Tuan Anh Vuong;Yan Zhang;June Kim;Young-Eun Leem;Jong-Sun Kang
BMB Reports
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제57권7호
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pp.330-335
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2024
Arginine methylation, which is catalyzed by protein arginine methyltransferases (Prmts), is known to play a key role in various biological processes. However, the function of Prmts in osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) has not been clearly understood. In the current study, we attempted to elucidate a positive role of Prmt7 in osteogenic differentiation. Prmt7-depleted C3H/10T1/2 cells or bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) showed the attenuated expression of osteogenic specific genes and Alizarin red staining compared to the wild-type cells. Furthermore, we found that Prmt7 deficiency reduced the activation of bone morphogenetic protein (BMP) signaling cascade, which is essential for the regulation of cell fate commitment and osteogenesis. Taken together, our data indicate that Prmt7 plays important regulatory roles in osteogenic differentiation.
Fat mass and obesity-associated (FTO) gene helps to regulate energy homeostasis in mammals by controlling energy expenditure. In addition, FTO functions in the regulation of obesity and adipogenic differentiation; however, a role in osteogenic differentiation is unknown. This study investigated the effects of FTO on osteogenic differentiation of C3H10T1/2 cells and the underlying mechanism. Expression of osteogenic and endoplasmic reticulum (ER) stress markers were characterized by reverse-transcriptase polymerase chain reaction and western blotting. Alkaline phosphatase (ALP) staining was performed to assess ALP activity. BMP2 treatment increased mRNA expression of osteogenic genes and FTO. Overexpression of FTO increased expression of the osteogenic genes distal-less homeobox5 (Dlx5) and runt-related transcription factor 2 (Runx2). Activation of adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) increased FTO expression, and there was a positive feedback loop between FTO and p-AMPK. p-AMPK and FTO induced mild ER stress; however, tunicamycin-induced severe ER stress suppressed FTO expression and AMPK activation. In summary, FTO induces osteogenic differentiation of C3H10T1/2 cells upon BMP2 treatment by inducing mild ER stress via a positive feedback loop with p-AMPK. FTO expression and AMPK activation induce mild ER stress. By contrast, severe ER stress inhibits osteogenic differentiation by suppressing FTO expression and AMPK activation.
Recent in vitro and in vivo animal studies have reported that statin, a cholesterol-lowering drug, stimulate osteogenic differentiation. In the present study, we investigated the effect of simvastatin on osteogenic and adipogenic differentiation in primarily cultured human adipose-derived stem cells (hADSCs). The simvastatin treatment significantly increased the positive cell numbers in alkaline phosphatase and von Kossa staining, and enhanced the expression levels of bone morphogenic protein (BMP)-2, core binding factor alpha 1 (cbfa1), collgen type I and osteonectin mRNAs. Lastly, hADSCs were cultured in the adipogenic media with or without simvastatin to examine the effect of simvastatin on adipogenic differentiation. In the RT-PCR analysis, there were notable decreases in mRNA expression of aP1, C/EBP-$\alpha$ and PPAR-$\gamma$ in hADSCs cultivated in simvastatin-added medium, compared to those in simvastatin-free medium. It suggests that the adipogenic differentiation was significantly inhibited by simvastatin treatment. These observations indicate that simvastatin induces osteogenic differentiation and suppresses adipogenic differentiation in hADSCs.
Stem cells have self-renewal capacity, long-term viability, and multiline age potential. Adult bone marrow contains mesenchymal stem cells. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) are progenitors of skeletal tissue components and can differentiate into adipocytes, chondrocytes, osteoblasts, and myoblasts in vitro and undergo differentiation in vivo. However, the clinical use of BMSCs has presented problems, including pain, morbidity, and low cell number upon harvest. Recent studies have identified a putative stem cell population within the adipose tissue. Human adipose tissue contains pluripotent stem cells simillar to bone marrow-derived stem cells that can differentiate toward the osteogenic, adipogenic, myogenic, and chondrogenic lineages. Human adipose tissue-derived stem cells (ATSCs) could be proposed as an alternative source of adult bone marrow stem cells, and could be obtained in large quantities, under local anesthesia, with minimal discomfort. Human adipose tissue obtained by liposuction was processed to obtain ATSCs. In this study, we compared the osteogenic differentiation of ATSCs in a specific osteogenic induction medium with that in a non-osteogenic medium. ATSCs were incubated in an osteogenic medium for 28 days to induce osteogenesis respectively. Osteogenic differentiation was assessed by von Kossa and alkaline phosphatase staining. Expression of osteocyte specific bone sialoprotein, osteocalcin, collagen type I and alkaline phosphatase, bone morphogenic protein 2, bone morphogenic protein 6 was confirmed by RT-PCR. ATSCs incubated in the osteogenic medium were stained positively for von Kossa and alkaline phosphatase staining. Expression of osteocyte specific genes was also detected. Since this cell population can be easily identified through fluorescence microscopy, it may be an ideal source of ATSCs for further experiments on stem cell biology and tissue engineering. The present results show that ADSCs have an ability to differentiate into osteoblasts. In the present study, we extend this approach to characterize adipose tissue-derived stem cells.
Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMMSCs) must differentiate into osteogenic cells to allow for successful bone regeneration. In this study, we investigated the effects of different combinations of three soluble osteogenic differentiation-inducing factors [L-ascorbic acid (AC), ${\beta}$-glycerophosphate (${\beta}G$), and bone morphogenic protein-2 (BMP-2)] and the presence of a hydroxyapatite (HA) substrate on hBMMSC osteogenic differentiation in vitro. hBMMSCs were cultured in medium containing various combinations of the soluble factors on culture plates with or without HA coating. After 7 days of culture, alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, and osteoprotegerin (OPG) and osteopontin (OPN) expression were measured. The effects of individual and combined factors were evaluated using a factorial analysis method. BMP-2 predominantly affected expression of early markers of osteogenic differentiation (ALP and OPG). HA had the highest positive effect on OPN expression and calcium deposition. The interaction between AC, ${\beta}G$, and HA had the second highest positive effect on ALP activity.
Although previous studies have demonstrated that BMP9 is highly capable of inducing osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells, the molecular mechanism involved remains to be fully elucidated. In this study, we showed that BMP9 simultaneously promotes the activation of Smad1/5/8, p38 and ERK1/2 in C3H10T1/2 cells. Knockdown of Smad4 with RNA interference reduced nuclear translocation of Smad1/5/8, and disrupted BMP9-induced osteogenic differentiation. BMP9-induced osteogenic differentiation was blocked by p38 inhibitor SB203580, whereas enhanced by ERK1/2 inhibitor PD98059. SB203580 decreased BMP9-activated Smads singling, and yet PD98059 stimulated Smads singling in C3H10T1/2 cells. The effects of inhibitor were reproduced with adenovirus expressing siRNA targeted p38 and ERK1/2, respectively. Taken together, our findings revealed that Smads, p38 and ERK1/2 are involved in BMP9-induced osteogenic differentiation. Also, it is noteworthy that p38 and ERK1/2 may play opposing regulatory roles in mediating BMP9-induced osteogenic differentiation of C3H10T1/2 cells.
Postmenopausal osteoporosis (PMOP) is a common systemic skeletal disease characterized by reduced bone mass and microarchitecture deterioration. Although differentially expressed SOX5 has been found in bone marrow from ovariectomized mice, its role in osteogenic differentiation in human mesenchymal stem cells (hMSCs) from bone marrow in PMOP remains unknown. In this study, we investigated the biological function of SOX5 and explore its molecular mechanism in hMSCs from patients with PMOP. Our findings showed that the mRNA and protein expression levels of SOX5 were upregulated in hMSCs isolated from bone marrow samples of PMOP patients. We also found that SOX5 overexpression decreased the alkaline phosphatase (ALP) activity and the gene expression of osteoblast markers including Collagen I, Runx2 and Osterix, which were increased by SOX5 knockdown using RNA interference. Furthermore, $TNF-{\alpha}$ notably upregulated the SOX5 mRNA expression level, and SOX5 knockdown reversed the effect of $TNF-{\alpha}$ on osteogenic differentiation of hMSCs. In addition, SOX5 overexpression increased Kruppel-like factor 4 (KLF4) gene expression, which was decreased by SOX5 silencing. KLF4 knockdown abrogated the suppressive effect of SOX5 overexpression on osteogenic differentiation of hMSCs. Taken together, our results indicated that $TNF-{\alpha}$-induced SOX5 upregulation inhibited osteogenic differentiation of hMSCs through KLF4 signal pathway, suggesting that SOX5 might be a novel therapeutic target for PMOP treatment.
