机械牵张力下人牙周韧带基质细胞的差异基因表达及蛋白质互作网络

在正畸牙齿移动（OTM）过程中，牙周韧带在机械负荷的牙齿和牙槽骨组织之间的生物力学和分子通讯中起着关键作用。尽管尚未完全探索OTM背后的生物学机制，但众所周知，OTM是由牵张力和压缩力以及剪切应力的相互作用驱动的，这些应力使牙齿能够通过分子过程的逐步级联移动。牙周韧带是外部机械信号的主要接收器，负责将其处理成生物信号。已经确定参与这一过程的一些通路，包括局部粘着斑激酶和一氧化氮依赖性β-catenin 信号、Rho-mDia1信号通路、cAMP反应元件结合蛋白活化、Piezo1 介导的信号和yes 相关蛋白信号通路等。拉伸或压缩机械力激活或抑制这些通路，因为OTM介导的因素（如血流，氧气和二氧化碳水平）在响应相应类型的机械力时表现出不同的行为。

正畸学中另一个重要的临床问题是应用类似的正畸力后OTM率的个体间差异，这可以至少部分地由遗传因素解释。到目前为止，有证据表明单分子成分，例如白细胞介素-1β 多态性或瞬时受体电位阳离子通道亚家族C成员6 激活可能参与OTM率，但OTM背后的调控机制中个体间差异的复杂实体尚未明确。

关于 OTM 期间引发的牵张和压缩力机制的知识有限，因为它主要来自专注于单个分子参数的研究，而不是在分子网络上。虽然对压缩力下牙周韧带细胞的基因表达谱有初步的了解，在与OTM期间初始阶段相当的条件下，人牙周韧带张力侧的差异表达基因（DEG）的剖析仍然缺失。

近日，维也纳医科大学牙学院牙周研究中心、临床研究中心的课题组在 European Journal of Cell Biology 上发表了题为 Differential gene expression and protein-protein interaction networks of human periodontal ligament stromal cells under mechanical tension 的文章，该团队利用RNA-seq技术鉴定了机械牵张力下人原代牙周韧带基质细胞（PDLSC）中的DEG，该张力可以模拟正畸牙齿移动期间经历的张力的初始阶段，而且还评估了不同供体的原代人PDLSC，以解决基因表达谱中潜在的个体间差异。

首先，利用体外张力加载系统施加静态机械牵张力，开始前6小时最大张力强度为10%，然后逐渐降低到3%。机械张力作用于PDLSC共72 h。

为了验证所选的处理设置不会干扰细胞活力而影响基因表达，进行了活死染色。结果表明，牵张力处理72 h后细胞完整性稳定，这可能与活细胞有关。此外，张力处理的PDLSC看起来比未处理的PDLSC体积更小，细胞形态更圆。

接下来，分析了机械张力下牙周韧带基质细胞的差异基因表达。

转录组分析显示，与未处理的PDLSC相比，张力处理的PDLSC中有1336个基因差异表达，其中，543个基因显著上调，793个基因显著下调。经过p值调整后，剩下124个DEG至少具有≥1.0的效应值。研究发现，124个DEG中有33个DEG参与了38个不同的生物过程（图1），20个DEG参与了3个细胞成分（图2），19个DEG参与了11个分子功能（图3），10个DEG参与了12个KEGG通路，5个DEG参与了4个Reactome通路和18个DEG参与了15个WikiPathways 。

基于这些结果，在mRNA水平上进一步分析了与OTM相关的“骨发育”和“成纤维细胞生长因子受体信号通路的调控”生物过程相关的候选基因，包括APLN、FGFR1、NOG、SULF4、SFRP1和STC2。所有这些选定的DEG在张力处理的PDLSC中的表达均低于未处理的对照。

由于转录组分析是在三种不同PDLSC供体的RNA提取物中进行的，因此必须评估对基因表达模式的个体影响，以将其从已鉴定的可能与OTM功能相关的DEG中排除。研究发现，总共有13个蛋白质编码DEG在所有三个供体之间是相互的。这13个已鉴定的蛋白质编码DEG中没有一个是与OTM功能相关的所选DEG的一部分。

图1 机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因相关生物过程的基因本体富集分析。在机械张力下人牙周韧带基质细胞中的上调（红色）和下调（蓝色）基因与几个生物过程有关。

图2 机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因相关细胞成分的基因本体富集分析。在机械张力下人牙周韧带基质细胞中的上调（红色）和下调（蓝色）基因与三种不同的细胞成分有关。

图3 机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因相关分子功能的基因本体富集分析。在机械张力下人牙周韧带基质细胞中的上调（红色）和下调（蓝色）基因与各种分子功能有关。

然后，进一步分析了机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因的 mRNA 水平变化。为了确认转录组分析的结果，使用RT-qPCR在mRNA水平上进一步评估了与OTM期间生物学相关过程相关的选定DEG。与未经处理的PDLSC相比，张力处理的PDLSC显示FGFR2、NOG和SULF1 mRNA水平显著降低；APLN、SFRP4或STC1 mRNA水平上没有显著变化，但是它们的平均mRNA水平比对照组低。

最后，研究分析了蛋白质之间相互作用的网络。基于转录组分析的结果，通过创建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络来评估与GO 术语“骨发育”或“成纤维细胞因子受体信号通路调控”相关的前124 个DEG蛋白质产物的潜在相互作用。对PPI的分析表明，11 个DEG的蛋白质产物是四个不同PPI网络的一部分（图4）。

图4 机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因产物的蛋白质-蛋白质相互作用网络。蛋白质-蛋白质相互作用网络的节点对应于机械张力下牙周韧带基质细胞中差异表达基因产物的蛋白质产物，这些基因被发现与数据库中发现的已知的相互作用（绿线）或通过实验确定的（粉红线）、基因同现预测的（蓝线）、共表达的（黑线）或蛋白质同源性的（紫线）相互作用相关。

图5 图形概要

综上所述，该研究提供了证据，证明了六个候选基因APLN、FGFR2（成纤维细胞生长因子受体-2）、NOG、SULF1（硫酸酯酶1）、SFRP4（分泌型卷曲相关蛋白4）和STC1（斯钙素-1）在人PDLSC中基于机械牵张力的效应中发挥作用，这在OTM期间可能很重要。机械信号网络的详细相互作用应在未来的研究中探索，以最终填补OTM分子机制的大图景，这将有助于开发更有效的口腔正畸个性化治疗策略。

参考文献：Janjić K, Nemec M, Maaser JL, Sagl B, Jonke E, Andrukhov O. Differential gene expression and protein-protein interaction networks of human periodontal ligament stromal cells under mechanical tension. Eur J Cell Biol. 2023 Apr 26;102(2):151319. doi: 10.1016/j.ejcb.2023.151319. Epub ahead of print. PMID: 37119575.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37119575/

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