concentration of $0.01{\sim}10$ ng/ml. 2. 1L-1 ${\beta}$ induced mRANKL expression in dose-dependent manner in the concentration of $0.01{\sim}5$ ng/ml. 3. mOPG expression was not to be influenced by 1L-1 ${\beta}$. These results suggested that rat periodontal ligament cells could regulate osteoclastogenesis by stimulation of production of RANKL.
We explored the effects of dexamethasone on osteoclast precursors using BMMs. Dexamethasone inhibited the proliferation of BMMs. Furthermore, it stimulated the osteoclast formation via NFATc1 activation in the presence of RANKL. Since dexamethasone targeted the early stage of osteoclast formation, we investigated its effect on mRNA expression of GR and $IFN-{\beta}$. Whereas dexamethasone had no effects on GR expression in the presence of RANKL, it reduced the expression of $IFN-{\beta}$, suggesting that dexamethasone increased RANKL-induced osteoclast formation by modulating $IFN-{\beta}$.
Xylitol is a sugar alcohol with a variety of functions including bactericidal and anticariogenic effects. However, the cellular mechanisms underlying the role of xylitol in bone metabolism are not yet clarified. In our present study, we exploited the physiological role of xylitol on osteoclast differentiation in a co-culture system of osteoblastic and RAW 264.7 cells. Xylitol treatment of these co-cultures reduced the number of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP)-positive multinucleated cells induced by 10 nM $1{\alpha},25(OH)_2D_3$ in a dose-dependent manner. A cell viability test revealed no marked cellular damage by up to 100 mM of xylitol. Exposure of osteoblastic cells to xylitol decreased RANKL, but not OPG, mRNA expression in the presence of $10^{-8}M$$1{\alpha},25(OH)_2D_3$ in a dose-dependent manner. Furthermore, bone resorption activity, assessed on bone slices in the coculture system, was found to be dramatically decreased with increasing xylitol concentrations. RANKL and OPG proteins were assayed by ELISA and the soluble RANKL (sRANKL) concentration was decreased with an increased xylitol concentration. In contrast, OPG was unaltered by any xylitol concentration in this assay. These results indicate that xylitol inhibits $1{\alpha},25(OH)_2D_3$-induced osteoclastogenesis by reducing the sRANKL/OPG expression ratio in osteoblastic cells.
Choi, YunJeong;Yoo, Ji Hyun;Lee, Youngkyun;Bae, Moon Kyoung;Kim, Hyung Joon
Molecules and Cells
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제42권2호
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pp.183-188
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2019
Osteoarthritis (OA) is a naturally occurring, irreversible disorder and a major health burden. The disease is multifactorial, involving both physiological and mechanical processes, but calcium crystals have been associated intimately with its pathogenesis. This study tested the hypothesis that these crystals have a detrimental effect on the differentiation of osteoclasts and bone homeostasis. This study employed an osteoblastosteoclast coculture system that resembles in vivo osteoblastdependent osteoclast differentiation along with $Ca^{2+}$-phosphate-coated culture dishes. The calcium-containing crystals upregulated the expression of RANKL and increased the differentiation of osteoclasts significantly as a result. On the other hand, osteoblast differentiation was unaffected. MicroRNA profiling showed that dual-specificity phosphatases 1 (DUSP1) was associated with the increased RANKL expression. DUSP1 belongs to a family of MAPK phosphatases and is known to inactivate all three groups of MAPKs, p38, JNK, and ERK. Furthermore, knockdown of DUSP1 gene expression suggested that RANKL expression increases significantly in the absence of DUSP1 regulation. Microarray analysis of the DUSP1 mRNA levels in patients with pathological bone diseases also showed that the downregulated DUSP1 expression leads to increased expression of RANKL and consequently to the destruction of the bone observed in these patients. These findings suggest that calcium-containing crystals may play a crucial role in promoting RANKL-induced osteoclastogenesis via DUSP1.
Objectives The main purpose of this study was to evaluate the bone healing effect of Pahyeolsandong-tang (PHT)(Poxiesanteng-tang) extract in tibia fracture-induced mice. Methods PHT was extracted using a solution of 35% ethanol in 60℃ for 8 hours. Mice were randomly divided into 4 groups (normal, control, PHT 50 and PHT 100). Mice of experimental groups were medicated with PHT 50 or 100 mg/kg for 7 to 21 days. To clarify the effect of bone fracture healing, relative messenger RNA (mRNA) expressions of osteocalcin (OCN), runt-related transcription factor 2 (Runx2), osterix (OSX), Sox9, collagen type II alpha 1 chain (Col2a1), receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG) were examined. Results In in vitro experiment, relative mRNA expression of OCN, Runx2, Col2a1 was significantly increased in PHT treated group to compare with control differentiation group. In in vivo experiment, relative mRNA expression of OCN, Runx2, OSX, Sox9, Col2a1, RANKL, OPG was significantly increased in PHT treated group. Conclusions This study showed that PHT accelerates bone fracture healing through the activation of osteoclasts and osteoblasts. It was showed that PHT significantly promotes osteoblasts differentiation by osteoblast differentiation markers such as OCN, Runx2, Col1a2. Also it was investigated that PHT had stimulatory effect on osteoblasts function through enhancing OCN, Runx2, OSX, Sox9, Col2a1 and, osteoclasts function through enhancing RANKL and OPG markers. PHT effectively promotes bone fracture healing process through activation of osteoblasts and osteoclasts.