Song, Jennifer K.;Lee, Chang Hoon;Hwang, So-Min;Joo, Bo Sun;Lee, Sun Young;Jung, Jin Sup
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제18권4호
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pp.289-296
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2014
Human adipose-tissue-derived stromal cells (hADSCs) are abundant in adipose tissue and can differentiate into multi-lineage cell types, including adipocytes, osteoblasts, and chondrocytes. In order to define the optimal harvest site of adipose tissue harvest site, we solated hADSCs from different subcutaneous sites (upper abdomen, lower abdomen, and thigh) and compared their proliferation and potential to differentiate into adipocytes and osteoblasts. In addition, this study examined the effect of phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA), a protein kinase C (PKC) activator, on proliferation and differentiation of hADSCs to adipocytes or osteoblasts. hADSCs isolated from different subcutaneous depots have a similar growth rate. Fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis showed that the expression levels of CD73 and CD90 were similar between hADSCs from abdomen and thigh regions. However, the expression of CD105 was lower in hADSCs from the thigh than in those from the abdomen. Although the adipogenic differentiation potential of hADSCs from both tissue regions was similar, the osteogenic differentiation potential of hADSCs from the thigh was greater than that of hADSCs from the abdomen. Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) treatment increased osteogenic differentiation and suppressed adipogenic differentiation of all hADSCs without affecting their growth rate and the treatment of Go6983, a general inhibitor of protein kinase C (PKC) blocked the PMA effect. These findings indicate that the thigh region might be a suitable source of hADSCs for bone regeneration and that the PKC signaling pathway may be involved in the adipogenic and osteogenic differentiation of hADSCs.
Kwonwoo Song;Gwang-Mo Yang;Jihae Han;Minchan Gil;Ahmed Abdal Dayem;Kyeongseok Kim;Kyung Min Lim;Geun-Ho Kang;Sejong Kim;Soo Bin Jang;Balachandar Vellingiri;Ssang-Goo Cho
International Journal of Stem Cells
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제15권3호
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pp.334-345
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2022
Background and Objectives: Flavonoids form the largest group of plant phenols and have various biological and pharmacological activities. In this study, we investigated the effect of a flavonoid, 3, 4'-dihydroxyflavone (3, 4'-DHF) on osteogenic differentiation of equine adipose-derived stromal cells (eADSCs). Methods and Results: Treatment of 3, 4'-DHF led to increased osteogenic differentiation of eADSCs by increasing phosphorylation of ERK and modulating Reactive Oxygen Species (ROS) generation. Although PD98059, an ERK inhibitor, suppressed osteogenic differentiation, another ERK inhibitor, U0126, apparently increased osteogenic differentiation of the 3, 4'-DHF-treated eADSCs, which may indicate that the effect of U0126 on bone morphogenetic protein signaling is involved in the regulation of 3, 4'-DHF in osteogenic differentiation of eADSCs. We revealed that 3, 4'-DHF could induce osteogenic differentiation of eADSCs by suppressing ROS generation and co-treatment of 3, 4'-DHF, U0126, and/or N-acetyl cysteine (NAC) resulted in the additive enhancement of osteogenic differentiation of eADSCs. Conclusions: Our results showed that co-treatment of 3, 4'-DHF, U0126, and/or NAC cumulatively regulated osteogenesis in eADSCs, suggesting that 3, 4'-DHF, a flavonoid, can provide a novel approach to the treatment of osteoporosis and can provide potential therapeutic applications in therapeutics and regenerative medicine for human and companion animals.
Background and Objectives: Chronic inflammation of bone tissue often results in bone defects and hazards to tissue repair and regeneration. Cannabidiol (CBD) is a natural cannabinoid with multiple biological activities, including anti-inflammatory and osteogenic potential. This study aimed to investigate the efficacy and mechanisms of CBD in the promotion of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) osteogenic differentiation in the inflammatory microenvironment. Methods and Results: BMSCs isolated from C57BL/6 mice, expressed stem cell characteristic surface markers and presented multidirectional differentiation potential. The CCK-8 assay was applied to evaluate the effects of CBD on BMSCs' vitality, and demonstrating the safety of CBD on BMSCs. Then, BMSCs were stimulated with lipopolysaccharide (LPS) to induce inflammatory microenvironment. We found that CBD intervention down-regulated mRNA expression levels of inflammatory cytokines and promoted cells proliferation in LPS-treated BMSCs, also reversed the protein and mRNA levels downregulation of osteogenic markers caused by LPS treatment. Moreover, CBD intervention activated the cannabinoid receptor 2 (CB2) and the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway. While AM630, a selective CB2 inhibitor, reduced phosphorylated (p)-p38 levels. In addition, AM630 and SB530689, a selective p38 MAPK inhibitor, attenuated the enhancement of osteogenic markers expression levels by CBD in inflammatory microenvironment, respectively. Conclusions: CBD promoted osteogenic differentiation of BMSCs via the CB2/p38 MAPK signaling pathway in the inflammatory microenvironment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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