Osteocytes may function as mechanotransducers by regulating local osteoclastogenesis. Reduced availability of oxygen, i.e. hypoxia, could occur during disuse, bone development, and fracture. Receptor activator of nuclear factor-${\kappa}B$ ligand (RANKL) is an osteoblast/stromal cell derived essential factor for osteoclastogenesis. The hypoxia induced osteoclastogenesis via increased RANKL expression in osteoblasts was demonstrated. Hypoxic regulation of gene expression generally involves activation of the hypoxia-inducible factor (HIF) transcription pathway. In the present study, we investigated whether hypoxia regulates RANKL expression in murine osteocytes and HIF-$1{\alpha}$ mediates hypoxia-induced RANKL expression by transactivating RANKL promoter, to elucidate the role of osteocyte in osteoclastogenesis in the context of hypoxic condition. The expression levels of RANKL mRNA and protein, as well as hypoxia inducible factor-$1{\alpha}$ (HIF-$1{\alpha}$) protein, were significantly increased in hypoxic condition in MLO-Y4s. Constitutively active HIF-$1{\alpha}$ alone significantly increased the levels of RANKL expression in MLO-Y4s under normoxic conditions, whereas dominant negative HIF-$1{\alpha}$ blocked hypoxia-induced RANKL expression. To further explore to find if HIF-$1{\alpha}$ directly regulates RANKL transcription, a luciferase reporter assay was conducted. Hypoxia significantly increased RANKL promoter activity, whereas mutations of putative HIF-$1{\alpha}$ binding elements in RANKL promoter prevented this hypoxia-induced RANKL promoter activity in MLO-Y4s. These results suggest that HIF-$1{\alpha}$ mediates hypoxia-induced up-regulation of RANKL expression, and that in osteocytes of mechanically unloaded bone, hypoxia enhances osteoclastogenesis, at least in part, via an increased RANKL expression in osteocytes.
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.
Receptor activator of nuclear factor-${\kappa}B$ ligand (RANKL) is an osteoblast/stromal cell-derived essential factor for osteoclastogenesis. During endochondral bone formation, hypertrophic chondrocytes calcify cartilage matrix that is subsequently resorbed by osteoclasts in order to be replaced by new bone. Hypoxia-induced upregulation of RANKL expression has been previously demonstrated in an in vitro system using osteoblasts; however, the involved mechanism remains unclear in chondrocytes. In the present study, we investigated whether hypoxia regulates RANKL expression in ATDC5 cells, a murine chondrogenic cell line, and hypoxia-inducible factor-$1{\alpha}$ (HIF-$1{\alpha}$) mediates hypoxia-induced RANKL expression by transactivating the RANKL promoter. The expression levels of RANKL mRNA and protein, as well as HIF-$1{\alpha}$ protein, were significantly increased in ATDC5 cells under hypoxic condition. Constitutively active HIF-$1{\alpha}$ alone significantly increased the levels of RANKL expression under normoxic conditions, whereas dominant negative HIF-$1{\alpha}$ reduced hypoxia-induced RANKL expression. HIF-$1{\alpha}$ increased RANKL promoter reporter activity in a HIF-$1{\alpha}$ binding element-dependent manner in ATDC5 cells. Hypoxia-induced RANKL levels were much higher in differentiated ATDC5 cells, as compared to proliferating ATDC5 cells. These results suggested that under hypoxic conditions, HIF-$1{\alpha}$ mediates induction of RANKL expression in chondrocytes; in addition, hypoxia plays a role in osteoclastogenesis during endochondral bone formation, at least in part, through the induction of RANKL expression in hypertrophic chondrocytes.
Curcumin (diferuloylmethane), a pigment derived from turmeric, has anti-oxidant and anti-inflammatory activities. Accumulating evidence points to a biochemical link between increased oxidative stress and reduced bone density. Osteoclast formation was evaluated in co-cultures of bone marrow stromal cells (BMSC) and whole bone marrow cells (BMC). Expression of receptor activator of nuclear factor-${\kappa}B$ ligand (RANKL) was analyzed at the mRNA and protein levels. Exposure to curcumin led to dose-dependent suppression of osteoclastogenesis in the co-culture system, and to reduced expression of RANKL in $IL-1{\alpha}$-stimulated BMSCs. Addition of RANKL abolished the inhibition of osteoclastogenesis by curcumin, whereas the addition of prostaglandin $E_2$ ($PGE_2$) did not. The decreased osteoclastogenesis induced by curcumin may reduce bone loss and be of potential benefit in preventing and/or attenuating osteoporosis.
Bone is a dynamic tissue that is regulated by the balance between bone-resorbing osteoclasts and bone-forming osteoblasts. Curcumin isolated from Kang-hwang (Turmeric) is widely used as a foodstuff, cosmetic, and medicine. However, the effect of curcumin isolated from Kang-hwang in osteoclast differentiation remains unknown. In this study, we sought to examine the role of curcumin in osteoclast differentiation. Here we show that curcumin greatly inhibited RANKL-mediated osteoclast differentiation in osteoclast precursors without cytotoxicity. RANKL induced the phosphorylation of p38 and JNK mitogen-activated protein kinase (MAPK) and mediated $I-{\kappa}B$ degradation in bone marrow macrophages (BMMs). However, RANKL-mediated p38 MAPK phosphorylation was inhibited by the addition of curcumin. Curcumin inhibited the mRNA expression of TRAP, c-Fos, and NFATc1 in BMMs treated with RANKL. Furthermore, the protein expression of c-Fos and NFATc1 induced by RANKL was suppressed by curcumin treatment. Taken together, our results suggest that curcumin may have a potential therapeutic role in bone-related diseases such as osteoporosis by inhibiting osteoclast differentiation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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